Membranski proteini kao ionski kanali. Selektivni i neselektivni kanali

Ionski kanali predstavljena integralnim membranskim proteinima. Ovi proteini su sposobni, pod određenim utjecajima, promijeniti svoju konformaciju (oblik i svojstva) na takav način da se pora kroz koju može proći bilo koji ion otvara ili zatvara. Poznati su natrijevi, kalijevi, kalcijevi i klorni kanali; ponekad kanal može propuštati dva iona, na primjer, poznati su natrijevo-kalcijevi kanali. Kroz ionske kanale odvija se samo pasivni transport iona. To znači da za kretanje iona nije potreban samo otvoreni kanal, već i koncentracijski gradijent za taj ion. U tom slučaju, ion će se kretati po koncentracijskom gradijentu – od područja s višom koncentracijom prema području s nižom koncentracijom. Mora se imati na umu da govorimo o ionima - nabijenim česticama, čiji je transport također određen nabojem. Moguće su situacije kada se kretanje duž gradijenta koncentracije može usmjeriti u jednom smjeru, a postojeći naboji se suprotstavljaju tom prijenosu.

Ionski kanali imaju dva važna svojstva: 1) selektivnost (selektivnost) prema određenim ionima i 2) mogućnost otvaranja (aktiviranja) i zatvaranja. Kada se aktivira, kanal se otvara i propušta ione (slika 8). Dakle, kompleks integralnih proteina koji tvore kanal mora nužno uključivati ​​dva elementa: strukture koje prepoznaju "svoj" ion i mogu ga propustiti, i strukture koje vam omogućuju da znate kada pustiti ovaj ion. Selektivnost kanala određena je proteinima koji ga tvore; "vlastiti" ion se prepoznaje po veličini i naboju.

Aktivacija kanala moguće na više načina. Prvo, kanali se mogu otvarati i zatvarati kako se membranski potencijal mijenja. Promjena naboja dovodi do promjene konformacije proteinskih molekula, a kanal postaje propusnim za ion. Za promjenu svojstava kanala dovoljna je blaga fluktuacija membranskog potencijala. Takvi kanali se nazivaju ovisna o naponu(ili električnim upravljanjem). Drugo, kanali mogu biti dio složenog proteinskog kompleksa koji se naziva membranski receptor. U ovom slučaju, promjena svojstava kanala uzrokovana je konformacijskim preuređivanjem proteina, koji nastaje kao rezultat interakcije receptora s biološki aktivnom tvari (hormon, medijator). Takvi kanali se nazivaju kemoovisna(ili receptorski upravljani ) . Osim toga, kanali se mogu otvoriti pod mehaničkim utjecajem - pritiskom, istezanjem (slika 9). Mehanizam koji omogućuje aktivaciju naziva se usmjeravanje kanala. Na temelju brzine otvaranja i zatvaranja kanali se dijele na brze i spore.

Većina kanala (kalij, kalcij, klorid) može biti u dva stanja: otvorenom i zatvorenom. Postoje neke osobitosti u radu natrijevih kanala. Ovi kanali, poput kalija, kalcija i klorida, imaju tendenciju biti u otvorenom ili zatvorenom stanju, međutim, natrijev kanal također može biti inaktiviran, to je stanje u kojem je kanal zatvoren i ne može se otvoriti nikakvim utjecajem ( Slika 10).

Slika 8. Stanja ionskih kanala

Slika 9. Primjer kanala zatvorenog receptorom. ACh – acetilkolin. Interakcija molekule ACh s membranskim receptorom mijenja konformaciju proteina vrata na takav način da kanal počinje propuštati ione.

Slika 10 Primjer kanala ovisnog o potencijalu

Naponski natrijev kanal ima aktivacijska i inaktivacijska vrata (vrata). Aktivacijska i inaktivacijska vrata mijenjaju konformaciju na različitim membranskim potencijalima.

Razmatrajući mehanizme pobuđivanja, uglavnom ćemo se zanimati za rad natrijevih i kalijevih kanala, međutim, ukratko se zadržimo na značajkama kalcijevih kanala, trebat će nam ih u budućnosti. Natrijevi i kalcijevi kanali razlikuju se po svojim svojstvima. Natrijevi kanali su brzi i spori, dok su kalcijevi samo spori. Aktivacija natrijevih kanala dovodi samo do depolarizacije, a pojava ili LO ili AP, dok aktivacija kalcijevih kanala može dodatno izazvati metaboličke promjene u stanici. Ove promjene nastaju zbog činjenice da se kalcij veže na posebne proteine ​​koji su osjetljivi na ovaj ion. Protein vezan za kalcij mijenja svoja svojstva na takav način da postaje sposoban mijenjati svojstva drugih proteina, na primjer, aktivirati enzime, potaknuti kontrakciju mišića i otpustiti medijatore.

Prema suvremenim konceptima, biološke membrane čine vanjsku ovojnicu svih životinjskih stanica i tvore brojne unutarstanične organele. Najkarakterističnija strukturna značajka je da membrane uvijek tvore zatvorene prostore, a ta mikrostrukturna organizacija membrana omogućuje im obavljanje bitnih funkcija.

Građa i funkcije staničnih membrana.

1. Barijerna funkcija se izražava u tome što membrana odgovarajućim mehanizmima sudjeluje u stvaranju koncentracijskih gradijenata, sprječavajući slobodnu difuziju. U ovom slučaju membrana sudjeluje u mehanizmima elektrogeneze. To uključuje mehanizme za stvaranje potencijala mirovanja, stvaranje akcijskog potencijala, mehanizme za širenje bioelektričnih impulsa kroz homogene i heterogene ekscitabilne strukture.

2. Regulacijska funkcija stanične membrane je fina regulacija unutarstaničnog sadržaja i unutarstaničnih reakcija zbog primanja izvanstaničnih biološki aktivnih tvari, što dovodi do promjena u aktivnosti enzimskih sustava membrane i pokretanja mehanizama sekundarnog “ glasnici” (“posrednici”).

3. Pretvorba vanjskih podražaja neelektrične prirode u električne signale (u receptorima).

4. Otpuštanje neurotransmitera u sinaptičkim završecima.

Suvremenim metodama elektronske mikroskopije određena je debljina staničnih membrana (6-12 nm). Kemijska analiza pokazala je da se membrane uglavnom sastoje od lipida i proteina, čija količina varira među različitim tipovima stanica. Poteškoće u proučavanju molekularnih mehanizama funkcioniranja staničnih membrana uzrokovane su činjenicom da je kod izolacije i pročišćavanja staničnih membrana poremećeno njihovo normalno funkcioniranje. Trenutno se može govoriti o nekoliko tipova modela stanične membrane, među kojima je najrašireniji model tekućeg mozaika.

Prema ovom modelu, membrana je predstavljena dvoslojem fosfolipidnih molekula, usmjerenih na takav način da se hidrofobni krajevi molekula nalaze unutar dvosloja, a hidrofilni krajevi usmjereni su u vodenu fazu. Ova struktura je idealna za formiranje razdvajanja između dvije faze: ekstracelularne i intracelularne.

Globularni proteini integrirani su u fosfolipidni dvosloj, čija polarna područja tvore hidrofilnu površinu u vodenoj fazi. Ovi integrirani proteini obavljaju različite funkcije, uključujući receptorske, enzimske, tvore ionske kanale, membranske su pumpe i transporteri iona i molekula.

Neke proteinske molekule slobodno difundiraju u ravnini lipidnog sloja; u normalnom stanju dijelovi proteinskih molekula koji izlaze s različitih strana stanične membrane ne mijenjaju svoj položaj.

Električne karakteristike membrana:

Kapacitivna svojstva uglavnom su određena fosfolipidnim dvoslojem, koji je nepropustan za hidratirane ione, au isto vrijeme dovoljno tanak (oko 5 nm) da omogući učinkovito odvajanje i akumulaciju naboja i elektrostatsku interakciju kationa i aniona. Osim toga, kapacitivna svojstva staničnih membrana jedan su od razloga koji određuju vremenske karakteristike električnih procesa koji se odvijaju na staničnim membranama.

Vodljivost (g) je recipročna vrijednost električnog otpora i jednaka je omjeru ukupne transmembranske struje za određeni ion i vrijednosti koja je odredila njegovu transmembransku razliku potencijala.

Različite tvari mogu difundirati kroz fosfolipidni dvosloj, a stupanj propusnosti (P), odnosno sposobnost stanične membrane da propušta te tvari, ovisi o razlici u koncentracijama difuzirajuće tvari s obje strane membrane, njezinoj topljivosti u lipidima i svojstvima stanične membrane.

Vodljivost membrane je mjera njezine ionske propusnosti. Povećanje vodljivosti ukazuje na povećanje broja iona koji prolaze kroz membranu.

Građa i funkcije ionskih kanala. Ioni Na+, K+, Ca2+, Cl- prodiru u stanicu i izlaze kroz posebne kanale ispunjene tekućinom. Veličina kanala je prilično mala.

Svi ionski kanali podijeljeni su u sljedeće skupine:

1. Prema selektivnosti:

a) Selektivno, tj. specifično. Ovi kanali su propusni za strogo određene ione.

b) Niskoselektivni, nespecifični, bez specifične ionske selektivnosti. U membrani ih je mali broj.

1. Prema prirodi iona koji prolaze kroz:

a) kalij

b) natrij

c) kalcij

d) klor

1. Prema stopi inaktivacije, tj. zatvaranje:

a) brzo se inaktivira, tj. brzo se pretvara u zatvoreno stanje. Omogućuju brzo rastuće smanjenje MP i jednako brz oporavak.

b) sporog djelovanja. Njihovo otvaranje uzrokuje sporo smanjenje MP i njegov spori oporavak.

4. Prema mehanizmima otvaranja:

a) ovisno o potencijalu, tj. one koje se otvaraju na određenoj razini membranskog potencijala.

b) kemoovisni, otvaraju se kada su kemoreceptori stanične membrane izloženi fiziološki aktivnim tvarima (neurotransmiteri, hormoni itd.).

Sada je utvrđeno da ionski kanali imaju sljedeću strukturu:

1. Selektivni filtar smješten na ušću kanala. Osigurava prolaz strogo definiranih iona kroz kanal.

2. Aktivacijska vrata koja se otvaraju na određenoj razini membranskog potencijala ili djelovanja odgovarajućeg PAS-a. Aktivacijska vrata potencijalno ovisnih kanala imaju senzor koji ih otvara na određenoj MP razini.

3. Inaktivacijska vrata, koja osiguravaju zatvaranje kanala i prestanak protoka iona kroz kanal na određenoj razini MP (slika).

Nespecifični ionski kanali nemaju vrata.

Selektivni ionski kanali mogu postojati u tri stanja, koja su određena položajem aktivacijskih (m) i inaktivacijskih (h) vrata:

1. Zatvoreno kada su aktivacijski zatvoreni, a neaktivacijski otvoreni.

2. Aktivirano, oba su vrata otvorena.

3. Inaktivirano, aktivacijska vrata su otvorena, a inaktivacijska vrata zatvorena

Funkcije ionskih kanala:

1. Kalij (u mirovanju) – stvaranje potencijala mirovanja

2. Natrij - stvaranje akcijskog potencijala

3. Kalcij - stvaranje sporog djelovanja

4. Kalij (odgođena rektifikacija) – osigurava repolarizaciju

5. Kalij-kalcij-aktiviran – ograničavajuća depolarizacija uzrokovana Ca+2 strujom

Funkcija ionskih kanala proučava se na različite načine. Najčešća metoda je naponska stezaljka ili "naponska stezaljka". Bit metode je da se uz pomoć posebnih elektroničkih sustava membranski potencijal tijekom eksperimenta mijenja i fiksira na određenoj razini. U tom slučaju mjeri se veličina ionske struje koja teče kroz membranu. Ako je razlika potencijala konstantna, tada je, u skladu s Ohmovim zakonom, veličina struje proporcionalna vodljivosti ionskih kanala. Kao odgovor na postupnu depolarizaciju, otvaraju se određeni kanali i odgovarajući ioni ulaze u stanicu duž elektrokemijskog gradijenta, tj. nastaje ionska struja koja depolarizira stanicu. Ovu promjenu detektira kontrolno pojačalo i električna struja prolazi kroz membranu, jednake veličine, ali suprotnog smjera ionskoj struji membrane. U tom se slučaju transmembranska razlika potencijala ne mijenja.

Proučavanje funkcije pojedinih kanala moguće je korištenjem metode lokalne fiksacije potencijala "path-clamp". Staklena mikroelektroda (mikropipeta) napuni se fiziološkom otopinom, pritisne na površinu membrane i stvori se lagani vakuum. U tom slučaju dio membrane se usisava na mikroelektrodu. Ako se ionski kanal pojavi u zoni usisavanja, tada se bilježi aktivnost jednog kanala. Sustav iritacije i snimanja aktivnosti kanala malo se razlikuje od sustava snimanja napona.

Struja kroz jedan ionski kanal ima pravokutni oblik i jednaka je amplitude za kanale različitih vrsta. Trajanje ostanka kanala u otvorenom stanju je vjerojatnosno, ali ovisi o vrijednosti membranskog potencijala. Ukupna ionska struja određena je vjerojatnošću da određeni broj kanala bude u otvorenom stanju u svakom određenom vremenskom razdoblju.

Vanjski dio kanala je relativno pristupačan za proučavanje, proučavanje unutarnjeg dijela predstavlja značajne poteškoće. P. G. Kostyuk razvio je metodu intracelularne dijalize, koja omogućuje proučavanje funkcije ulaznih i izlaznih struktura ionskih kanala bez upotrebe mikroelektroda. Pokazalo se da se dio ionskog kanala koji je otvoren prema izvanstaničnom prostoru razlikuje po svojim funkcionalnim svojstvima od dijela kanala okrenutog prema unutarstaničnom okolišu.

Upravo ionski kanali osiguravaju dva važna svojstva membrane: selektivnost i vodljivost.

Selektivnost, odnosno selektivnost, kanala osigurava njegova posebna struktura proteina. Većina kanala je električno kontrolirana, odnosno njihova sposobnost provođenja iona ovisi o veličini membranskog potencijala. Kanal je heterogen po svojim funkcionalnim karakteristikama, posebice s obzirom na proteinske strukture smještene na ulazu u kanal i na njegovom izlazu (tzv. gate mehanizmi).

Razmotrimo princip rada ionskih kanala na primjeru natrijevog kanala. Vjeruje se da je natrijev kanal zatvoren u mirovanju. Kada se stanična membrana depolarizira do određene razine, otvaraju se m-aktivacijska vrata (aktivacija) i povećava se protok iona Na+ u stanicu. Nekoliko milisekundi nakon otvaranja m-vrata zatvaraju se h-vrata koja se nalaze na izlazu iz natrijevih kanala (inaktivacija). Inaktivacija se vrlo brzo razvija u staničnoj membrani, a stupanj inaktivacije ovisi o veličini i vremenu djelovanja depolarizirajućeg podražaja.

Kada se u debelom živčanom vlaknu stvori jedan akcijski potencijal, promjena koncentracije Na+ iona u unutarnjem okruženju iznosi samo 1/100 000 unutarnjeg sadržaja Na+ iona golemog aksona lignje.

Osim natrijevih, u stanične membrane ugrađene su i druge vrste kanala koji su selektivno propusni za pojedine ione: K+, Ca2+, a za te ione postoje različiti kanali.

Hodgkin i Huxley formulirali su princip "neovisnosti" kanala, prema kojem je protok natrija i kalija kroz membranu neovisan jedan o drugome.

Svojstva vodljivosti različitih kanala nisu ista. Konkretno, za kalijeve kanale ne postoji proces inaktivacije, kao za natrijeve kanale. Postoje posebni kalijevi kanali koji se aktiviraju kada se poveća unutarstanična koncentracija kalcija i depolarizira stanična membrana. Aktivacija kanala ovisnih o kaliju i kalciju ubrzava repolarizaciju, čime se vraća izvorna vrijednost potencijala mirovanja.

Kalcijevi kanali su od posebnog interesa. Dolazna struja kalcija obično nije dovoljno velika da normalno depolarizira staničnu membranu. Najčešće, kalcij koji ulazi u stanicu djeluje kao "glasnik" ili sekundarni glasnik. Aktivacija kalcijevih kanala postiže se depolarizacijom stanične membrane, na primjer nadolazećom strujom natrija.

Proces inaktivacije kalcijevih kanala prilično je složen. S jedne strane, povećanje intracelularne koncentracije slobodnog kalcija dovodi do inaktivacije kalcijevih kanala. S druge strane, proteini u citoplazmi stanica vežu kalcij, što omogućuje dugotrajno održavanje stabilne struje kalcija, iako na niskoj razini; u ovom slučaju, natrijeva struja je potpuno potisnuta. Kalcijevi kanali igraju bitnu ulogu u stanicama srca. O elektrogenezi kardiomiocita govori se u poglavlju 7. Posebnim metodama proučavaju se elektrofiziološke karakteristike staničnih membrana.

Svi kanali prisutni u živim tkivima, a danas poznajemo nekoliko stotina vrsta kanala, mogu se podijeliti u dvije glavne vrste. Prva vrsta je kanali za odmor, koji se spontano otvaraju i zatvaraju bez ikakvih vanjskih utjecaja. Oni su važni za stvaranje potencijala membrane u mirovanju. Drugi tip je tzv kanali vrata, ili kanali portala(od riječi "kapija") . U mirovanju su ti kanali zatvoreni i mogu se otvoriti pod utjecajem određenih podražaja. Neke vrste takvih kanala uključene su u stvaranje akcijskih potencijala.

Većina ionskih kanala je karakterizirana selektivnost(selektivnost), odnosno kroz određenu vrstu kanala prolaze samo određeni ioni. Na temelju ove značajke razlikuju se natrijevi, kalijevi, kalcijevi i kloridni kanali. Selektivnost kanala određena je veličinom pora, veličinom iona i njegove hidratacijske ljuske, nabojem iona, kao i nabojem unutarnje površine kanala. Međutim, postoje i neselektivni kanali koji mogu propuštati dvije vrste iona odjednom: na primjer, kalij i natrij. Postoje kanali kroz koje mogu proći svi ioni, pa čak i veće molekule.

Postoji klasifikacija ionskih kanala prema način aktiviranja(slika 9). Neki kanali specifično reagiraju na fizičke promjene u staničnoj membrani neurona. Najistaknutiji predstavnici ove skupine su naponski aktivirani kanali. Primjeri uključuju naponski osjetljive natrijeve, kalijeve i kalcijeve ionske kanale na membrani, koji su odgovorni za stvaranje akcijskog potencijala. Ti se kanali otvaraju pri određenom membranskom potencijalu. Tako se natrijevi i kalijevi kanali otvaraju na potencijalu od oko -60 mV (unutarnja površina membrane je negativno nabijena u odnosu na vanjsku površinu). Kalcijevi kanali se otvaraju pri potencijalu od -30 mV. Skupina kanala aktiviranih fizičkim promjenama uključuje

Slika 9. Metode aktivacije ionskih kanala

(A) Ionski kanali aktivirani promjenama membranskog potencijala ili rastezanja membrane. (B) Ionski kanali aktivirani kemijskim agensima (ligandima) s izvanstanične ili unutarstanične strane.

Također mehanoosjetljivi kanali koji reagiraju na mehanički stres (istezanje ili deformacija stanične membrane). Druga skupina ionskih kanala otvara se kada kemikalije aktiviraju posebna receptorska vezna mjesta na molekuli kanala. Takav ligand-aktivirani kanali dijele se u dvije podskupine, ovisno o tome jesu li im receptorski centri unutarstanični ili izvanstanični. Također se nazivaju kanali aktivirani ligandom koji reagiraju na izvanstanične podražaje ionotropnih receptora. Takvi kanali su osjetljivi na odašiljače i izravno sudjeluju u prijenosu informacija u sinaptičkim strukturama. Kanali aktivirani ligandom, aktivirani sa strane citoplazme, uključuju kanale koji su osjetljivi na promjene u koncentraciji specifičnih iona. Na primjer, kalijevi kanali aktivirani kalcijem aktiviraju se lokalnim povećanjem unutarstanične koncentracije kalcija. Takvi kanali igraju važnu ulogu u repolarizaciji stanične membrane tijekom završetka akcijskog potencijala. Uz ione kalcija, tipični predstavnici unutarstaničnih liganada su ciklički nukleotidi. Ciklički GMP, na primjer, odgovoran je za aktivaciju natrijevih kanala u retinalnim štapićima. Ova vrsta kanala igra temeljnu ulogu u radu vizualnog analizatora. Zasebna vrsta modulacije rada kanala vezanjem unutarstaničnog liganda je fosforilacija / defosforilacija određenih dijelova njegove proteinske molekule pod djelovanjem unutarstaničnih enzima - protein kinaza i protein fosfataza.

Prikazana klasifikacija kanala prema načinu aktivacije je uglavnom proizvoljna. Neke ionske kanale može aktivirati samo nekoliko podražaja. Na primjer, kalijevi kanali aktivirani kalcijem također su osjetljivi na promjene potencijala, a neki ionski kanali aktivirani naponom osjetljivi su na unutarstanične ligande.

Model ekscitabilne membrane prema Hodgkin-Huxleyevoj teoriji pretpostavlja kontrolirani transport iona kroz membranu. Međutim, izravan prolaz iona kroz lipidni dvosloj je vrlo težak, pa bi stoga protok iona bio mali.

Ovo i niz drugih razmatranja dali su razloga vjerovati da membrana mora sadržavati neke posebne strukture - vodljive ione. Takve su strukture pronađene i nazvane ionskim kanalima. Slični kanali izolirani su iz različitih objekata: stanične plazma membrane, postsinaptičke membrane mišićnih stanica i drugih objekata. Poznati su i ionski kanali koje stvaraju antibiotici.

Osnovna svojstva ionskih kanala:

1) selektivnost;

2) neovisnost rada pojedinih kanala;

3) diskretna priroda vodljivosti;

4) ovisnost parametara kanala o membranskom potencijalu.

Pogledajmo ih redom.

1. Selektivnost je sposobnost ionskih kanala da selektivno propuštaju ione jedne vrste.

Još u prvim pokusima na aksonu lignje otkriveno je da ioni Na+ i Kt različito djeluju na membranski potencijal. Ioni K+ mijenjaju potencijal mirovanja, a ioni Na+ akcijski potencijal. Hodgkin-Huxleyev model to opisuje uvođenjem neovisnih kalijevih i natrijevih ionskih kanala. Pretpostavljalo se da prvi propuštaju samo ione K+, a drugi samo ione Na+.

Mjerenja su pokazala da ionski kanali imaju apsolutnu selektivnost prema kationima (kation-selektivni kanali) ili anionima (anion-selektivni kanali). Istodobno, različiti kationi različitih kemijskih elemenata mogu prolaziti kroz kationske selektivne kanale, ali će vodljivost membrane za manji ion, a time i struja kroz nju, biti znatno niža, na primjer, za Na + kanal. , struja kalija kroz njega bit će 20 puta manja. Sposobnost ionskog kanala da propušta različite ione naziva se relativna selektivnost i karakterizirana je nizom selektivnosti - omjerom vodljivosti kanala za različite ione uzete u istoj koncentraciji. U ovom slučaju, za glavni ion, selektivnost se uzima kao 1. Na primjer, za Na+ kanal ovaj niz ima oblik:

Na+ : K+ = 1 : 0,05.

2. Neovisnost rada pojedinih kanala. Protok struje kroz pojedinačni ionski kanal ne ovisi o tome teče li struja kroz druge kanale. Na primjer, K + kanali se mogu uključiti ili isključiti, ali se struja kroz Na + kanale ne mijenja. Utjecaj kanala jedni na druge događa se neizravno: promjena propusnosti nekih kanala (na primjer, natrij) mijenja membranski potencijal, a to već utječe na vodljivost drugih ionskih kanala.

3. Diskretna priroda vodljivosti ionskih kanala. Ionski kanali su kompleks podjedinica proteina koji premošćuju membranu. U njegovom središtu nalazi se cijev kroz koju prolaze ioni. Broj ionskih kanala po 1 μm 2 površine membrane određen je pomoću radioaktivno obilježenog blokatora natrijevih kanala - tetrodotoksina. Poznato je da se jedna molekula TTX veže samo za jedan kanal. Zatim je mjerenje radioaktivnosti uzorka s poznatim područjem omogućilo da se pokaže da postoji oko 500 natrijevih kanala po 1 µm2 aksona lignje.

One transmembranske struje koje se mjere u konvencionalnim eksperimentima, na primjer, na aksonu lignje duljine 1 cm i promjera 1 mm, odnosno površine od 3 * 10 7 μm 2, posljedica su ukupnog odgovora (promjene u vodljivost) od 500 3 10 7 -10 10 ionskih kanala. Ovaj odgovor karakterizira glatka promjena vodljivosti tijekom vremena. Odziv jednog ionskog kanala mijenja se tijekom vremena na bitno drugačiji način: diskretno za Na+ kanale, i za K+-, i za Ca 2+ kanale.

Ovo je prvi put otkriveno 1962. u studijama vodljivosti lipidnih dvoslojnih membrana (BLMs) kada su mikrokoličine određene tvari koja izaziva ekscitaciju dodane u otopinu koja okružuje membranu. Konstantni napon je primijenjen na BLM i zabilježena je struja I(t). Struja je tijekom vremena zabilježena u obliku skokova između dva vodljiva stanja.

Jedna od učinkovitih metoda eksperimentalnog proučavanja ionskih kanala bila je metoda lokalne fiksacije membranskog potencijala (“Patch Clamp”), razvijena 80-ih godina (Sl. 10).

Riža. 10. Metoda lokalne fiksacije membranskog potencijala. ME - mikroelektroda, IR - ionski kanal, M - stanična membrana, SFP - potencijalna stezaljka, I - jednokanalna struja

Suština metode je da se ME mikroelektroda (slika 10), s tankim krajem promjera 0,5-1 μm, usisava na membranu tako da ionski kanal ulazi u njezin unutarnji promjer. Tada je pomoću strujnog kruga stezanja potencijala moguće mjeriti struje koje prolaze samo kroz jedan kanal membrane, a ne kroz sve kanale istovremeno, kao što se događa pri korištenju standardne metode stezanja potencijala.

Rezultati pokusa provedenih na različitim ionskim kanalima pokazali su da je vodljivost ionskog kanala diskretna i da može biti u dva stanja: otvorenom i zatvorenom. Prijelazi između stanja događaju se u nasumično vrijeme i podliježu statističkim zakonima. Ne može se reći da će se određeni ionski kanal otvoriti točno u ovom trenutku. Možete dati izjavu samo o vjerojatnosti otvaranja kanala u određenom vremenskom intervalu.

4. Ovisnost parametara kanala o membranskom potencijalu. Ionski kanali živčanih vlakana osjetljivi su na membranski potencijal, kao što su natrijevi i kalijevi kanali aksona lignje. To se očituje u činjenici da se nakon početka depolarizacije membrane odgovarajuće struje počinju mijenjati s jednom ili drugom kinetikom. Taj se proces odvija na sljedeći način: ionski selektivni kanal ima senzor - neki element svog dizajna koji je osjetljiv na djelovanje električnog polja (Sl. 11). Kada se membranski potencijal promijeni, veličina sile koja djeluje na nju se mijenja, kao rezultat toga, ovaj dio ionskog kanala se pomiče i mijenja vjerojatnost otvaranja ili zatvaranja vrata - svojevrsnog prigušivača koji radi prema “svim ili ništa” zakon. Eksperimentalno je pokazano da se pod utjecajem depolarizacije membrane povećava vjerojatnost prijelaza natrijeva kanala u vodljivo stanje. Naponski val na membrani stvoren tijekom mjerenja potencijalnih stezaljki uzrokuje otvaranje velikog broja kanala. Kroz njih prolazi više naboja, što znači da u prosjeku teče više struje. Važno je da se proces povećanja vodljivosti kanala određuje povećanjem vjerojatnosti prijelaza kanala u otvoreno stanje, a ne povećanjem promjera otvorenog kanala. Ovo je moderno razumijevanje mehanizma prolaska struje kroz jedan kanal.

Glatke kinetičke krivulje struja zabilježene tijekom električnih mjerenja na velikim membranama dobivene su zbrajanjem mnogih struja u koracima koje teku kroz pojedinačne kanale. Njihovo zbrajanje, kao što je prikazano gore, oštro smanjuje fluktuacije i daje prilično glatke vremenske ovisnosti transmembranske struje.

Ionski kanali također mogu biti osjetljivi na druge fizičke utjecaje: mehaničke deformacije, vezanje kemikalija itd. U ovom slučaju, oni su strukturna osnova mehanoreceptora, kemo-receptora itd.

Proučavanje ionskih kanala u membranama jedan je od važnih zadataka suvremene biofizike.

Struktura ionskog kanala.

Ionski selektivni kanal sastoji se od sljedećih dijelova (slika 11): uronjen u dvosloj proteinskog dijela, koji ima strukturu podjedinice; selektivni filtar formiran od negativno nabijenih atoma kisika, koji su čvrsto smješteni na određenoj udaljenosti jedan od drugoga i dopuštaju prolaz iona određenog promjera; dio vrata.

Vrata ionskog kanala kontrolirana su membranskim potencijalom i mogu biti u zatvorenom stanju (isprekidana linija) ili otvorenom stanju (puna linija). Normalni položaj vrata natrijeva kanala je zatvoren. Pod utjecajem električnog polja povećava se vjerojatnost otvorenog stanja, vrata se otvaraju i tok hidratiziranih iona može proći kroz selektivni filtar.

Ako ion odgovara promjeru, odbacuje svoju hidratacijsku ljusku i skače na drugu stranu ionskog kanala. Ako je ion prevelikog promjera, kao što je tetraetilamonij, ne može proći kroz filtar i ne može prijeći membranu. Ako je, naprotiv, ion premalen, tada ima poteškoća u selektivnom filtru, ovaj put povezanih s poteškoćama u uklanjanju hidratacijske ljuske iona.

Blokatori ionskih kanala ili ne mogu proći kroz njega, zaglave u filteru, ili, ako su velike molekule poput TTX-a, sterički odgovaraju nekom ulazu u kanal. Budući da blokatori nose pozitivan naboj, njihov nabijeni dio se kao obični kation uvlači u kanal do selektivnog filtera, a makromolekula ga začepljuje.

Stoga se promjene u električnim svojstvima ekscitabilnih biomembrana provode pomoću ionskih kanala. To su proteinske makromolekule koje prodiru kroz lipidni dvosloj i mogu postojati u nekoliko diskretnih stanja. Svojstva kanala selektivnih za ione K +, Na + i Ca 2+ mogu različito ovisiti o membranskom potencijalu, koji određuje dinamiku akcijskog potencijala u membrani, kao i o razlikama u takvim potencijalima u membranama različitih stanica. .

Riža. 11. Dijagram poprečnog presjeka strukture natrijevog ionskog kanala membrane

Povratne informacije.

Za razne tvari, a posebno za mineralne ione, izuzetno je važan u životu stanice, a posebno u mehanizmima percepcije, transformacije, prijenosa signala od stanice do stanice i do unutarstaničnih struktura.

Određujuću ulogu u stanju propusnosti stanične membrane imaju njihovi ionski kanali koji se formiraju proteini koji stvaraju kanale. Otvaranje i zatvaranje ovih kanala može se kontrolirati veličinom potencijalne razlike između vanjske i unutarnje površine membrane, različitim signalnim molekulama (hormoni, neurotransmiteri, vazoaktivne tvari), sekundarnim glasnicima unutarstaničnog prijenosa signala i mineralima. ioni.

Ionski kanal- nekoliko podjedinica (cjeloviti membranski proteini koji sadrže transmembranske segmente, od kojih svaki ima α-spiralnu konfiguraciju) koji osiguravaju transport iona kroz membranu.

Riža. 1. Klasifikacija ionskih kanala

Suvremeno razumijevanje strukture i funkcije ionskih kanala postalo je moguće zahvaljujući razvoju metoda za snimanje električnih struja koje teku kroz izolirani dio membrane koji sadrži pojedinačne ionske kanale, kao i izolacijom i kloniranjem pojedinačnih gena koji kontroliraju sinteza proteinskih makromolekula sposobnih za stvaranje ionskih kanala. To je omogućilo umjetnu modifikaciju strukture takvih molekula, njihovu integraciju u stanične membrane i proučavanje uloge pojedinih peptidnih regija u obavljanju funkcija kanala. Ispostavilo se da proteinske molekule koje tvore kanale svih ionskih kanala imaju neke zajedničke strukturne značajke i obično predstavljeni su velikim transmembranskim proteinima s molekularnom masom iznad 250 kDa.

Sastoje se od nekoliko podjedinica. Obično najvažnije svojstva kanala njihov a-podjedinica. Ova podjedinica sudjeluje u formiranju ion-selektivne šupljine, senzorskog mehanizma transmembranske razlike potencijala - vrata kanala, te ima mjesta vezivanja za egzogene i endogene ligande. Ostale podjedinice uključene u strukturu ionskih kanala igraju pomoćnu ulogu, modulirajući svojstva kanala (slika 2).

Proteinska molekula koja stvara kanale predstavljena je ekstramembranskim petljama aminokiselina i intramembranskim spiralnim područjima domene koje tvore podjedinice ionskih kanala. Molekula proteina savija se u ravnini membrane tako da se sam ionski kanal formira između domena koje su u međusobnom kontaktu (vidi sliku 2, dolje desno).

Proteinska molekula koja stvara kanale nalazi se u citoplazmatskoj membrani tako da njezina trodimenzionalna prostorna struktura tvori ušća kanala okrenuta prema vanjskoj i unutarnjoj strani membrane, pore ispunjene vodom i "vrata". Potonji su formirani dijelom peptidnog lanca koji može lako promijeniti svoju konformaciju i odrediti otvoreno ili zatvoreno stanje kanala. Selektivnost i propusnost ionskog kanala ovise o veličini pore i njezinom naboju. Propusnost kanala za određeni ion također je određena njegovom veličinom, nabojem i hidratacijskom ljuskom.

Riža. 2. Struktura Na+ -ionskog kanala stanične membrane: a - dvodimenzionalna struktura α-jedinice ionskog kanala stanične membrane; b - lijevo - natrijev kanal, koji se sastoji od a-podjedinice i dvije P-podjedinice (bočni pogled); desno je natrijev kanal odozgo. U brojevima I. II. III. IV označene domene a-podjedinice

Vrste ionskih kanala

Opisano je više od 100 vrsta ionskih kanala, a za njihovu klasifikaciju koriste se različiti pristupi. Jedan od njih temelji se na uzimanju u obzir razlika u strukturi kanala i mehanizama funkcioniranja. U ovom slučaju ionski kanali mogu se podijeliti u nekoliko tipova:

• pasivni ionski kanali ili kanali za mirovanje;
• kontaktni kanali utora;
• kanale čije je stanje (otvoreno ili zatvoreno) kontrolirano utjecajem mehaničkih čimbenika na njihov mehanizam vrata (mehanoosjetljivi kanali), potencijalnih razlika na membrani (naponski ovisni kanali) ili liganda koji se vežu na protein koji stvara kanale na vanjska ili unutarnja strana membrane (ligand-gated channels).

Pasivni kanali

Posebnost ovih kanala je da mogu biti otvoreni (aktivni) u stanicama u mirovanju, tj. u nedostatku bilo kakvog utjecaja. To unaprijed određuje njihov drugi naziv - pasivni kanali. Nisu strogo selektivni, a kroz njih stanična membrana može “propustiti” nekoliko iona, primjerice K+ i CI+ K+ i Na+. Stoga se ovi kanali ponekad nazivaju kanalima curenja. Zbog navedenih svojstava, kanali mirovanja imaju važnu ulogu u nastanku i održavanju membranskog potencijala mirovanja na citoplazmatskoj membrani stanice, o čijim se mehanizmima i značaju govori u nastavku. Pasivni kanali prisutni su u citoplazmatskim membranama živčanih vlakana i njihovih završetaka, poprečno-prugastih stanica, glatkih mišića, miokarda i drugih tkiva.

Mehanoosjetljivi kanali

Stanje propusnosti ovih kanala mijenja se pod mehaničkim utjecajima na membranu, uzrokujući poremećaj strukturnog pakiranja molekula u membrani i njezino rastezanje. Ovi kanali su široko zastupljeni u mehanoreceptorima krvnih žila, unutarnjih organa, kože, poprečno-prugastih mišića i glatkih miocita.

Kanali ovisni o naponu

Stanje ovih kanala kontrolirano je silama električnog polja stvorenog veličinom potencijalne razlike na membrani. Naponski kontrolirani kanali mogu biti u neaktivnom (zatvorenom), aktivnom (otvorenom) i inaktiviranom stanju, što se kontrolira položajem aktivacijskih i inaktivacijskih vrata, ovisno o razlici potencijala kroz membranu.

U stanici koja miruje, naponski kanal je obično u zatvorenom stanju, iz kojeg se može otvoriti ili aktivirati. Vjerojatnost njenog samostalnog otvaranja je mala, au mirovanju je otvoren samo mali broj ovih kanala u membrani. Smanjenje transmembranske razlike potencijala (depolarizacija membrane) uzrokuje aktivaciju kanala, povećavajući vjerojatnost njegova otvaranja. Pretpostavlja se da funkciju aktivacijskih vrata obavlja električki nabijena aminokiselinska skupina koja zatvara ulaz u ušće kanala. Ove aminokiseline su senzor razlike potencijala na membrani; kada se postigne određena (kritična) razina depolarizacije membrane, nabijeni dio molekule senzora pomiče se prema lipidnom mikrookruženju molekule koja tvori kanal i vrata otvaraju ulaz u ušće kanala (slika 3).

Kanal postaje otvoren (aktivan) za kretanje iona kroz njega. Brzina otvaranja aktivacijskih vrata može biti mala ili vrlo velika. Prema ovom pokazatelju naponski ionski kanali se dijele na brze (npr. brzi naponski natrijevi kanali) i spore (npr. spori naponski uvjetovani kalcijevi kanali). Brzi kanali otvaraju se trenutno (μs) i ostaju otvoreni prosječno 1 ms. Njihovo aktiviranje prati brzo lavinsko povećanje propusnosti kanala za određene ione.

Drugi dio peptidnog lanca, a to je sekvenca aminokiselina u obliku guste kuglice (loptice) na niti, smještena na izlazu iz drugog ušća kanala, ima sposobnost mijenjanja svoje konformacije. Kada se predznak naboja na membrani promijeni, kuglica zatvara izlaz iz usta, a kanal postaje neprobojan (inaktiviran) za ion. Inaktivacija naponskih ionskih kanala može se postići drugim mehanizmima. Inaktivacija je popraćena prestankom kretanja iona kroz kanal i može se dogoditi jednako brzo kao i aktivacija, ili polako - tijekom razdoblja od nekoliko sekundi ili čak minuta.

Riža. 3. Mehanizam usmjeravanja naponskih natrijevih (gornji) i kalijevih (donji) kanala

Da bi se vratila izvorna svojstva ionskih kanala nakon njihove inaktivacije, potrebno je vratiti izvornu prostornu konformaciju proteina koji stvara kanale i položaj vrata. To se postiže vraćanjem membranske potencijalne razlike (repolarizacija) na razinu karakterističnu za stanje mirovanja stanice ili neko vrijeme nakon inaktivacije uz snažan učinak na membranu. Prijelaz iz stanja inaktivacije u prvobitno (zatvoreno) stanje naziva se reaktivacija kanala. Nakon ponovnog aktiviranja, ionski kanal se vraća u stanje spremnosti za ponovno otvaranje. Ponovno aktiviranje naponski upravljanih membranskih kanala također može biti brzo ili sporo.

Naponski ionski kanali obično su vrlo selektivni i igraju ključnu ulogu u nastanku ekscitacije (stvaranje akcijskih potencijala), prijenosu informacija duž živčanih vlakana u obliku električnih signala te inicijaciji i regulaciji mišićne kontrakcije. Ovi kanali su široko zastupljeni u membranama aferentnih i eferentnih živčanih vlakana, u membranama prugastih i glatkih miocita.

Potencijalno ovisni ionski kanali ugrađeni su u membranu živčanih završetaka osjetnih živaca (dendrita) koji inerviraju zubnu pulpu i oralnu sluznicu, pri čemu njihovo otvaranje osigurava pretvorbu receptorskog potencijala u živčani impuls i njegov daljnji prijenos aferentnim živcem. vlakno. Uz pomoć ovih impulsa informacije o svim vrstama osjetilnih senzacija koje čovjek doživljava u usnoj šupljini (okus, temperatura, mehanički pritisak, bol) prenose se u središnji živčani sustav. Takvi kanali osiguravaju pojavu živčanih impulsa na membrani aksonskog brežuljka neurona i njihov prijenos duž eferentnih živčanih vlakana, pretvaranje postsinaptičkih potencijala u akcijske potencijale postsinaptičkih efektorskih stanica. Primjer takvih procesa je generiranje živčanih impulsa u motoričkim neuronima jezgre trigeminalnog živca, koji se zatim svojim eferentnim vlaknima prenose do žvačnih mišića i omogućuju pokretanje i regulaciju žvačnih pokreta donje čeljusti.

Proučavajući suptilne mehanizme funkcioniranja naponskih ionskih kanala, otkriveno je da postoje tvari koje mogu blokirati rad tih kanala. Jedna od prvih koja je opisana bila je tvar tetrodotoksin, snažan otrov koji se proizvodi u tijelu riba napuhača. Pod njegovim utjecajem u eksperimentu je uočena blokada naponskih natrijevih kanala, a unošenjem u tijelo životinja zabilježen je gubitak osjetljivosti, opuštanje mišića, nepokretnost, zastoj disanja i smrt. Takve se tvari nazivaju blokatorima ionskih kanala. Među njima lidokain, novokain, prokain - tvari, kada se u organizam unesu u malim dozama, razvija se blokada naponski ovisnih natrijevih kanala živčanih vlakana i blokira se prijenos signala od receptora boli do središnjeg živčanog sustava. Ove tvari naširoko se koriste u medicinskoj praksi kao lokalni anestetici.

Kretanje iona kroz ionske kanale nije samo osnova za preraspodjelu naboja na membranama i stvaranje električnih potencijala, već također može utjecati na tijek mnogih unutarstaničnih procesa. Ovaj učinak na ekspresiju gena koji kontroliraju sintezu proteina koji stvaraju kanale nije ograničen samo na stanice ekscitabilnih tkiva, već se javlja u svim stanicama tijela. Identificirana je velika skupina bolesti, čiji je uzrok kršenje strukture i funkcije ionskih kanala. Takve bolesti se klasificiraju kao "kanalopatije". Očito je poznavanje strukture i funkcija ionskih kanala neophodno za razumijevanje prirode "kanalopatija" i traženje njihove specifične terapije.

Ionski kanali upravljani ligandom

Obično ih tvore proteinske makromolekule koje mogu istodobno služiti kao ionski kanali i receptorske funkcije za određene ligande. Budući da ista makromolekula može istovremeno obavljati ove dvije funkcije, dodijeljena su im različita imena - na primjer, sinaptički receptor ili ligand-gated kanal.

Za razliku od ionskog kanala ovisnog o naponu, koji se otvara kada se konformacija aktivacijskih vrata promijeni u uvjetima smanjenja transmembranske razlike potencijala, ionski kanali ovisni o ligandu otvaraju se (aktiviraju) nakon interakcije peptidnog (receptorskog) lanca proteina molekula s ligandom, tvar za koju receptor ima veliki afinitet (slika 4).

Riža. 4. Ionski kanal ovisan o ligandu (nikotin-osjetljivi acetilkolinski receptor - n-ChR): a neaktivan; 6 - aktivirano

Ligandom upravljani ionski kanali obično su lokalizirani u postsinaptičkim membranama živčanih stanica i njihovih procesa, kao i mišićnih vlakana. Tipični primjeri ionskih kanala upravljanih ligandom su postsinaptički membranski kanali aktivirani acetilkolinom (vidi sliku 4), glutamatom, aspartatom, gama-aminomaslačnom kiselinom, glicinom i drugim sinaptičkim neurotransmiterima. Tipično, naziv kanala (receptora) odražava vrstu neurotransmitera koji je njegov ligand u prirodnim uvjetima. Dakle, ako su to kanali neuromuskularne sinapse u kojima se koristi neurotransmiter acetilkolin, onda se koristi izraz “acetilkolinski receptor”, a ako je osjetljiv i na nikotin, onda se naziva nikotin-senzitivan ili jednostavno n-acetilkolin receptor (n- kolinergički receptor).

Obično se postsinaptički receptori (kanali) selektivno vežu samo za jednu vrstu neurotransmitera. Ovisno o vrsti i svojstvima receptora i neurotransmitera u interakciji, kanali selektivno mijenjaju svoju propusnost za mineralne ione, ali nisu strogo selektivni kanali. Na primjer, kanali povezani s ligandom mogu promijeniti propusnost za Na+ i K+ katione ili za K+ i CI+ anione. Ova selektivnost vezanja liganda i promjena ionske propusnosti genetski je fiksirana u prostornoj strukturi makromolekule.

Ako je interakcija medijatora i receptorskog dijela makromolekule koja tvori ionski kanal izravno popraćena promjenom propusnosti kanala, tada unutar nekoliko milisekundi to dovodi do promjene propusnosti postsinaptičke membrane za minerale. iona i vrijednosti postsinaptičkog potencijala. Takvi kanali nazivaju se brzi i lokalizirani su, na primjer, u postsinaptičkoj membrani akso-dendritičkih ekscitatornih sinapsi i aksosomatskih inhibitornih sinapsi.

Postoje spori ionski kanali upravljani ligandom. Za razliku od brzih kanala, njihovo otvaranje nije posredovano izravnom interakcijom neurotransmitera s makromolekulom receptora, već lancem događaja koji uključuje aktivaciju G proteina, njegovu interakciju s GTP-om, povećanje razine sekundarnih glasnika u unutarstaničnom prijenosu signala neurotransmitera, koji fosforilacijom ionskog kanala dovode do promjene njegove propusnosti za mineralne ione i odgovarajuće promjene vrijednosti postsinaptičkog potencijala. Cijeli opisani lanac događaja odvija se u stotinama milisekundi. Na takve spore ionske kanale ovisne o ligandu susrest ćemo se pri proučavanju mehanizama regulacije srca i glatkih mišića.

Posebna vrsta su kanali lokalizirani u membranama endoplazmatskog retikuluma glatkih mišićnih stanica. Njihov ligand je drugi glasnik intracelularne transdukcije signala, inozitol trifosfat-IFZ.

Opisani su ionski kanali koji su karakterizirani određenim strukturnim i funkcionalnim svojstvima svojstvenim i naponskim i ligandnim ionskim kanalima. Oni su ionski kanali neosjetljivi na napon, čije stanje mehanizma vrata kontroliraju ciklički nukleotidi (cAMP i cGMP). U tom se slučaju ciklički nukleotidi vežu na unutarstanični COOH terminal proteinske molekule koja stvara kanale i aktiviraju kanal.

Ove kanale karakterizira manja selektivnost propusnosti za katione i sposobnost potonjih da međusobno utječu na propusnost. Dakle, Ca 2+ ioni, ulazeći kroz aktivirane kanale iz izvanstanične okoline, blokiraju propusnost kanala za Na 2+ ione. Jedan primjer takvih kanala su štapićasti ionski kanali retine, čija je propusnost za ione Ca 2+ i Na 2+ određena razinom cGMP.

Ionski kanali upravljani ligandima široko su zastupljeni u membranskim strukturama koje osiguravaju sinaptički prijenos signala iz brojnih senzornih receptora u središnjem živčanom sustavu; prijenos signala u sinapsama živčanog sustava; prijenos signala živčanog sustava do efektorskih stanica.

Već je spomenuto da se izravni prijenos naredbi iz živčanog sustava u mnoge efektorske organe provodi uz pomoć neurotransmitera koji aktiviraju ionske kanale povezane s ligandom u postsinaptičkim membranama. No, njihovi ligandi (agonisti ili antagonisti) mogu biti i tvari egzogene prirode, koje se u nekim slučajevima koriste kao ljekovite tvari.

Na primjer, nakon unošenja u organizam tvari diplacin, koja je po strukturi slična neurotransmiteru apetilkolinu, doći će do produljenog otvaranja ionskih kanala ovisnih o ligandu u neuromuskularnim sinapsama, koji prestaju prenositi živčane impulse od živčanih vlakana do mišića. . Dolazi do opuštanja skeletnih mišića tijela, što može biti potrebno tijekom složenih kirurških operacija. Diplacin i druge tvari koje mogu promijeniti stanje ionskih kanala upravljanih ligandom i blokirati prijenos signala u neuromuskularnim sinapsama nazivaju se relaksanti mišića.

Riža. 5. Spojni kanali između dvije stanice koje se tijesno dodiruju

U medicinskoj praksi koriste se mnoge druge ljekovite tvari koje utječu na stanje ionskih kanala ovisnih o ligandu stanica različitih tkiva.

Kanali spoja (tijesnog) spoja stanica

Kanali spoja praznina formiraju se u području kontakta između dvije susjedne stanice koje su vrlo blizu jedna drugoj. U membrani svake stanice koja dolazi u kontakt, šest proteinskih podjedinica, nazvanih koneksini, formira heksagonalnu strukturu, u čijem se središtu formira pora ili ionski kanal - konekson (slika 5).

Na mjestu kontakta u membrani susjedne stanice nastaje zrcalna struktura, a ionski kanal između njih postaje zajednički. Kroz takve ionske kanale različiti mineralni ioni, uključujući Ca 2+ ione, kao i organske tvari niske molekularne težine, mogu se kretati od stanice do stanice. Kanali praznih spojeva stanica osiguravaju prijenos informacija između stanica miokarda, glatkih mišića, mrežnice i živčanog sustava.

Natrijevi kanali

O naponu ovisni, o naponu neovisni (ovisni o ligandu, mehanoosjetljivi, pasivni itd.) natrijevi kanali široko su zastupljeni u stanicama tijela.

Naponski kontrolirani natrijevi kanali

Sastoje se od jedne α-podjedinice, koja tvori kanal, i dvije β-podjedinice, koje moduliraju propusnost iona i kinetiku inaktivacije natrijevih kanala (slika 6).

Riža. 6. Dvodimenzionalna struktura α-podjedinice naponski upravljanog natrijevog kanala. Opis u tekstu

Kao što se može vidjeti sa Sl. 6, a-podjedinica je predstavljena s četiri domene istog tipa, koje se sastoje od šest spiralnih transmembranskih segmenata povezanih petljama aminokiselina. Petlje koje povezuju 5. i 6. segment okružuju pore kanala, a 4. segment sadrži pozitivno nabijene aminokiseline koje su senzori razlike potencijala na membrani i kontroliraju položaj mehanizma vrata tijekom pomaka transmembranskog potencijala.

U naponskim natrijevim kanalima postoje dva mehanizma vrata, jedan od njih - aktivacija (uz sudjelovanje 4. segmenta) osigurava otvaranje (aktivaciju) kanala nakon depolarizacije membrane, a drugi (uz sudjelovanje unutarstanične petlje) između 3. i 4. domene) - njegova inaktivacija pri punjenju membrane. Budući da oba ova mehanizma brzo mijenjaju položaj vrata kanala, naponski natrijevi kanali su brzi ionski kanali i kritični su za stvaranje akcijskih potencijala u ekscitabilnim tkivima i za njihovo provođenje kroz membrane živčanih i mišićnih vlakana.

Ovi kanali su lokalizirani u citoplazmatskim membranama aksonskog brežuljka neurona, u dendritima i aksonima, u membrani perisinaptičke regije neuromuskularne sinapse, u sarkolemi vlakana poprečno-prugastih mišića i kontraktilnog miokarda. Gustoća distribucije natrijevih kanala u tim je strukturama različita. U mijeliniziranim živčanim vlaknima koncentrirani su uglavnom u području Ranvierovih čvorova, gdje njihova gustoća doseže oko 10 000 kanala po kvadratnom mikronu površine, au nemijeliniziranim vlaknima kanali su ravnomjernije raspoređeni s gustoćom od oko 20 kanala po kvadratu mikrona površine. Ovi kanali su praktički odsutni u strukturi membrana tijela živčanih stanica, u membrani živčanih završetaka koji izravno tvore senzorne receptore iu postsinaptičkim membranama efektorskih stanica.

Među naponskim natrijevim kanalima već se razlikuje više od devet podvrsta, koje se razlikuju po svojstvima α-podjedinica, imaju specifičnu tkivnu pripadnost i razlikuju se u različitoj osjetljivosti na djelovanje blokatora. Na primjer, podtip kanala formiran proteinom koji stvara kanale, čiju sintezu kontrolira gen SCN4A, prisutan je u sarkolemi potpuno diferenciranih i inerviranih skeletnih mišića, a njegovi blokatori su tetrodotoksin, saksitoksin i c-konotoksini. U većini slučajeva α-podjedinice su osjetljive na djelovanje tetrodotoksina koji u mikromolarnim koncentracijama blokira pore, a time i ulaz u natrijeve kanale.

Poznato je da toksini natrijevih kanala usporavaju stopu njihove inaktivacije. Na primjer, toksin morske anemone (ATX) i a-toksin škorpiona (ScTX) uzrokuju odgodu inaktivacije vezanjem na aminokiselinske ostatke S3-S4 petlje segmenta 4.

Supstance tzv anestetici (novokain, dikain, lidokain, sovkain, prokain). i tako dalje.). Anestezija kada blokiraju natrijeve kanale postiže se eliminacijom mogućnosti generiranja živčanih impulsa u aferentnim živčanim vlaknima i time blokiranjem prijenosa signala od osjetnih receptora boli do središnjeg živčanog sustava.

Otkriveno je da promjene u strukturi natrijevih kanala mogu dovesti do razvoja niza bolesti. Na primjer, promjena u strukturi kanala kontroliranog genom SCNlb dovodi do razvoja generaliziranih oblika epilepsije i napadaja s povišenom tjelesnom temperaturom (febrilni napadaji).

Mnogi mikroorganizmi stvaraju toksine u ljudskom tijelu — tvari koje blokiraju ionske kanale u zahvaćenim stanicama, što može biti popraćeno neravnotežom u ionskoj ravnoteži i smrću stanice. Drugi mikroorganizmi, naprotiv, koriste svoje toksine (perforine) za stvaranje ionskih kanala u staničnoj membrani. Konkretno, toksin bacila antraksa, koji uzrokuje posebno opasnu infekciju kod ljudi, napada stanicu i stvara nove pore (kanale) u njezinoj membrani kroz koje drugi otrovi prodiru u stanicu. Djelovanje ovih otrova uzrokuje odumiranje napadnutih stanica i visoku smrtnost kod ove bolesti. Znanstvenici su sintetizirali tvar β-ciklodekstrin, koja je po prostornoj strukturi bliska obliku dobivenog kanala. Ova tvar blokira kanale koje stvara toksin mikroorganizma, sprječava ulazak toksina u stanice i spašava pokusne životinje zaražene antraksom od smrti.

Natrijevi kanali neovisni o naponu

Ligandom upravljani natrijevi kanali. Njihova opća struktura i svojstva raspravljeni su gore u opisu ionskih kanala upravljanih ligandom. Ova vrsta natrijevih kanala široko je zastupljena u tijelu natrijevim kanalima kolinergičkog receptora osjetljivog na nikotin postsinaptičke membrane neuromuskularne sinapse, interneuronskih sinapsi središnjeg živčanog sustava i autonomnog živčanog sustava (preganglijski i ganglijski neuroni). Ligandom upravljani natrijevi kanali lokalizirani su u postsinaptičkim membranama drugih ekscitatornih (glutamatnih i aspartatergičkih) sinapsi središnjeg živčanog sustava. Oni igraju ključnu ulogu u stvaranju ekscitatornog postsinaptičkog potencijala u sinapsama i prijenosu signala između neurona i između neurona i efektorskih stanica.

Natrijevi kanali postsinaptičke membrane povezani s ligandom nisu strogo selektivni i mogu biti propusni istovremeno za nekoliko iona: natrij i kalij, natrij i kalcij.

Natrijevi kanali neovisni o naponu kojima upravljaju sekundarni glasnici. Stanje ovih natrijevih kanala može kontrolirati cGMP (fotoreceptori), cAMP (olfaktorni receptori) i podjedinice G proteina (miokard).

Mehanoosjetljivi natrijevi kanali. Prisutan u mehanoreceptorima stijenki krvnih žila, srca, šupljih unutarnjih organa, proprioceptora poprečno-prugastih mišića i membrane glatkih miocita. Njihovim sudjelovanjem u osjetnim receptorima energija mehaničkog djelovanja pretvara se u oscilaciju razlike potencijala - receptorski potencijal.

Pasivna natrijeva užad. Sadržano u citoplazmatskim membranama ekscitabilnih stanica. Propusnost ovih kanala za ione Na+ je mala, ali kroz njih ioni Na difundiraju uz koncentracijski gradijent iz izvanstaničnih prostora u stanice i donekle depolariziraju membranu. Natrijevi kanali citoplazmatske membrane glatkih miocita su propusniji. One je depolariziraju u većoj mjeri (potencijal mirovanja oko 50 mV) nego membranu miocita poprečno-prugastih mišića (potencijal mirovanja oko 90 mV). Dakle, pasivni natrijevi kanali sudjeluju u formiranju membranskog potencijala mirovanja.

Izmjenjivači natrija. Natrij-kalcij izmjenjivač ili natrij-kalcij izmjenjivač je prethodno opisan i ima važnu ulogu u uklanjanju kalcijevih iona iz kontraktilnih kardiomiocita.

Natrijev protonski izmjenjivač. To je posebna vrsta proteina koji stvara kanale i uklanja vodikove protone iz unutarstaničnih prostora u zamjenu za natrijeve ione koji ulaze u stanicu. Uklanjanje protona se aktivira kada se pH u stanici smanji.

Sintezu proteina koji tvore kanale za izmjenu natrija kontrolira pet gena, označenih NAH1 -NAH5.

Kalijevi kanali

Postoje naponski kontrolirani i naponski neosjetljivi kalijevi kanali. Među potonjima razlikuju se pasivni, ovisni o ligandu i druge vrste kalijevih kanala. U pravilu se kalijevi kanali nalaze u membranama istih stanica i tkiva koja sadrže natrijeve kanale. Jedan od razloga ovakvog paralelizma u rasporedu ovih ionskih kanala je taj što su ioni Na+ i K+ najvažniji kationi čija priroda raspodjele i kretanja određuje nastanak i promjenu električnih potencijala kao jednog od najvažnijih oblika prijenos informacijskog signala u tijelu.

Postoji cijela superobitelj kanala kalijevih iona, koji su prema strukturnim značajkama, lokalizaciji i svojstvima kanala podijeljeni u zasebne obitelji, tipove i podtipove. Opisano je više od tri desetine kalijevih kanala, a nije moguće dati njihove detaljne karakteristike. Stoga će se kao primjeri dati opisi onih obitelji i tipova ionskih kanala koji su prvenstveno povezani sa signalnim putovima i mehanizmima kontrole živčanih i mišićnih procesa.

Pasivni kalijevi kanali

Poznato je da su membrane ekscitabilnih stanica u stanju mirovanja relativno propusne za ione K, a slabo propusne za ione Na+. Budući da su nositelji transmembranskih električnih struja ioni, mjerenjem električne struje koja teče kroz staničnu membranu može se suditi o stanju ionskih kanala. Pokazalo se da je transmembranska električna struja, uzrokovana difuzijom iona K duž koncentracijskog gradijenta iz stanice, oko dva pikoampera i ima pulsirajući karakter, a prosječno trajanje pulsiranja je nekoliko milisekundi. Iz ovog opažanja zaključeno je da se kalijevi kanali u stanici u mirovanju mogu spontano otvarati i zatvarati, osiguravajući uvjete za difuziju iona K kroz njih iz stanice i stvaranje potencijala mirovanja na membrani.

Naponski kontrolirani kalijevi kanali

Postojanje naponskih kalijevih kanala u staničnim membranama ekscitabilnih tkiva postalo je poznato nakon što je utvrđeno da se njihova kinetika aktivacije razlikuje od naponskih natrijevih kanala i, štoviše, selektivno ih blokiraju drugi blokatori. Kalijevi kanali se aktiviraju na isti način kao i natrijevi kanali, kada je stanična membrana depolarizirana do kritične razine, ali se istovremeno brzina izlaska iona K+ iz stanice povećava mnogo sporije od brzine ulaska Na+ iona u stanicu.

Selektivni filtar kalijevog kanala nalazi se na unutarnjoj strani otvora pore, za razliku od vanjskog položaja sličnog filtra u natrijevim kanalima (slika 7). Postojanje selektivnosti ovih kanala u odnosu na katione Na+ i K+ te različite specifične blokatore - tetrodotoksin (za natrij) i tetraetilamonij (za kalij) ukazuje na različitu strukturu ovih kanala.

Naponski kontrolirani kalijevi kanali su tetrameri i sastoje se od četiri podjedinice koje tvore poru u središtu.

Naponski kontrolirani kalijevi kanali lokalizirani su u membranama ekscitabilnih i neekscitabilnih stanica. Oni igraju važnu ulogu u brzini oporavka (repolarizacije) membranskog potencijala nakon njegove depolarizacije, a time iu kontroli oblika i učestalosti stvaranja akcijskih potencijala. Spore kalijeve kanale blokiraju traetilamonij, 4-aminopiridin, fenciklidin i 9-aminoakridin.

Riža. 7. Kalijev kanal: a - lijevo - dvodimenzionalna struktura a-podjedinice; desno - dijagram kanala; b — difrakcijski dijagram elektrona kalijevih kanala u citoplazmatskoj membrani.

Osim sporih kalijevih kanala, opisani su i brzi naponski uvjetovani kalijevi kanali, čija je kinetika otvaranja slična onoj brzih naponski uvjetovanih natrijevih kanala. Ti se kalijevi kanali brzo otvaraju nakon depolarizacije, zatim se potpuno inaktiviraju, a njihova reaktivacija zahtijeva ne samo repolarizaciju membrane, već i hiperpolarizaciju na neko vrijeme.

U skladu s nazivima gena koji kodiraju sintezu i sklapanje molekula koje tvore kanale, razlikuje se šest tipova KCN s podtipovima KCN A, B, C, E i jedna obitelj KCNQ ionskih kanala. Kanali potonje obitelji izraženi su u miokardu.

Ligandom upravljani kalijevi kanali

Predstavljeni su velikim brojem kanala osjetljivih na djelovanje različitih liganada.

Jedna vrsta brojnih kalijevih kanala upravljanih ligandom je kanal povezan s receptorom acetilkolina osjetljiv na muskarin. Ove kanale aktivira acetilkolin. Kanale mogu blokirati ioni bradikinina i barija. Postoje dvije podvrste ovih kanala: oni koje inaktivira muskarin i oni koje on aktivira. Potonji je lokaliziran u stanicama srčanog stimulatora srca.

Svojstva kalijevog kanala ovisnog o ligandu imaju neselektivni kationski kanali neovisni o naponu koji kombiniraju karakteristike kanala i acetilkolinskih receptora osjetljivih na nikotin postsinaptičke membrane neuromuskularne sinapse. U interakciji proteina koji stvara kanal s acetilkolinom, otvara se ovaj neselektivni kanal, kroz koji ioni Na+ ulaze u mišićnu stanicu, a ioni K izlaze iz nje. Različite brzine kretanja ovih iona osiguravaju pojavu depolarizacije postsinaptičke membrane, koja se ne razvija u akcijski potencijal izravno na ovoj membrani.

Identificirani su kalijevi kanali osjetljivi na ATP, koji su inhibirani i aktivirani djelovanjem ATP-a.

Zasebnu familiju kalijevih kanala čine tzv. ulazni ispravljački kalijevi kanali (vrata) ili ulazni ispravljači (unutraispravljajući; unutraispravljač). Nema senzora napona u mehanizmu vrata za ispravljanje kalijevog kanala. Funkcionalni značaj ovih kanala leži u njihovom utjecaju na ekscitabilnost stanica pacemakera, mišićnih stanica i neurona.

Obitelj ispravljajućih ulaznih kalijevih kanala, prema nazivima gena koji ih kodiraju, podijeljena je u više od 15 vrsta. Primjer specifičnog značaja ispravljanja ulaznih kalijevih kanala, a posebno KCNJ kanala 3, 5, 6 i 9 (druga oznaka Kir kanala) može biti njihova specifična uloga u regulaciji otkucaja srca kroz povezanost ovih kanala s G proteini i muskarin osjetljivi acetilkolinski receptori stanica – srčani pacemakeri.

Poznati su na napon neosjetljivi kalijevi kanali aktivirani natrijem.

Opisani su posebni naponski neosjetljivi kalijevi kanali, osjetljivi na promjene pH, koji se nalaze u β-stanicama otočića gušterače i u njima djeluju kao glukozni senzor. Također je poznato da su kalijevi kanali osjetljivi na promjene volumena stanica.

Kalcijevi kanali

Obitelj kalcijevih kanala široko je zastupljena u stanicama živčanog i mišićnog tkiva. Glavna mjesta njihove lokalizacije su membrane presinaptičkih terminala sarkoplazmatskog i endoplazmatskog retikuluma mišića, sarkolema kardiomiocita i membrane stanica drugih tkiva.

Na temelju metoda kontrole propusnosti kalcijeve kanale dijelimo na naponske, pasivne, o ligandu, mehanosenzitivne itd.

Kalcijevi kanali se prema brzini inaktivacije dijele na T-tip kanale ( prolazna- prolazno), L-tip (sporo). Ovisno o pripadnosti tkiva i osjetljivosti na toksine, razlikuju se kanali tipa B. (mozak- mozak), N-tip (neuronski- neuronski), P-tip (purkinjećelija- Purkinjeova stanica) i R-tip (otporan na toksine).

Kalcijevi kanali kontrolirani naponom

Tvori ih oligomerni protein, koji se obično sastoji od pet podjedinica a1, a2, β, y i δ. Sam ionski kanal formira α-podjedinica, koja ima visok stupanj sličnosti u sastavu i strukturi aminokiselina sa sličnom podjedinicom naponskih natrijevih i kalijevih kanala (vidi sliku 6, sliku 7).

Naponski kontrolirani kalcijev kanal selektivno je propustan za ione Ca 2+. Selektivnost je osigurana prisutnošću pora koje tvore selektivni filter.

Vrijeme je formiran od segmenata a 1 podjedinice, stoga, s obzirom na sličnost njegove strukture s monovalentnim kationskim kanalima, moglo bi se očekivati ​​da bi kalcijev kanal trebao biti propustan za Na+ i K+ ione. Ovo se svojstvo zapravo događa kada se kalcij ukloni iz izvanstaničnog okoliša.

U prirodnim uvjetima, selektivnost prema kalciju u kanalu je osigurana prisutnošću dvaju veznih mjesta za kalcij u pori kanala. Jedan od njih tvori skupina glutamatnih ostataka, a pri niskoj koncentraciji kalcija postaje snažno vezan za ovo mjesto pore kanala i kanal za kalcij postaje slabo propustan. Kako se koncentracija kalcija povećava, povećava se vjerojatnost da će kalcij zauzeti drugo vezno mjesto; nastale elektrostatske sile odbijanja između iona Ca 2+ uvelike smanjuju vrijeme zadržavanja iona na veznim mjestima. Oslobođeni kalcij difundira kroz aktivirani kanal u stanicu duž elektrokemijskog gradijenta.

Naponski kontrolirani kalcijevi kanali razlikuju se u vrijednostima praga pomaka razlike potencijala pri kojima se aktiviraju. Kanali T-tipa se aktiviraju malim pomacima napona na membrani, L- i P-tipove karakteriziraju visoki pragovi pomaka napona koji uzrokuju njihovu aktivaciju.

Naponski kontrolirani kalcijevi kanali igraju važnu ulogu u nizu vitalnih procesa u tijelu. Njihova aktivacija i ulazak kalcija u presinaptički terminal nužni su za prijenos sinaptičkog signala.

Ulazak kalcija kroz kalcijeve kanale u stanicu pacemakera nužan je za stvaranje akcijskih potencijala u stanicama pacemakera srca i osiguranje njegove ritmičke kontrakcije. Kalcijevi kanali ovisni o naponu reguliraju protok kalcija u sarkoplazmu miokardnih vlakana, skeletnih mišića, glatkih miocita krvnih žila i unutarnjih organa, kontrolirajući početak, brzinu, snagu, trajanje njihove kontrakcije, a time i kretanje, pumpnu funkciju srca, krvnog tlaka, disanja i mnogih drugih procesa u tijelu.

Pasivni kalcijevi kanali

Nalazi se u citoplazmatskim membranama glatkih miocita. U mirovanju su propusni za kalcij, a kalcij, zajedno s K+ i Na+ ionima, sudjeluje u stvaranju transmembranske potencijalne razlike ili potencijala mirovanja glatkih miocita. Kalcij koji ulazi u glatki miocit kroz te kanale izvor je nadopunjavanja njegovih rezervi u endoplazmatskom retikulumu i koristi se kao sekundarni glasnik u prijenosu unutarstaničnih signala.

Kalcij u mirovanju može se kretati od stanice do stanice kroz spojne kanale. Ovi kanali nisu selektivni za kalcij i kroz njih se istovremeno može odvijati međustanična izmjena drugih iona i organskih tvari male molekulske mase. Kalcij koji ulazi u stanice kroz spojne kanale ima važnu ulogu u nastanku ekscitacije, inicijaciji i sinkronizaciji kontrakcija miokarda, maternice, sfinktera unutarnjih organa i održavanju vaskularnog tonusa.

Ligandom upravljani kalcijevi kanali

Proučavajući mehanizme pokretanja i regulacije kontrakcija miokarda i glatkih mišića, pokazalo se da oni ovise o opskrbi miocita kalcijem iz izvanstaničnog okoliša i iz njegovih intracelularnih zaliha. U ovom slučaju, ulazak kalcija u sarkoplazmu može se kontrolirati promjenom potencijalne razlike na sarkolemi i aktivacijom kalcijevih kanala ovisnih o naponu i (ili) djelovanjem niza signalnih molekula na membranu sarkoplazmatskog retikuluma. .

Ligandom upravljani kalcijevi kanali lokalizirani su u citoplazmatskim membranama glatkih miocita. Ligandi njihovih receptora mogu biti hormoni: vazopresin, oksitocin, adrenalin; neurotransmiter norepinefrin; signalne molekule: angiotenzin 2, endotel 1 i druge tvari. Vezanje liganda za receptor popraćeno je aktivacijom kalcijevog kanala i ulaskom kalcija u stanicu iz izvanstaničnog okoliša.

U kardiomiocitima je za pokretanje mišićne kontrakcije potrebno najprije aktivirati naponski kontrolirane kalcijeve kanale T-tipa, zatim L-tipa, čijim otvaranjem se osigurava ulazak određene količine Ca 2+ iona u stanicu. . Kalcij koji ulazi u stanicu aktivira ryanodine receptor (RYR), protein koji stvara kanale ugrađen u membranu sarkoplazmatskog retikuluma kardiomiocita. Kao rezultat aktivacije kanala, njegova propusnost za kalcij se povećava i potonji difundira u sarkoplazmu duž koncentracijskog gradijenta. Stoga ioni Ca 2+ djeluju kao svojevrsni ligandi koji aktiviraju ryanodine receptore, a time i kalcijeve kanale. Kao rezultat toga, izvanstanični kalcij koji ulazi u stanicu djeluje kao okidač za oslobađanje kalcija iz svog glavnog unutarstaničnog skladišta.

Kalcijevi kanali mogu istovremeno biti osjetljivi na promjene potencijalnih razlika preko citoplazmatske membrane i na djelovanje liganada. Na primjer, naponski kontrolirani kalcijevi kanali tipa L osjetljivi su na dihidropiridin (nifedipin), fenilalkilamine (verapamil) i benzotiazepine (diltiazem). Ovaj tip kanala često se naziva dihidropiridinski receptor. Ovo ime sugerira da je L-kalcijev kanal određen ligandom, iako je u stvarnosti to kanal od napona.

Kanali tipa P rezistentni su na djelovanje konogoksina i lijekova na koje su osjetljivi drugi tipovi kalcijevih kanala.

Funkcionalna svojstva α1 podjedinica naponski upravljanih kalcijevih kanala mogu se modulirati njihovom fosforilacijom, a time se može regulirati i stanje ionske propusnosti kalcijevih kanala, primjerice, u miokardu.

Posebna vrsta ligand-vodenih kalcijevih ionskih kanala su kanali lokalizirani u membranama endoplazmatskog retikuluma glatkih mišićnih stanica, čije je stanje propusnosti kontrolirano unutarstaničnom razinom sekundarnog glasnika, IPG. Koristeći ove kanale kao primjer, susrećemo se sa slučajem gdje izvanstanična signalna molekula-agonist, aktivirajući receptor plazma membrane ciljne glatke mišićne stanice, uključuje inozitol fosfatni put unutarstaničnog prijenosa signala, koji zauzvrat, kroz djelovanje IPE, aktivira sljedeći protein koji stvara kanale u membrani stanične organele. Cijeli ovaj lanac događaja prijenosa signala završava otpuštanjem iona Ca 2+ iz unutarstaničnih zaliha, koji pokreću i kontroliraju molekularni mehanizam kontrakcije glatkih mišićnih stanica.

Mehanoosjetljivi kalcijevi kanali

Lokalizirani su u plazma membrani glatkih miocita stijenki krvnih žila, mioitisa unutarnjih organa, vaskularnog endotela i bronhijalnog epitela. Ovi kanali mogu biti povezani s mehanoreceptorima glikoproteina. Kao odgovor na mehanički stres (na primjer, rastezanje stijenke krvnog tlaka), povećava se propusnost za ione Ca 2+. Mehanoosjetljivi kanali nemaju visoku selektivnost i mijenjaju svoju propusnost istovremeno za više kationa. Ulazak kalcija i natrija u stanicu glatkog mišića uzrokuje depolarizaciju njezine membrane, otvaranje naponskih kalcijevih kanala, povećanje ulaska kalcija i kontrakciju glatkog miocita.

Ovi događaji čine dio mehanizma prilagodbe vaskularnog tonusa i regulacije protoka krvi na promjene vrijednosti krvnog tlaka u žili i brzine protoka krvi (miogena regulacija). Osim toga, mehanosenzitivni kalcijevi kanali uključeni su u provedbu mehanizama opuštanja krvožilnog stresa tijekom dugotrajnih povećanja krvnog tlaka.

Kanali za klor

Kloridni kanali prisutni su u plazma membranama većine stanica. Imaju važnu ulogu u održavanju transmembranske razlike potencijala u stanici u mirovanju i njihovim pomacima kada se promijeni funkcionalna aktivnost stanica. Kloridni kanali uključeni su u regulaciju volumena stanica, transepitelni transport tvari i izlučivanje tekućine od strane sekretornih stanica.

U skladu s mehanizmima aktivacije razlikuju se tri superfamilije klornih kanala: naponski, ligandski i drugi naponski neosjetljivi klorni kanali.

Potencijalni ovisni kanali klora. Lokaliziran u membranama ekscitabilnih i epitelnih stanica. Stanje propusnosti ovih kanala kontrolirano je veličinom transmembranske razlike potencijala.

Potencijalno ovisna propusnost kloridnih kanala varira u različitim tkivima. Tako je u aksonskoj membrani ovisnost propusnosti kloridnih kanala o razlici potencijala beznačajna i ne utječe značajno na promjenu veličine akcijskog potencijala tijekom ekscitacije, au skeletnim mišićima ova ovisnost propusnosti kloridnih kanala je viši.

CLC1 kanal tipičan je predstavnik kloridnih kanala sarkolemalnog mišićnog vlakna skeletnog mišića. Kanal pokazuje propusnost u cijelom rasponu promjena transmembranskog napona u mirovanju, aktivira se nakon depolarizacije, a deaktivira nakon hiperpolarizacije membrane.

Ligandom upravljani kloridni kanali. Pretežno izražen u živčanom tkivu. Stanje propusnosti ovih kloridnih kanala prvenstveno je kontrolirano izvanstaničnim ligandima, ali oni mogu biti osjetljivi na unutarstanične koncentracije kalcija i aktivirani G proteinima i cAMP. Kanali ovog tipa široko su raspoređeni u postsinaptičkim membranama i koriste se za provođenje postsinaptičke inhibicije. Stanje propusnosti kanala kontrolira se aktiviranjem kanala ligandima—inhibicijskim neurotransmiterima (γ-aminomaslačna kiselina i glicin).

Klorni kanali neosjetljivi na napon. Uključuje pasivne kloridne kanale, ATP-osjetljive kanale i regulator transmembranske vodljivosti intersticijske fibroze (cističnafibrozatransmembranskivodljivostregulator- CFTR).

CFTR se očito sastoji od samog klornog kanala i regulacijskog kanala predstavljenog posebnom regulacijskom domenom (P-domena). Regulacija ionske vodljivosti ovih kanala provodi se fosforilacijom regulacijske domene pomoću cAMP-ovisne protein kinaze. Kršenje strukture i funkcije ovog kanala dovodi do razvoja ozbiljne bolesti popraćene disfunkcijom mnogih tkiva - intersticijske fibroze.

Akvaporini

Akvaporini(od lat. aqua- voda, grč porus- kanal, pore) - proteini koji tvore vodene kanale i osiguravaju transmembranski prijenos vode. Akvaporini su integralni tetramerni membranski proteini čiji monomer ima masu od oko 30 kDa. Tako svaki akvaporin tvori četiri vodena kanala (slika 8).

Posebnost ovih kanala je da se molekule vode u njima mogu kretati u izosmotskim uvjetima, tj. kada na njih ne djeluju sile osmotskog gradijenta. Kratica AQP se koristi za označavanje akvaporina. Izolirano je i opisano više tipova akvaporina: AQP1 - u epitelnim membranama proksimalnih bubrežnih tubula, silazni krak Henleove petlje; u membranama endotela i glatkih miocita krvnih žila, u strukturama staklastog tijela; AQP2 - u membranama epitela sabirnih kanalića. Utvrđeno je da je ovaj akvaporin osjetljiv na djelovanje antidiuretskog hormona i na temelju toga može se smatrati vodenim kanalom upravljanim ligandom. Ekspresija gena koji kontrolira sintezu ovog akvaporina regulirana je antidiuretskim hormonom; AQP3 nalazi se u membranama stanica rožnice; AQP4 - u moždanim stanicama.

Riža. 8. Struktura vodenog kanala AQP1: a - peptidni lanci koji tvore kanal; b — sastavljeni kanal: A, B, C, D, E — dijelovi proteinskog lanca

Pokazalo se da AQP1 i AQP4 imaju važnu ulogu u stvaranju i cirkulaciji cerebrospinalne tekućine. Akvaporini se nalaze u epitelu gastrointestinalnog trakta: AQP4 - u želucu i tankom crijevu; AQP5 - u žlijezdama slinovnicama; AQP6 - u tankom crijevu i gušterači; AQP7 - u tankom crijevu; AQP8, AQP9 - u jetri. Neki akvaporini prenose ne samo molekule vode, već i organske tvari topljive u njoj (kisik, glicerol, urea). Dakle, akvaporini imaju važnu ulogu u metabolizmu vode u organizmu, a poremećaj njihove funkcije može biti jedan od razloga nastanka cerebralnog i plućnog edema te razvoja zatajenja bubrega i srca.

Poznavanje mehanizama transporta iona kroz membrane i metoda utjecaja na taj transport nezaobilazan je uvjet ne samo za razumijevanje mehanizama regulacije vitalnih funkcija, već i za pravilan izbor lijekova u liječenju velikog broja bolesti (hipertenzija, , bronhijalna astma, srčane aritmije, poremećaji razmjene vode i soli itd.).

Za razumijevanje mehanizama regulacije fizioloških procesa u tijelu potrebno je poznavati ne samo strukturu i propusnost staničnih membrana za različite tvari, već i strukturu i propusnost složenijih strukturnih tvorevina smještenih između krvi i tkiva raznih vrsta. organa.

Vrh

		1 potpuno se ne slažem	2 se ne slažu	3 ne znam	4 slažem se	5 potpuno se slažem
	Ova je aktivnost razvila moje vještine rješavanja problema.
	Da bih uspješno završio ovu lekciju, sve što mi je bilo potrebno bilo je dobro pamćenje.
	Ova aktivnost razvila je moju sposobnost timskog rada.
	Ova je aktivnost poboljšala moje analitičke vještine.
	Ova je lekcija poboljšala moje vještine pisanja.
	Predavanje je zahtijevalo duboko razumijevanje gradiva.