Membránfehérjék, mint ioncsatornák. Szelektív és nem szelektív csatornák

Ion csatornák integrált membránfehérjék képviselik. Ezek a fehérjék bizonyos hatások hatására képesek megváltoztatni konformációjukat (alakjukat és tulajdonságaikat) oly módon, hogy az a pórus, amelyen keresztül bármely ion áthaladhat, megnyílik vagy bezárul. A nátrium-, kálium-, kalcium- és klórcsatornák ismertek, néha egy csatorna két iont is át tud engedni, például nátrium-kalcium csatornák ismertek. Az ioncsatornákon keresztül csak az ionok passzív transzportja megy végbe. Ez azt jelenti, hogy egy ion mozgásához nem csak egy nyitott csatorna szükséges, hanem az ion koncentrációgradiense is. Ebben az esetben az ion koncentráció gradiens mentén mozog - egy magasabb koncentrációjú területről egy alacsonyabb koncentrációjú területre. Emlékeztetni kell arra, hogy ionokról - töltött részecskékről beszélünk, amelyek szállítását szintén a töltés határozza meg. Előfordulhatnak olyan helyzetek, amikor a koncentráció gradiens mentén a mozgás egy irányba irányítható, és a meglévő töltések ellensúlyozzák ezt az átvitelt.

Az ioncsatornáknak két fontos tulajdonságuk van: 1) szelektivitás (szelektivitás) bizonyos ionokkal szemben és 2) nyitási (aktiválási) és zárási képesség. Aktiválásakor a csatorna kinyílik, és átengedi az ionokat (8. ábra). Így a csatornát alkotó integrált fehérjék komplexének szükségszerűen két elemet kell tartalmaznia: olyan struktúrákat, amelyek felismerik „az ionjukat”, és képesek átengedni azt, és olyan struktúrákat, amelyek lehetővé teszik, hogy tudja, mikor engedje át ezt az iont. A csatorna szelektivitását az azt alkotó fehérjék határozzák meg, a „saját” iont a méretéről és töltéséről ismerjük fel.

Csatorna aktiválása többféle módon lehetséges. Először is, a csatornák kinyílhatnak és zárhatnak, ahogy a membránpotenciál megváltozik. A töltés változása a fehérjemolekulák konformációjának megváltozásához vezet, és a csatorna átjárhatóvá válik az ion számára. A csatorna tulajdonságainak megváltoztatásához elegendő a membránpotenciál enyhe ingadozása. Az ilyen csatornákat ún feszültség függő(vagy elektromos vezérlésű). Másodszor, a csatornák egy komplex fehérjekomplex részei lehetnek, amelyet membránreceptornak neveznek. Ebben az esetben a csatorna tulajdonságainak változását a fehérjék konformációs átrendeződése okozza, amely a receptor biológiailag aktív anyaggal (hormon, mediátor) való kölcsönhatása eredményeként következik be. Az ilyen csatornákat ún kemodependens(vagy receptorkapus ) . Ezenkívül a csatornák mechanikai hatásra - nyomásra, nyújtásra - kinyílhatnak (9. ábra). Az aktiválást biztosító mechanizmust csatornakapuzásnak nevezzük. A csatornák nyitási és zárási sebessége alapján gyorsra és lassúra oszthatók.

A legtöbb csatorna (kálium, kalcium, klorid) két állapotú lehet: nyitott és zárt. Van néhány sajátosság a nátriumcsatornák működésében. Ezek a csatornák, mint a kálium, a kalcium és a klorid, általában nyitott vagy zárt állapotban vannak, de a nátriumcsatorna is inaktiválható, ez az az állapot, amikor a csatorna zárva van, és semmilyen befolyással nem nyitható ki. 10. ábra).

8. ábra Ioncsatorna állapotok

9. ábra Példa egy receptorkapu csatornára. ACh – acetilkolin. Az ACh molekula és a membránreceptor kölcsönhatása oly módon változtatja meg a kapufehérje konformációját, hogy a csatorna elkezdi átengedni az ionokat.

10. ábra Példa egy potenciálfüggő csatornára

A feszültségfüggő nátrium-csatorna aktiváló és inaktiváló kapukkal (kapukkal) rendelkezik. Az aktiváló és inaktiváló kapuk különböző membránpotenciálokon változtatják a konformációt.

A gerjesztési mechanizmusok vizsgálatakor elsősorban a nátrium- és káliumcsatornák működésére leszünk kíváncsiak, de térjünk ki röviden a kalciumcsatornák jellemzőire, szükségünk lesz rájuk a jövőben. A nátrium- és kalciumcsatornák tulajdonságaikban különböznek. A nátriumcsatornák gyorsak és lassúak, míg a kalciumcsatornák csak lassúak. A nátriumcsatornák aktiválása csak depolarizációhoz és LO vagy AP előfordulásához vezet, a kalciumcsatornák aktiválása emellett metabolikus változásokat is okozhat a sejtben. Ezek a változások annak a ténynek köszönhetők, hogy a kalcium speciális fehérjékhez kötődik, amelyek érzékenyek erre az ionra. A kalciumhoz kötött fehérje úgy változtatja meg tulajdonságait, hogy képessé válik más fehérjék tulajdonságainak megváltoztatására, például aktiválja az enzimeket, kiváltja az izomösszehúzódást és felszabadítja a mediátorokat.

A modern elképzelések szerint a biológiai membránok alkotják az összes állati sejt külső héját, és számos intracelluláris organellumot alkotnak. A legjellemzőbb szerkezeti sajátosság, hogy a membránok mindig zárt tereket képeznek, és a membránoknak ez a mikroszerkezeti szerveződése lehetővé teszi számukra, hogy alapvető funkciókat láthassanak el.

A sejtmembránok felépítése és funkciói.

1. A barrier funkció abban nyilvánul meg, hogy a membrán megfelelő mechanizmusok segítségével részt vesz a koncentrációgradiensek létrehozásában, megakadályozva a szabad diffúziót. Ebben az esetben a membrán részt vesz az elektrogenezis mechanizmusaiban. Ide tartoznak a nyugalmi potenciál létrehozásának mechanizmusai, az akciós potenciál generálása, a bioelektromos impulzusok homogén és heterogén gerjeszthető struktúrákon keresztüli terjedésének mechanizmusai.

2. A sejtmembrán szabályozó funkciója az intracelluláris tartalom és az intracelluláris reakciók finom szabályozása az extracelluláris biológiailag aktív anyagok befogadása miatt, ami a membrán enzimrendszereinek aktivitásának megváltozásához és a másodlagos " hírnökök” („közvetítők”).

3. Nem elektromos jellegű külső ingerek átalakítása elektromos jelekké (receptorokban).

4. Neurotranszmitterek felszabadulása szinaptikus végződésekben.

Az elektronmikroszkópos modern módszerekkel meghatározták a sejtmembránok vastagságát (6-12 nm). A kémiai elemzés kimutatta, hogy a membránok főként lipidekből és fehérjékből állnak, amelyek mennyisége a különböző sejttípusok között változik. A sejtmembránok működésének molekuláris mechanizmusainak tanulmányozásának nehézsége abból adódik, hogy a sejtmembránok izolálása és tisztítása során azok normális működése megzavarodik. Jelenleg többféle sejtmembrán modellről beszélhetünk, ezek közül a folyadékmozaik modell a legelterjedtebb.

E modell szerint a membránt foszfolipid molekulák kettős rétege képviseli, amely úgy van orientálva, hogy a molekulák hidrofób végei a kettősrétegen belül helyezkednek el, a hidrofil végei pedig a vizes fázisba irányulnak. Ez a szerkezet ideális két fázis közötti elválasztás kialakítására: extra- és intracelluláris.

A globuláris fehérjék beépülnek a foszfolipid kettős rétegbe, amelynek poláris régiói a vizes fázisban hidrofil felületet alkotnak. Ezek az integrált fehérjék különféle funkciókat látnak el, többek között receptorként, enzimatikusan, ioncsatornákat képeznek, membránpumpák, ionok és molekulák transzporterei.

Egyes fehérjemolekulák szabadon diffundálnak a lipidréteg síkjában; normál állapotban a sejtmembrán különböző oldalain felbukkanó fehérjemolekulák részei nem változtatják helyzetüket.

A membránok elektromos jellemzői:

A kapacitív tulajdonságokat elsősorban a foszfolipid kettős réteg határozza meg, amely a hidratált ionok számára áthatolhatatlan, ugyanakkor elég vékony (kb. 5 nm), hogy lehetővé tegye a töltések hatékony elválasztását és felhalmozódását, valamint a kationok és anionok elektrosztatikus kölcsönhatását. Emellett a sejtmembránok kapacitív tulajdonságai az egyik oka annak, ami meghatározza a sejtmembránokon végbemenő elektromos folyamatok időbeli jellemzőit.

A vezetőképesség (g) az elektromos ellenállás reciprok értéke, és egyenlő az adott ion teljes transzmembránáramának és a transzmembrán potenciálkülönbséget meghatározó értéknek az arányával.

Különféle anyagok diffundálhatnak át a foszfolipid kettősrétegen, és a permeabilitás mértéke (P), azaz a sejtmembrán azon képessége, hogy képes-e átjutni ezeken az anyagokon, függ a diffúziós anyag membrán két oldalán lévő koncentrációjának különbségétől, oldhatóságától. a lipidekben és a sejtmembrán tulajdonságaiban.

A membrán vezetőképessége az ionpermeabilitásának mértéke. A vezetőképesség növekedése a membránon áthaladó ionok számának növekedését jelzi.

Az ioncsatornák felépítése és funkciói. A Na+, K+, Ca2+, Cl- ionok behatolnak a sejtbe és speciális folyadékkal teli csatornákon keresztül távoznak. A csatorna mérete meglehetősen kicsi.

Az összes ioncsatorna a következő csoportokba sorolható:

1. Szelektivitás szerint:

a) Szelektív, azaz. különleges. Ezek a csatornák áteresztőek a szigorúan meghatározott ionok számára.

b) Gyengén szelektív, nem specifikus, specifikus ionszelektivitás nélkül. A membránban kis számban vannak.

1. Az áthaladó ionok természetétől függően:

a) kálium

b) nátrium

c) kalcium

d) klór

1. Az inaktiválás mértékének megfelelően, i.e. záró:

a) gyorsan inaktiváló, azaz. gyorsan zárt állapotba fordul. Gyorsan növekvő MP-csökkentést és ugyanolyan gyors felépülést biztosítanak.

b) lassú hatású. Kinyílásuk az MP lassú csökkenését és lassú felépülését okozza.

4. A nyitási mechanizmusok szerint:

a) potenciálfüggő, azaz azok, amelyek a membránpotenciál egy bizonyos szintjén nyílnak meg.

b) kemodependens, akkor nyílik meg, amikor a sejtmembrán kemoreceptorai élettanilag aktív anyagoknak (neurotranszmitterek, hormonok stb.) kerülnek ki.

Mostanra megállapították, hogy az ioncsatornák a következő szerkezettel rendelkeznek:

1. Szelektív szűrő a csatorna szájánál. Biztosítja a szigorúan meghatározott ionok áthaladását a csatornán.

2. Aktiváló kapuk, amelyek a membránpotenciál bizonyos szintjén vagy a megfelelő PAS hatására nyílnak. A potenciálfüggő csatornák aktiváló kapui egy érzékelővel rendelkeznek, amely bizonyos MP szinten nyitja azokat.

3. Inaktiváló kapu, amely biztosítja a csatorna zárását és a csatornán áthaladó ionáramlás leállítását egy bizonyos MP szinten (ábra).

A nem specifikus ioncsatornáknak nincs kapujuk.

A szelektív ioncsatornák háromféle állapotban létezhetnek, amelyeket az aktiváló (m) és az inaktiváló (h) kapu helyzete határoz meg:

1. Zárva, ha az aktiválók zárva, az inaktiválók pedig nyitva vannak.

2. Aktiválva, mindkét kapu nyitva van.

3. Inaktiválva, az aktiváló kapu nyitva, az inaktiváló kapu pedig zárva

Az ioncsatornák funkciói:

1. Kálium (nyugalmi állapotban) – nyugalmi potenciál generálása

2. Nátrium – akciós potenciál generálása

3. Kalcium – lassú hatásgenerálás

4. Kálium (késleltetett rektifikáció) – repolarizáció biztosítása

5. Kálium-kalcium aktivált – korlátozza a Ca+2 áram okozta depolarizációt

Az ioncsatornák funkcióját többféleképpen tanulmányozzák. A legelterjedtebb módszer a feszültségbilincs vagy „feszültség-bilincs”. A módszer lényege, hogy speciális elektronikus rendszerek segítségével a kísérlet során a membránpotenciált megváltoztatják és egy bizonyos szinten rögzítik. Ebben az esetben a membránon átfolyó ionáram nagyságát mérik. Ha a potenciálkülönbség állandó, akkor Ohm törvényének megfelelően az áram nagysága arányos az ioncsatornák vezetőképességével. A fokozatos depolarizáció hatására bizonyos csatornák megnyílnak, és a megfelelő ionok elektrokémiai gradiens mentén jutnak be a cellába, azaz ionáram keletkezik, amely depolarizálja a sejtet. Ezt a változást egy vezérlőerősítő érzékeli, és a membránon egy elektromos áram halad át, amely egyenlő nagyságú, de ellentétes irányú a membrán ionárammal. Ebben az esetben a transzmembrán potenciálkülönbség nem változik.

Az egyes csatornák működésének tanulmányozása az „útfogó” potenciál lokális rögzítésének módszerével lehetséges. Egy üveg mikroelektródát (mikropipettát) sóoldattal megtöltünk, a membrán felületéhez nyomjuk, és enyhe vákuumot hozunk létre. Ebben az esetben a membrán egy része a mikroelektródához szívódik. Ha egy ioncsatorna jelenik meg a szívózónában, akkor egyetlen csatorna aktivitása kerül rögzítésre. Az irritáció és a csatornaaktivitás rögzítésének rendszere alig különbözik a feszültségrögzítő rendszertől.

Az egyetlen ioncsatornán áthaladó áram téglalap alakú, és azonos amplitúdójú a különböző típusú csatornák esetében. A csatorna nyitott állapotban való tartózkodásának időtartama valószínűségi, de függ a membránpotenciál értékétől. A teljes ionáramot az határozza meg, hogy bizonyos számú csatorna milyen valószínűséggel lesz nyitott állapotban minden adott időszakban.

A csatorna külső része viszonylag jól megközelíthető tanulmányozásra, a belső részének tanulmányozása jelentős nehézségeket okoz. P. G. Kostyuk kifejlesztett egy intracelluláris dialízis módszert, amely lehetővé teszi az ioncsatornák bemeneti és kimeneti struktúráinak működésének tanulmányozását mikroelektródák használata nélkül. Kiderült, hogy az ioncsatorna extracelluláris tér felé nyitott része funkcionális tulajdonságaiban eltér az intracelluláris környezet felé néző csatorna részétől.

Az ioncsatornák biztosítják a membrán két fontos tulajdonságát: a szelektivitást és a vezetőképességet.

A csatorna szelektivitását vagy szelektivitását speciális fehérjeszerkezete biztosítja. A legtöbb csatorna elektromos vezérlésű, azaz ionvezető képessége a membránpotenciál nagyságától függ. A csatorna funkcionális jellemzőit tekintve heterogén, különös tekintettel a csatorna bejáratánál és kijáratánál elhelyezkedő fehérjeszerkezetekre (ún. kapumechanizmusokra).

Tekintsük az ioncsatornák működési elvét a nátriumcsatorna segítségével. Úgy gondolják, hogy a nátriumcsatorna nyugalmi állapotban zárva van. Amikor a sejtmembrán egy bizonyos szintig depolarizálódik, kinyílik az m-aktivációs kapu (aktiválás), és megnövekszik a Na+ ionok áramlása a sejtbe. Néhány ezredmásodperccel az m-kapu nyitása után a nátriumcsatornák kijáratánál található h-kapu bezárul (inaktiválás). Az inaktiváció nagyon gyorsan fejlődik ki a sejtmembránban, és az inaktiváció mértéke a depolarizáló inger nagyságától és hatásidejétől függ.

Ha egy vastag idegrostban egyetlen akciós potenciál keletkezik, a belső környezetben a Na+ ionok koncentrációjának változása csak 1/100 000-e a tintahal óriás axon belső Na+ ion tartalmának.

A nátriumon kívül más típusú csatornákat is beépítenek a sejtmembránokba, amelyek szelektíven áteresztőek az egyes ionok számára: K+, Ca2+, és ezekhez az ionokhoz többféle csatorna létezik.

Hodgkin és Huxley megfogalmazta a csatornák „függetlenségének” elvét, amely szerint a nátrium és a kálium membránon keresztüli áramlása független egymástól.

A különböző csatornák vezetőképességi tulajdonságai nem azonosak. Különösen a káliumcsatornák esetében nem létezik inaktivációs folyamat, mint a nátriumcsatornák esetében. Vannak speciális káliumcsatornák, amelyek akkor aktiválódnak, amikor az intracelluláris kalciumkoncentráció növekszik és a sejtmembrán depolarizálódik. A kálium-kalcium-függő csatornák aktiválása felgyorsítja a repolarizációt, ezáltal visszaállítja a nyugalmi potenciál eredeti értékét.

A kalciumcsatornák különösen érdekesek. A bejövő kalciumáram általában nem elég nagy ahhoz, hogy normálisan depolarizálja a sejtmembránt. Leggyakrabban a sejtbe belépő kalcium „hírvivőként” vagy másodlagos hírvivőként működik. A kalciumcsatornák aktiválása a sejtmembrán depolarizációjával történik, például bejövő nátriumárammal.

A kalciumcsatornák inaktiválásának folyamata meglehetősen összetett. Egyrészt a szabad kalcium intracelluláris koncentrációjának növekedése a kalciumcsatornák inaktiválásához vezet. Másrészt a sejtek citoplazmájában lévő fehérjék megkötik a kalciumot, ami lehetővé teszi a stabil kalciumáram hosszú ideig történő fenntartását, bár alacsony szinten; ebben az esetben a nátriumáram teljesen elnyomódik. A kalciumcsatornák alapvető szerepet játszanak a szívsejtekben. A kardiomiociták elektrogenezisét a 7. fejezet tárgyalja. A sejtmembránok elektrofiziológiai jellemzőit speciális módszerekkel tanulmányozzuk.

Az élő szövetekben jelen lévő összes csatorna, és ma már több száz csatornatípust ismerünk, két fő típusra osztható. Az első típus az pihenő csatornák, amelyek minden külső hatás nélkül spontán nyílnak és záródnak. Fontosak a nyugalmi membránpotenciál létrehozásához. A második típus az ún kapu csatornák, vagy portál csatornák(a "kapu" szóból) . Nyugalomban ezek a csatornák zártak, és bizonyos ingerek hatására megnyílhatnak. Az ilyen csatornák bizonyos típusai részt vesznek az akciós potenciálok létrehozásában.

A legtöbb ioncsatorna jellemzett szelektivitás(szelektivitás), vagyis csak bizonyos ionok haladnak át egy bizonyos típusú csatornán. E tulajdonság alapján a nátrium-, kálium-, kalcium- és kloridcsatornákat megkülönböztetik. A csatornák szelektivitását a pórus mérete, az ion és hidratációs héjának mérete, az ion töltése, valamint a csatorna belső felületének töltése határozza meg. Vannak azonban nem szelektív csatornák is, amelyek egyszerre kétféle iont képesek átadni: például a káliumot és a nátriumot. Vannak csatornák, amelyeken keresztül minden ion és még nagyobb molekulák is áthaladhatnak.

Létezik az ioncsatornák osztályozása aszerint aktiválási módszer(9. ábra). Egyes csatornák kifejezetten reagálnak a neuron sejtmembránjában bekövetkező fizikai változásokra. Ennek a csoportnak a legkiemelkedőbb képviselői feszültség-aktivált csatornák. Ilyenek például a membránon található feszültségérzékeny nátrium-, kálium- és kalciumioncsatornák, amelyek felelősek az akciós potenciál kialakulásáért. Ezek a csatornák egy bizonyos membránpotenciálnál nyílnak meg. Így a nátrium- és káliumcsatornák körülbelül -60 mV potenciálon nyílnak meg (a membrán belső felülete negatív töltésű a külső felülethez képest). A kalciumcsatornák -30 mV potenciálon nyílnak meg. A fizikai változások által aktivált csatornák csoportjába tartozik

9. ábra. Módszerek az ioncsatornák aktiválására

(A) A membránpotenciál változása vagy a membrán nyúlása által aktivált ioncsatornák. (B) Ioncsatornák, amelyeket kémiai ágensek (ligandumok) aktiválnak az extracelluláris vagy intracelluláris oldalról.

Is mechanikusan érzékeny csatornák amelyek reagálnak a mechanikai igénybevételre (a sejtmembrán nyúlása vagy deformációja). Az ioncsatornák egy másik csoportja akkor nyílik meg, amikor a vegyszerek speciális receptorkötő helyeket aktiválnak a csatornamolekulán. Ilyen ligandum által aktivált csatornák két alcsoportra oszthatók, attól függően, hogy a receptorközpontjuk intracelluláris vagy extracelluláris. Az extracelluláris ingerekre reagáló ligandum-aktivált csatornákat is nevezik ionotróp receptorok. Az ilyen csatornák érzékenyek az adókra, és közvetlenül részt vesznek az információ továbbításában a szinaptikus struktúrákban. A citoplazmatikus oldalról aktivált ligandum-aktivált csatornák közé tartoznak azok a csatornák, amelyek érzékenyek a specifikus ionok koncentrációjának változására. Például a kalcium által aktivált káliumcsatornákat az intracelluláris kalciumkoncentráció helyi növekedése aktiválja. Az ilyen csatornák fontos szerepet játszanak a sejtmembrán repolarizációjában az akciós potenciál megszűnése során. A kalciumionok mellett az intracelluláris ligandumok tipikus képviselői a ciklikus nukleotidok. A ciklikus GMP például felelős a retina rudak nátriumcsatornáinak aktiválásáért. Ez a csatornatípus alapvető szerepet játszik a vizuális analizátor működésében. A csatorna működésének egy intracelluláris ligandum megkötésével történő modulálásának külön típusa a fehérjemolekula bizonyos szakaszainak foszforilációja/defoszforilációja intracelluláris enzimek - protein kinázok és protein foszfatázok - hatására.

A bemutatott csatornák aktiválási módszer szerinti osztályozása nagyrészt önkényes. Néhány ioncsatorna csak néhány inger hatására aktiválható. Például a kalcium által aktivált káliumcsatornák is érzékenyek a potenciál változásaira, és egyes feszültségaktivált ioncsatornák érzékenyek az intracelluláris ligandumokra.

A Hodgkin-Huxley elmélet szerinti gerjeszthető membránmodell feltételezi az ionok szabályozott transzportját a membránon keresztül. Azonban egy ion közvetlen átmenete a lipid kettősrétegen nagyon nehéz, ezért az ionáramlás kicsi lenne.

Ez és számos más megfontolás okot adott annak feltételezésére, hogy a membránnak tartalmaznia kell néhány speciális szerkezetet - vezető ionokat. Ilyen struktúrákat találtak és ioncsatornáknak neveztek. Hasonló csatornákat izoláltak különböző objektumokból: a sejtek plazmamembránjából, az izomsejtek posztszinaptikus membránjából és más tárgyakból. Az antibiotikumok által létrehozott ioncsatornák is ismertek.

Az ioncsatornák alapvető tulajdonságai:

1) szelektivitás;

2) az egyes csatornák működésének függetlensége;

3) a vezetőképesség diszkrét jellege;

4) a csatornaparaméterek függése a membránpotenciáltól.

Nézzük őket sorban.

1. A szelektivitás az ioncsatornák azon képessége, hogy szelektíven engedjék át az egyik típusú ionokat.

Már a tintahal axonján végzett első kísérletek során kiderült, hogy a Na+ és a Kt ionok eltérő hatással vannak a membránpotenciálra. A K+ ionok megváltoztatják a nyugalmi, a Na+ ionok pedig az akciós potenciált. A Hodgkin-Huxley modell ezt független kálium- és nátriumioncsatornák bevezetésével írja le. Feltételezték, hogy az előbbiek csak a K+ ionokat engedik át, az utóbbiak pedig csak a Na+ ionokat.

A mérések kimutatták, hogy az ioncsatornák abszolút szelektivitással rendelkeznek a kationok (kation-szelektív csatornák) vagy anionok (anion-szelektív csatornák) irányában. Ugyanakkor a különböző kémiai elemek különböző kationjai áthaladhatnak a kation-szelektív csatornákon, de a membrán vezetőképessége a kisebb ion számára, és így a rajta áthaladó áram jelentősen alacsonyabb lesz, például a Na + csatornánál. 20-szor kisebb lesz a rajta áthaladó káliumáram. Az ioncsatorna azon képességét, hogy különböző ionokat engedjen át, relatív szelektivitásnak nevezik, és egy szelektivitási sorozat jellemzi - a csatorna vezetőképességének aránya az azonos koncentrációban vett különböző ionok esetében. Ebben az esetben a fő ion esetében a szelektivitás 1. Például a Na+ csatorna esetében ez a sorozat a következő:

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

2. Az egyes csatornák működésének függetlensége. Az egyes ioncsatornákon áthaladó áram független attól, hogy az áram más csatornákon keresztül folyik-e. Például a K + csatornák be- vagy kikapcsolhatók, de a Na + csatornákon áthaladó áram nem változik. A csatornák egymásra gyakorolt ​​hatása közvetetten jelentkezik: egyes csatornák (például nátrium) permeabilitásának változása megváltoztatja a membránpotenciált, és ez már más ioncsatornák vezetőképességét is befolyásolja.

3. Az ioncsatornák vezetőképességének diszkrét jellege. Az ioncsatornák fehérjék alegységkomplexei, amelyek átívelik a membránt. A közepén egy cső található, amelyen keresztül az ionok áthaladhatnak. Az 1 μm 2 membránfelületre jutó ioncsatornák számát radioaktívan jelölt nátriumcsatorna-blokkoló - tetrodotoxin - segítségével határoztuk meg. Ismeretes, hogy egy TTX molekula csak egy csatornához kötődik. Ezután egy ismert területű minta radioaktivitásának mérése lehetővé tette annak kimutatását, hogy 1 µm2 tintahal axononként körülbelül 500 nátriumcsatorna található.

Azok a transzmembrán áramok, amelyeket hagyományos kísérletekben, például egy 1 cm hosszú és 1 mm átmérőjű, azaz 3 * 10 7 μm 2 területű tintahal axonon mérnek, a teljes válasznak (változás vezetőképesség) 500 3 10 7 -10 10 ioncsatorna. Ezt a választ a vezetőképesség sima változása jellemzi az idő múlásával. Egyetlen ioncsatorna válaszreakciója idővel alapvetően eltérő módon változik: Na+ csatornák, illetve K+-, illetve Ca 2+ csatornák esetében diszkréten.

Ezt először 1962-ben fedezték fel a lipid kétrétegű membránok (BLM) vezetőképességének vizsgálata során, amikor egy bizonyos gerjesztést kiváltó anyag mikromennyiségeit adták a membránt körülvevő oldathoz. Állandó feszültséget kapcsoltunk a BLM-re, és feljegyeztük az I(t) áramot. Az áramot idővel két vezető állapot közötti ugrások formájában rögzítették.

Az ioncsatornák kísérleti vizsgálatának egyik hatékony módszere a membránpotenciál lokális rögzítésének módszere („Patch Clamp”), amelyet a 80-as években fejlesztettek ki (10. ábra).

Rizs. 10. A membránpotenciál lokális rögzítésének módja. ME - mikroelektróda, IR - ioncsatorna, M - sejtmembrán, SFP - potenciálbilincs áramkör, I - egycsatornás áram

Az eljárás lényege, hogy a vékony, 0,5-1 μm átmérőjű végű ME mikroelektródát (10. ábra) a membránhoz szívjuk úgy, hogy az ioncsatorna annak belső átmérőjébe kerüljön. Ezután egy potenciálbilincs áramkör segítségével olyan áramokat lehet mérni, amelyek csak a membrán egyetlen csatornáján haladnak át, és nem az összes csatornán egyszerre, mint a szabványos potenciál-lecsavarási módszer alkalmazásakor.

A különböző ioncsatornákon végzett kísérletek eredményei azt mutatták, hogy egy ioncsatorna vezetőképessége diszkrét, és két állapotú lehet: nyitott vagy zárt. Az állapotok közötti átmenetek véletlenszerű időpontokban történnek, és engedelmeskednek a statisztikai törvényeknek. Nem mondható, hogy egy adott ioncsatorna pontosan ebben a pillanatban megnyílik. Csak egy bizonyos időintervallumban lehet nyilatkozni a csatorna megnyitásának valószínűségéről.

4. A csatorna paramétereinek függése a membránpotenciáltól. Az idegrostok ioncsatornái érzékenyek a membránpotenciálra, például a tintahal axonjának nátrium- és káliumcsatornái. Ez abban nyilvánul meg, hogy a membrán depolarizációjának megkezdése után a megfelelő áramok elkezdenek megváltozni egy vagy másik kinetikával. Ez a folyamat a következőképpen megy végbe: Az ion-szelektív csatornának van egy érzékelője - a kialakításának egy olyan eleme, amely érzékeny az elektromos mező hatására (11. ábra). A membránpotenciál változásakor a rá ható erő nagysága megváltozik, ennek következtében az ioncsatorna ezen része elmozdul, és megváltoztatja a kapu nyitásának vagy zárásának valószínűségét - egyfajta csillapító, amely a „minden ill. semmi” törvény. Kísérletileg kimutatták, hogy a membrándepolarizáció hatására megnő a nátriumcsatorna vezető állapotba való átmenetének valószínűsége. A potenciálbilincs mérése során a membránon átívelő feszültséglökés nagyszámú csatorna megnyílását okozza. Több töltés halad át rajtuk, ami átlagosan több áramot jelent. Fontos, hogy a csatorna vezetőképességének növelésének folyamatát a csatorna nyitott állapotba való átmenetének valószínűségének növekedése határozza meg, nem pedig a nyitott csatorna átmérőjének növekedése. Ez az áram egyetlen csatornán való áthaladásának mechanizmusának modern felfogása.

A nagy membránokon végzett elektromos mérések során rögzített áramok sima kinetikai görbéit az egyes csatornákon átfolyó sok fokozatos áram összegzése miatt kapjuk. Összegzésük, amint fentebb látható, élesen csökkenti az ingadozásokat, és meglehetősen egyenletes időfüggést ad a transzmembrán áramnak.

Az ioncsatornák más fizikai hatásokra is érzékenyek lehetnek: mechanikai deformáció, vegyszerek megkötése stb. Ebben az esetben ezek a szerkezeti alapjai a mechanoreceptoroknak, a kemoreceptoroknak stb.

A membránok ioncsatornáinak vizsgálata a modern biofizika egyik fontos feladata.

Az ioncsatorna szerkezete.

Az ionszelektív csatorna a következő részekből áll (11. ábra): a fehérje rész kettős rétegébe merítve, amely alegység szerkezetű; negatív töltésű oxigénatomok által alkotott szelektív szűrő, amelyek egymástól bizonyos távolságra mereven helyezkednek el, és bizonyos átmérőjű ionokat engednek át; kapurész.

Az ioncsatorna kapuját a membránpotenciál vezérli, és lehet zárt (szaggatott vonal) vagy nyitott állapotú (folytonos vonal). A nátriumcsatorna kapu normál helyzete zárva van. Elektromos tér hatására megnő a nyitott állapot valószínűsége, kinyílik a kapu és a hidratált ionok áramlása képes áthaladni a szelektív szűrőn.

Ha az ion átmérőjére illeszkedik, leveti a hidratáló héját, és átugrik az ioncsatorna másik oldalára. Ha az ion túl nagy átmérőjű, mint például a tetraetil-ammónium, nem tud átjutni a szűrőn, és nem tud átjutni a membránon. Ha éppen ellenkezőleg, az ion túl kicsi, akkor nehézségei vannak a szelektív szűrőben, ami ezúttal az ion hidratációs héjának leválasztásának nehézségével jár.

Az ioncsatorna-blokkolók vagy nem tudnak átjutni rajta, beszorulnak a szűrőbe, vagy ha nagy molekulákról van szó, mint a TTX, akkor sztérikusan illeszkednek a csatorna bejáratához. Mivel a blokkolók pozitív töltést hordoznak, töltött részük közönséges kationként bekerül a szelektív szűrő csatornájába, és a makromolekula eltömíti azt.

Így a gerjeszthető biomembránok elektromos tulajdonságaiban bekövetkező változásokat ioncsatornák segítségével hajtják végre. Ezek olyan fehérje makromolekulák, amelyek behatolnak a lipid kettős rétegbe, és több különálló állapotban létezhetnek. A K +, Na + és Ca 2+ ionokra szelektív csatornák tulajdonságai eltérően függhetnek a membránpotenciáltól, amely meghatározza az akciós potenciál dinamikáját a membránban, valamint a különböző sejtek membránjaiban az ilyen potenciálok különbségeit. .

Rizs. 11. A membrán nátriumion csatornájának szerkezetének keresztmetszeti diagramja

Visszacsatolás.

Különféle anyagok és különösen az ásványi ionok esetében rendkívül fontos a sejt életében, és különösen az észlelési, transzformációs, jelátviteli mechanizmusokban sejtről sejtre és intracelluláris struktúrákra.

A sejtmembrán permeabilitásának állapotában meghatározó szerepet azok ioncsatornái játszanak, amelyek kialakulnak csatornaképző fehérjék. Ezeknek a csatornáknak a nyitása és zárása szabályozható a membrán külső és belső felülete közötti potenciálkülönbség nagyságával, számos jelzőmolekulával (hormonok, neurotranszmitterek, vazoaktív anyagok), az intracelluláris jelátvitel másodlagos hírvivőivel és ásványi anyagokkal. ionok.

Ion csatorna- több alegység (integrált membránfehérjék, amelyek transzmembrán szegmenseket tartalmaznak, amelyek mindegyike α-helikális konfigurációjú), amelyek biztosítják az ionok szállítását a membránon keresztül.

Rizs. 1. Az ioncsatornák osztályozása

Az ioncsatornák szerkezetének és működésének modern megértése lehetővé vált a membrán egy izolált, egyedi ioncsatornákat tartalmazó szakaszán átfolyó elektromos áramok rögzítésére szolgáló módszerek kifejlesztésének, valamint az egyes ioncsatornákat szabályozó gének izolálásának és klónozásának köszönhetően. ioncsatornák kialakítására képes fehérje makromolekulák szintézise. Ez lehetővé tette az ilyen molekulák szerkezetének mesterséges módosítását, sejtmembránokba való integrálását, valamint az egyes peptidrégiók csatornafunkciók ellátásában betöltött szerepének tanulmányozását. Kiderült, hogy az összes ioncsatorna csatornaképző fehérjemolekuláinak van néhány közös szerkezeti jellemzője és általában 250 kDa feletti molekulatömegű nagy, transzmembrán fehérjék képviselik.

Több alegységből állnak. Általában a legfontosabb csatorna tulajdonságai az övék a-alegység. Ez az alegység részt vesz az ion-szelektív lyuk, a transzmembrán potenciálkülönbség szenzormechanizmusának - a csatorna kapujának - kialakításában, és kötőhelyei vannak az exogén és endogén ligandumok számára. Az ioncsatornák szerkezetében szereplő egyéb alegységek kisegítő szerepet töltenek be, módosítva a csatornák tulajdonságait (2. ábra).

A csatornaképző fehérjemolekulát extramembrán aminosavhurkok és intramembrán helikális domén régiók képviselik, amelyek az ioncsatornák alegységeit alkotják. A fehérjemolekula a membrán síkjában gyűrődik, így az egymással érintkező domének között maga az ioncsatorna jön létre (lásd 2. ábra, jobbra lent).

A csatornaképző fehérjemolekula a citoplazma membránjában helyezkedik el úgy, hogy háromdimenziós térszerkezete a membrán külső és belső oldala felé néző csatorna torkolatát, vízzel töltött pórusát és „kaput” alkotja. Ez utóbbiakat a peptidlánc olyan szakasza alkotja, amely könnyen megváltoztathatja konformációját, és meghatározhatja a csatorna nyitott vagy zárt állapotát. Az ioncsatorna szelektivitása és permeabilitása a pórus méretétől és töltésétől függ. Egy csatorna permeabilitását egy adott ionra a mérete, töltése és hidratációs héja is meghatározza.

Rizs. 2. A sejtmembrán Na+ -ion csatornájának felépítése: a - a sejtmembrán ioncsatornája α-egységének kétdimenziós szerkezete; b - a bal oldalon - egy nátriumcsatorna, amely egy a-alegységből és két P-alegységből áll (oldalnézet); jobb oldalon a nátriumcsatorna felülről. Számokban I. II. III. Az a-alegység IV jelölt tartományai

Az ioncsatornák típusai

Több mint 100 fajta ioncsatornát írtak le, és különféle megközelítéseket alkalmaznak ezek osztályozására. Az egyik a csatornák felépítésében és a működési mechanizmusokban mutatkozó különbségek figyelembevételén alapul. Ebben az esetben az ioncsatornák több típusra oszthatók:

• passzív ioncsatornák vagy nyugalmi csatornák;
• rés érintkező csatornák;
• csatornák, amelyek állapotát (nyitott vagy zárt) a kapumechanizmusukra gyakorolt ​​mechanikai tényezők (mechanoszenzitív csatornák), ​​a membrán potenciálkülönbségei (feszültségfüggő csatornák) vagy a csatornaképző fehérjéhez kötődő ligandumok befolyásolják. a membrán külső vagy belső oldala (ligandum-kapuzott csatornák).

Passzív csatornák

E csatornák sajátossága, hogy a nyugvó sejtekben nyitottak (aktívak), pl. minden befolyás hiányában. Ez előre meghatározza a második nevüket - passzív csatornák. Nem szigorúan szelektívek, rajtuk keresztül a sejtmembrán több iont is „kiszivárogtathat”, például K+ és CI+ K+ és Na+. Ezért ezeket a csatornákat néha szivárgási csatornáknak is nevezik. A nyugalmi csatornák a felsorolt ​​tulajdonságok miatt fontos szerepet játszanak a nyugalmi membránpotenciál kialakulásában és fenntartásában a sejt citoplazmatikus membránján, melynek mechanizmusait és jelentőségét az alábbiakban tárgyaljuk. Passzív csatornák vannak jelen az idegrostok és azok végződéseinek citoplazmatikus membránjában, a harántcsíkolt sejtekben, a simaizomzatban, a szívizomban és más szövetekben.

Mechanikai érzékeny csatornák

Ezeknek a csatornáknak a permeabilitási állapota a membrán mechanikai behatásai hatására megváltozik, ami a membránban lévő molekulák szerkezeti pakolódásának megszakadását és nyújtását okozza. Ezek a csatornák széles körben jelen vannak az erek, a belső szervek, a bőr, a harántcsíkolt izmok és a sima myocyták mechanoreceptoraiban.

Feszültségfüggő csatornák

E csatornák állapotát a membránon átívelő potenciálkülönbség nagysága által létrehozott elektromos tér erői szabályozzák. A feszültségfüggő csatornák lehetnek inaktív (zárt), aktív (nyitott) és inaktivált állapotban, amelyeket az aktiváló és inaktiváló kapuk helyzete vezérel, a membránon átívelő potenciálkülönbségtől függően.

Nyugalmi cellában egy feszültségfüggő csatorna általában zárt állapotban van, ahonnan nyitható vagy aktiválható. Független megnyílásának valószínűsége kicsi, nyugalmi állapotban ezeknek a csatornáknak csak kis része van nyitva a membránban. A transzmembrán potenciálkülönbség csökkenése (membrán depolarizáció) a csatorna aktiválódását okozza, növelve annak kinyílásának valószínűségét. Feltételezzük, hogy az aktiváló kapu funkcióját egy elektromosan töltött aminosavcsoport látja el, amely lezárja a csatorna szájának bejáratát. Ezek az aminosavak a membrán potenciálkülönbségének érzékelői; a membrán depolarizáció egy bizonyos (kritikus) szintjének elérésekor a szenzormolekula töltött része eltolódik a csatornaképző molekula lipid mikrokörnyezete felé és a kapu megnyitja a csatorna szájának bejáratát (3. ábra).

A csatorna megnyílik (aktív), hogy az ionok áthaladhassanak rajta. Az aktiváló kapu nyitási sebessége lehet alacsony vagy nagyon magas. E mutató szerint a feszültségfüggő ioncsatornákat gyors (például gyors feszültségfüggő nátriumcsatornák) és lassú (például lassú feszültségfüggő kalciumcsatornák) csoportokra osztják. A gyors csatornák azonnal kinyílnak (μs), és átlagosan 1 ms-ig nyitva maradnak. Aktiválásuk a csatorna permeabilitásának gyors lavinaszerű növekedésével jár bizonyos ionok esetében.

A peptidlánc másik része, amely egy szálon lévő sűrű golyó (golyó) formájában lévő aminosavszekvencia, amely a csatorna másik szájának kijáratánál helyezkedik el, képes megváltoztatni a konformációját. Amikor a membránon a töltés jele megváltozik, a golyó elzárja a szájkijáratot, és a csatorna áthatolhatatlanná (inaktiválódik) az ion számára. A feszültségfüggő ioncsatornák inaktiválása más mechanizmusokkal is megvalósítható. Az inaktiváció az ionok csatornán keresztüli mozgásának leállásával jár együtt, és az aktiváláskor gyorsan, vagy lassan - másodpercek vagy akár percek alatt - bekövetkezhet.

Rizs. 3. Feszültségfüggő nátrium (felső) és kálium (alsó) csatornák kapumechanizmusa

Az ioncsatornák inaktiválása utáni eredeti tulajdonságainak visszaállításához szükséges a csatornaképző fehérje eredeti térbeli konformációjának és a kapu helyzetének visszaállítása. Ezt úgy érik el, hogy a membránpotenciál-különbséget (repolarizációt) visszaállítják a sejt nyugalmi állapotára jellemző szintre, vagy bizonyos idő elteltével a membránra erős hatást kifejtő inaktiválás után. Az inaktivált állapotból az eredeti (zárt) állapotba való átmenetet csatorna-újraaktiválásnak nevezzük. Az újraaktiválás után az ioncsatorna visszatér az újranyitásra kész állapotba. A feszültségfüggő membráncsatornák újraaktiválása gyors vagy lassú is lehet.

A feszültségfüggő ioncsatornák általában erősen szelektívek, és döntő szerepet játszanak a gerjesztés (akciós potenciálok generálása), az idegrostok mentén az információ elektromos jelek formájában történő továbbításában, valamint az izomösszehúzódás megindításában és szabályozásában. Ezek a csatornák széles körben jelen vannak az afferens és efferens idegrostok membránjaiban, a harántcsíkolt és sima myociták membránjában.

A fogpulpát és a szájnyálkahártyát beidegző szenzoros idegek (dendritek) idegvégződéseinek membránjába potenciálfüggő ioncsatornák épülnek be, ahol megnyitásuk biztosítja a receptorpotenciál idegimpulzussá alakulását, majd az afferens ideg mentén történő átvitelét. rost. Ezeknek az impulzusoknak a segítségével a központi idegrendszerbe eljutnak a szájüregben tapasztalt összes szenzoros érzésről (ízlés, hőmérséklet, mechanikai nyomás, fájdalom) vonatkozó információk. Az ilyen csatornák biztosítják az idegimpulzusok megjelenését a neuronok axondombjának membránján és efferens idegrostok mentén történő átvitelét, a posztszinaptikus potenciálok posztszinaptikus effektor sejtek akciós potenciáljává való átalakulását. Ilyen folyamatok például az idegimpulzusok generálása a trigeminus idegmag motoros neuronjaiban, amelyek azután efferens rostjai mentén továbbítják a rágóizmokat, és biztosítják az alsó állkapocs rágómozgásának elindítását és szabályozását.

A feszültségfüggő ioncsatornák működésének finom mechanizmusait vizsgálva kiderült, hogy vannak olyan anyagok, amelyek blokkolhatják e csatornák működését. Ezek közül az egyik elsőként a tetrodotoxin volt, amely egy erős méreg, amelyet a gömbhal testében termelnek. Hatása alatt a kísérletben a feszültségfüggő nátriumcsatornák blokkolását figyelték meg, és amikor az állatok szervezetébe juttatták, érzékenységcsökkenést, izomlazulást, mozdulatlanságot, légzésleállást és elhullást észleltek. Az ilyen anyagokat ioncsatorna-blokkolóknak nevezik. Közöttük lidokain, novokain, prokain - anyagok, kis adagokban a szervezetbe juttatva az idegrostok feszültségfüggő nátriumcsatornáinak blokkolása alakul ki, és a fájdalomreceptoroktól a központi idegrendszer felé irányuló jelek átvitele blokkolódik. Ezeket az anyagokat széles körben használják az orvosi gyakorlatban helyi érzéstelenítőként.

Az ionok ioncsatornákon keresztüli mozgása nemcsak a membránok töltéseinek újraeloszlásának és az elektromos potenciálok kialakulásának alapja, hanem számos intracelluláris folyamat lefolyását is befolyásolhatja. A csatornaképző fehérjék szintézisét szabályozó gének expressziójára gyakorolt ​​hatás nem csak az ingerelhető szövetek sejtjeire korlátozódik, hanem a test minden sejtjében előfordul. A betegségek nagy csoportját azonosították, amelyek oka az ioncsatornák szerkezetének és működésének megsértése. Az ilyen betegségeket „channelopathiáknak” nevezik. Nyilvánvalóan az ioncsatornák szerkezetének és funkcióinak ismerete szükséges ahhoz, hogy megértsük a „channelopathiák” természetét, és keressük specifikus terápiájukat.

Ligand-kapuzott ioncsatornák

Általában fehérje makromolekulák alkotják őket, amelyek egyidejűleg ioncsatornaként és receptor funkcióként szolgálhatnak bizonyos ligandumok számára. Mivel ugyanaz a makromolekula egyidejűleg képes ellátni ezt a két funkciót, különböző neveket rendeltek hozzájuk - például szinaptikus receptor vagy ligandum-kapu csatorna.

Ellentétben a feszültségfüggő ioncsatornával, amely akkor nyílik meg, amikor az aktivációs kapu konformációja megváltozik a transzmembrán potenciálkülönbség csökkenésének körülményei között, a ligandumfüggő ioncsatornák megnyílnak (aktiválódnak) a fehérje peptid (receptor) láncának kölcsönhatása esetén. molekula egy ligandummal, egy olyan anyaggal, amelyhez a receptor nagy affinitással rendelkezik (4. ábra).

Rizs. 4. Ligandumfüggő ioncsatorna (nikotinérzékeny acetilkolin receptor - n-ChR): a inaktív; 6 - aktiválva

A ligandozott ioncsatornák általában az idegsejtek és folyamataik posztszinaptikus membránjaiban, valamint az izomrostokban lokalizálódnak. A ligandumfüggő ioncsatornák tipikus példái az acetilkolin (lásd 4. ábra), glutamát, aszpartát, gamma-aminovajsav, glicin és más szinaptikus neurotranszmitterek által aktivált posztszinaptikus membráncsatornák. Jellemzően a csatorna (receptor) neve tükrözi a neurotranszmitter típusát, amely természetes körülmények között a liganduma. Tehát, ha ezek a neuromuszkuláris szinapszis csatornái, amelyekben az acetilkolint neurotranszmittert használjuk, akkor az „acetilkolin receptor” kifejezést használjuk, és ha nikotinra is érzékeny, akkor nikotinérzékenynek vagy egyszerűen n-acetilkolinnak nevezik. receptor (n-kolinerg receptor).

A posztszinaptikus receptorok (csatornák) jellemzően csak egyfajta neurotranszmitterhez kötődnek szelektíven. A kölcsönható receptor és neurotranszmitter típusától és tulajdonságaitól függően a csatornák szelektíven változtatják áteresztőképességüket az ásványi ionok felé, de nem szigorúan szelektív csatornák. Például a ligandumfüggő csatornák megváltoztathatják a Na+ és K+ kationok vagy K+ és CI+ anionok permeabilitását. A ligandumkötésnek ez a szelektivitása és az ionpermeabilitás változása genetikailag rögzül a makromolekula térszerkezetében.

Ha a mediátor és az ioncsatornát alkotó makromolekula receptor részének kölcsönhatása közvetlenül együtt jár a csatorna permeabilitásának megváltozásával, akkor ez néhány milliszekundum alatt a posztszinaptikus membrán ásványianyag-permeabilitásának megváltozásához vezet. ionok és a posztszinaptikus potenciál értéke. Az ilyen csatornákat gyorsnak nevezik, és például az axo-dendrites serkentő szinapszisok és az axosomatikus gátló szinapszisok posztszinaptikus membránjában helyezkednek el.

Vannak lassú ligandum-kapuzott ioncsatornák. A gyors csatornákkal ellentétben ezek megnyitását nem a neurotranszmitter és a receptor makromolekula közvetlen kölcsönhatása közvetíti, hanem egy eseménylánc, beleértve a G-fehérje aktiválását, a GTP-vel való kölcsönhatását, a másodlagos hírvivők szintjének növekedését az intracelluláris átvitelben. Az ioncsatorna foszforilálásával az ásványi ionok permeabilitása megváltozik, és ennek megfelelően megváltozik a posztszinaptikus potenciál értéke. Az egész leírt eseménylánc több száz ezredmásodperc alatt zajlik le. Ilyen lassú ligandumfüggő ioncsatornákkal fogunk találkozni a szív és a simaizom szabályozási mechanizmusainak tanulmányozása során.

Egy speciális típus a simaizomsejtek endoplazmatikus retikulumának membránjaiban lokalizált csatornák. Ligandjuk az intracelluláris jelátvitel második hírvivője, az inozitol-trifoszfát-IFZ.

Olyan ioncsatornákat írnak le, amelyeket mind a feszültségfüggő, mind a ligandumfüggő ioncsatornákban bizonyos szerkezeti és funkcionális tulajdonságok jellemeznek. Feszültségérzéketlen ioncsatornák, amelyek kapumechanizmusának állapotát ciklikus nukleotidok (cAMP és cGMP) szabályozzák. Ebben az esetben a ciklikus nukleotidok a csatornaképző fehérjemolekula intracelluláris COOH-terminálisához kötődnek, és aktiválják a csatornát.

Ezeket a csatornákat a kationok permeabilitásának kisebb szelektivitása és az utóbbiak azon képessége jellemzi, hogy befolyásolják egymás permeabilitását. Így az extracelluláris környezetből aktivált csatornákon keresztül belépő Ca 2+ ionok blokkolják a csatornák Na 2+ ionok permeabilitását. Ilyen csatornák például a retina rúdioncsatornái, amelyek Ca 2+ és Na 2+ ionok permeabilitását a cGMP szintje határozza meg.

A ligand-kapuzott ioncsatornák széles körben képviseltetik magukat a membránstruktúrákban, amelyek a központi idegrendszer számos szenzoros receptorától származó jelek szinaptikus átvitelét biztosítják; jelek továbbítása az idegrendszer szinapszisaiban; idegrendszeri jelek átvitele az effektor sejtekhez.

Korábban már megfigyelték, hogy a parancsok közvetlen átvitele az idegrendszerből számos effektor szervbe neurotranszmitterek segítségével történik, amelyek aktiválják a ligandum által szabályozott ioncsatornákat a posztszinaptikus membránokban. Ligandumaik (agonistáik vagy antagonistáik) azonban lehetnek exogén természetű anyagok is, amelyeket bizonyos esetekben gyógyászati ​​anyagként használnak.

Például az apetilkolin neurotranszmitterhez hasonló szerkezetű diplacin bejuttatása után a neuromuszkuláris szinapszisokban a ligandumfüggő ioncsatornák hosszabb ideig megnyílnak, amelyek leállítják az idegimpulzusok továbbítását az idegrostokból az izmokba. . Megtörténik a test vázizomzatának ellazulása, amelyre összetett műtéti beavatkozások során lehet szükség. A diplacint és más olyan anyagokat, amelyek képesek megváltoztatni a ligandumfüggő ioncsatornák állapotát és blokkolni a jelátvitelt a neuromuszkuláris szinapszisokban, izomrelaxánsoknak nevezik.

Rizs. 5. Rögzítse a csatlakozási csatornákat két szorosan érintkező cella között

Az orvosi gyakorlatban sok más gyógyászati ​​anyagot használnak, amelyek befolyásolják a különböző szövetek sejtjeinek ligandumfüggő ioncsatornáinak állapotát.

Cellarés (szoros) csatlakozási csatornák

A réscsatlakozási csatornák két szomszédos cella érintkezési területén jönnek létre, amelyek nagyon közel vannak egymáshoz. Minden érintkező sejt membránjában hat fehérje alegység, úgynevezett connexin alkot egy hatszögletű szerkezetet, amelynek közepén pórus- vagy ioncsatorna - konnexon - alakul ki (5. ábra).

A szomszédos sejt membránjának érintkezési pontján tükörszerkezet képződik, a közöttük lévő ioncsatorna közössé válik. Az ilyen ioncsatornákon keresztül különböző ásványi ionok, köztük Ca 2+ ionok, valamint kis molekulatömegű szerves anyagok juthatnak sejtről sejtre. A sejtek réscsatlakozóinak csatornái biztosítják az információátvitelt a szívizom, a simaizom, a retina és az idegrendszer sejtjei között.

Nátrium csatornák

A szervezet sejtjeiben széles körben képviseltetik magukat a feszültségfüggő, feszültségfüggetlen (ligandumfüggő, mechanoszenzitív, passzív stb.) nátriumcsatornák.

Feszültségfüggő nátriumcsatornák

Egy α-alegységből állnak, amely a csatornát képezi, és két β-alegységből állnak, amelyek modulálják a nátriumcsatornák ionpermeabilitását és inaktivációs kinetikáját (6. ábra).

Rizs. 6. A feszültségfüggő nátriumcsatorna α-alegységének kétdimenziós szerkezete. Leírás a szövegben

ábrából látható. A 6. ábrán az a-alegységet négy azonos típusú domén képviseli, amelyek hat helikális transzmembrán szegmensből állnak, amelyeket aminosavhurkok kapcsolnak össze. Az 5. és 6. szegmenst összekötő hurkok a csatorna pórusát veszik körül, a 4. szegmensben pedig pozitív töltésű aminosavak találhatók, amelyek a membránon lévő potenciálkülönbség szenzorai, és a transzmembrán potenciál eltolódása során szabályozzák a kapumechanizmus helyzetét.

A feszültségfüggő nátriumcsatornákban két kapumechanizmus van, az egyik - az aktiválás (a 4. szegmens részvételével) biztosítja a csatorna megnyitását (aktiválását) a membrán depolarizációja esetén, a második pedig (az intracelluláris hurok részvételével) a 3. és 4. domén között) - inaktiválódik a membrán újratöltésekor. Mivel mindkét mechanizmus gyorsan megváltoztatja a csatornakapu helyzetét, a feszültségfüggő nátriumcsatornák gyors ioncsatornák, és kritikusak az akciós potenciálok generálásához az ingerelhető szövetekben, valamint az ideg- és izomrostok membránjain való átvezetésében.

Ezek a csatornák a neuronok axondombjának citoplazmatikus membránjaiban, a dendritekben és axonokban, a neuromuszkuláris szinapszis periszinaptikus régiójának membránjában, a harántcsíkolt izmok rostjainak szarkolemmájában és a kontraktilis szívizomban találhatók. A nátriumcsatornák eloszlási sűrűsége ezekben a struktúrákban eltérő. A myelinizált idegrostokban főként a Ranvier csomópontjaira koncentrálódnak, ahol sűrűségük eléri a 10 000 csatornát négyzetmikrononként, a nem myelinizált rostokban pedig a csatornák egyenletesebben oszlanak el, körülbelül 20 csatorna per négyzetméter sűrűséggel. mikron terület. Ezek a csatornák gyakorlatilag hiányoznak az idegsejttest membránjainak szerkezetében, az érzékszervi receptorokat közvetlenül alkotó idegvégződések membránjában és az effektorsejtek posztszinaptikus membránjában.

A feszültségfüggő nátriumcsatornák között már több mint kilenc altípust különböztetnek meg, amelyek az α-alegységek tulajdonságaiban különböznek egymástól, specifikus szöveti hovatartozással rendelkeznek, és eltérő érzékenységükben különböznek a blokkolók hatásától. Például a teljesen differenciált és beidegzett vázizmok szarkolemmájában jelen van egy csatornaképző fehérje által alkotott altípus, amelynek szintézisét az SCN4A gén szabályozza, blokkolói pedig a tetrodotoxin, a saxitoxin és a c-conotoxinok. A legtöbb esetben az α-alegységek érzékenyek a tetrodotoxin hatására, amely mikromoláris koncentrációban blokkolja a pórusokat és ezáltal a nátriumcsatornákba való bejutást.

A nátriumcsatornák toxinjairól ismert, hogy lelassítják inaktivációjuk sebességét. Például a tengeri kökörcsin toxin (ATX) és a skorpió-a-toxin (ScTX) késlelteti az inaktivációt azáltal, hogy a 4. szegmens S3-S4 hurok aminosav-maradékaihoz kötődik.

Az úgynevezett anyagok érzéstelenítők (novokain, dikain, lidokain, szovkain, prokain satöbbi.). Az érzéstelenítést, amikor blokkolják a nátriumcsatornákat, úgy érik el, hogy kiküszöbölik az idegimpulzusok generálásának lehetőségét az afferens idegrostokban, és ezáltal blokkolják a szenzoros fájdalomreceptoroktól a központi idegrendszer felé irányuló jelek továbbítását.

Felfedezték, hogy a nátriumcsatornák szerkezetének megváltozása számos betegség kialakulásához vezethet. Például az SCNlb gén által szabályozott csatorna szerkezetének megváltozása az epilepszia generalizált formáinak és megnövekedett testhőmérsékletű rohamok kialakulásához vezet (lázrohamok).

Számos mikroorganizmus toxinokat képez az emberi szervezetben – olyan anyagokat, amelyek blokkolják az ioncsatornákat az érintett sejtekben, ami az ionegyensúly felborulásával és a sejthalálmal járhat. Más mikroorganizmusok ezzel szemben toxinjaikat (perforinjaikat) ioncsatornák kialakítására használják a sejtmembránban. Különösen az emberben különösen veszélyes fertőzést okozó lépfene bacillus toxinja támadja meg a sejtet, és új pórusokat (csatornákat) képez a membránjában, amelyeken keresztül más méreganyagok behatolnak a sejtbe. Ezeknek a toxinoknak a hatása a megtámadott sejtek pusztulását és magas mortalitást okoz ebben a betegségben. A tudósok szintetizáltak egy β-ciklodextrint, amely térbeli szerkezetében közel áll a keletkező csatorna alakjához. Ez az anyag blokkolja a mikroorganizmus toxinja által kialakított csatornákat, megakadályozza a méreganyagok bejutását a sejtekbe, és megmenti a lépfenével fertőzött kísérleti állatokat a haláltól.

Feszültségfüggetlen nátriumcsatornák

Ligand-kapuzott nátriumcsatornák.Általános szerkezetüket és tulajdonságaikat fentebb a ligand-kapuzott ioncsatornák leírásánál tárgyaltuk. Az ilyen típusú nátriumcsatornákat a szervezetben széles körben képviselik a neuromuszkuláris szinapszis posztszinaptikus membránjának nikotinérzékeny kolinerg receptorának nátriumcsatornái, a központi idegrendszer interneuron szinapszisai és az autonóm idegrendszer (preganglionális és ganglionos neuronok). A ligand-kapuzott nátriumcsatornák a központi idegrendszer egyéb serkentő (glutamát- és aszpartaterg) szinapszisainak posztszinaptikus membránjaiban lokalizálódnak. Döntő szerepet játszanak a serkentő posztszinaptikus potenciál létrehozásában a szinapszisokban, valamint a jelek átvitelében az idegsejtek, valamint az idegsejtek és az effektorsejtek között.

A posztszinaptikus membrán ligandum-kapuzott nátriumcsatornái nem szigorúan szelektívek, és egyszerre több ion számára is átjárhatók: nátrium és kálium, nátrium és kalcium.

Feszültségfüggetlen nátriumcsatornák, amelyeket másodlagos hírvivők kapnak. Ezen nátriumcsatornák állapotát cGMP (fotoreceptorok), cAMP (szaglóreceptorok) és G fehérje alegységei (szívizom) szabályozhatják.

Mechanikailag érzékeny nátriumcsatornák. Jelen van az erek falának mechanoreceptoraiban, a szívben, az üreges belső szervekben, a harántcsíkolt izmok proprioceptoraiban és a sima myociták membránjában. Az érzékszervi receptorokban való részvételükkel a mechanikai hatás energiája a potenciálkülönbség - a receptorpotenciál - oszcillációjává alakul.

Passzív nátriumkötelek. Az ingerelhető sejtek citoplazmatikus membránjában található. Ezeknek a csatornáknak a Na+ ionok áteresztőképessége kicsi, de rajtuk keresztül a Na-ionok koncentrációgradiens mentén diffundálnak az extracelluláris terekből a sejtekbe, és némileg depolarizálják a membránt. A sima myocyták citoplazmatikus membránjának nátriumcsatornái áteresztőbbek. Nagyobb mértékben depolarizálják (nyugalmi potenciál kb. 50 mV), mint a harántcsíkolt izmok myocytáinak membránja (nyugalmi potenciál kb. 90 mV). Így a passzív nátriumcsatornák részt vesznek a nyugalmi membránpotenciál kialakításában.

Nátriumcserélők. A nátrium-kalcium-cserélőt, vagy nátrium-kalcium-cserélőt korábban leírták, és fontos szerepet játszik a kalciumionok eltávolításában a kontraktilis szívizomsejtekből.

Nátrium protoncserélő. Ez a csatornaképző fehérje egy speciális típusa, amely hidrogén-protonokat távolít el az intracelluláris terekből, cserébe a nátriumionok sejtbe jutásáért. A protonok eltávolítása akkor aktiválódik, amikor a sejt pH-ja csökken.

A nátriumcserélő csatornákat alkotó fehérjék szintézisét öt gén szabályozza, ezek a NAH1-NAH5.

Kálium csatornák

Vannak feszültségfüggő és feszültségérzéketlen káliumcsatornák. Ez utóbbiak között megkülönböztetik a passzív, ligandumfüggő és más típusú káliumcsatornákat. A káliumcsatornák általában ugyanazon sejtek és szövetek membránjában találhatók, amelyek nátriumcsatornákat tartalmaznak. Ezen ioncsatornák elrendezésének ilyen párhuzamosságának egyik oka, hogy a Na+ és K+ ionok a legfontosabb kationok, amelyek eloszlásának és mozgásának jellege meghatározza az elektromos potenciálok kialakulását és változását, mint az egyik legfontosabb formát. az információs jelek átvitele a szervezetben.

A kálium-ioncsatornáknak egy egész szupercsaládja létezik, amelyek szerkezeti sajátosságok, lokalizáció és a csatornák tulajdonságai szerint külön családokra, típusokra és altípusokra oszlanak. Több mint három tucat káliumcsatornát írtak le, ezek jellemzőit nem lehet részletesen megadni. Ezért példaként az ioncsatornák azon családjait és típusait ismertetjük, amelyek elsősorban az ideg- és izomfolyamatok jelátviteli pályáihoz és szabályozási mechanizmusaihoz kapcsolódnak.

Passzív kálium csatornák

Ismeretes, hogy nyugalmi állapotban az ingerelhető sejtek membránja viszonylag permeábilis a K-ionok számára, és rosszul áteresztő a Na+-ionok számára. Mivel a transzmembrán elektromos áramok hordozói ionok, a sejtmembránon átfolyó elektromos áram mérésével meg lehet ítélni az ioncsatornák állapotát. Kiderült, hogy a K-ionok sejtből a koncentrációgradiens mentén történő diffúziója által okozott transzmembrán elektromos áram körülbelül két pikoamper, pulzáló jellegű, a pulzáció átlagos időtartama pedig több milliszekundum. Ebből a megfigyelésből arra a következtetésre jutottak, hogy a nyugvó sejtben a káliumcsatornák spontán megnyílhatnak és bezáródnak, megteremtve a feltételeket a K-ionok rajtuk keresztül történő diffúziójához a sejtből, és a membránon nyugalmi potenciál kialakulásához.

Feszültségfüggő káliumcsatornák

A feszültségfüggő káliumcsatornák létezése az ingerelhető szövetek sejtmembránjában azután vált ismertté, hogy kiderült, hogy aktivációs kinetikájuk eltér a feszültségfüggő nátriumcsatornákétól, ráadásul más blokkolók szelektíven blokkolják őket. A káliumcsatornák ugyanúgy aktiválódnak, mint a nátriumcsatornák, amikor a sejtmembrán kritikus szintre depolarizálódik, ugyanakkor a K+ ionok sejtből való kilépési sebessége sokkal lassabban növekszik, mint a Na+ belépési sebessége. ionok a sejtbe.

A káliumcsatorna szelektív szűrője a pórusszáj belső oldalán található, ellentétben a nátriumcsatornákban lévő hasonló szűrő külső helyével (7. ábra). Ezen csatornák szelektivitása a Na+- és K+-kationokkal, valamint a különböző specifikus blokkolókkal – a tetrodotoxinnal (nátriumra) és a tetraetilammóniummal (káliumra) – utal e csatornák eltérő szerkezetére.

A feszültségfüggő káliumcsatornák tetramerek, és négy alegységből állnak, amelyek egy pórust alkotnak a központban.

A feszültségfüggő káliumcsatornák mind az ingerelhető, mind a nem gerjeszthető sejtek membránjában lokalizálódnak. Fontos szerepet játszanak a membránpotenciál visszanyerésének (repolarizációjának) sebességében annak depolarizációja után, és ezáltal az akciós potenciálok alakjának és gyakoriságának szabályozásában. A lassú káliumcsatornákat a traetilammónium, a 4-amino-piridin, a fenciklidin és a 9-amino-akridin blokkolja.

Rizs. 7. Káliumcsatorna: a - bal - az a-alegység kétdimenziós szerkezete; a jobb oldalon a csatorna diagramja látható; b — a citoplazma membrán káliumcsatornáinak elektrondiffrakciós diagramja.

A lassú káliumcsatornák mellett leírtak gyors feszültségfüggő káliumcsatornákat, amelyek nyitási kinetikája hasonló a gyors feszültségfüggő nátriumcsatornákéhoz. Ezek a káliumcsatornák a depolarizáció hatására gyorsan megnyílnak, majd teljesen inaktiválódnak, és reaktiválásukhoz nemcsak a membrán repolarizációja, hanem egy ideig hiperpolarizáció is szükséges.

A csatornaképző molekulák szintézisét és összeállítását kódoló gének nevének megfelelően hat KCN típust különböztetünk meg KCN A, B, C, E altípusokkal és egy KCNQ ioncsatorna családot. Az utóbbi család csatornái a szívizomban expresszálódnak.

Ligand-kapuzott káliumcsatornák

Számos csatorna képviseli őket, amelyek érzékenyek a különböző ligandumok hatására.

A számos ligandumfüggő káliumcsatorna egyik típusa a muszkarin-érzékeny acetilkolin receptorhoz kapcsolódó csatorna. Ezeket a csatornákat az acetilkolin aktiválja. A csatornákat bradikinin és báriumionok blokkolhatják. Ezeknek a csatornáknak két altípusa van: a muszkarin által inaktivált és az általa aktivált csatorna. Ez utóbbi a szív pacemaker sejtjeiben lokalizálódik.

A ligandumfüggő káliumcsatorna tulajdonságait nem szelektív feszültségfüggetlen kationcsatornák birtokolják, amelyek egyesítik a neuromuszkuláris szinapszis posztszinaptikus membránjának csatornáinak és nikotinérzékeny acetilkolin receptorainak jellemzőit. Amikor a csatornaképző fehérje kölcsönhatásba lép az acetilkolinnal, ez a nem szelektív csatorna megnyílik, amelyen keresztül a Na+-ionok az izomsejtbe jutnak, a K-ionok pedig kilépnek onnan. Ezen ionok eltérő mozgási sebessége biztosítja a posztszinaptikus membrán depolarizálódását, amely nem közvetlenül ezen a membránon fejlődik akciós potenciállá.

Az ATP-re érzékeny káliumcsatornákat azonosítottak, amelyeket az ATP hatása gátol és aktivál.

A káliumcsatornák külön családját az úgynevezett bemeneti egyenirányító káliumcsatornák (gate) vagy bemeneti egyenirányítók alkotják. (befeléhelyreigazítása; befeléegyenirányító). Az egyenirányító káliumcsatorna kapumechanizmusban nincs feszültségérzékelő. E csatornák funkcionális jelentősége a pacemaker sejtek, izomsejtek és neuronok ingerlékenységére gyakorolt ​​hatásukban rejlik.

A rektifikáló bejövő káliumcsatornák családja az azokat kódoló gének neve szerint több mint 15 típusra oszlik. A bemeneti káliumcsatornák, és különösen a KCNJ 3-as, 5-ös, 6-os és 9-es (egy másik elnevezése Kir csatornák) egyenirányításának sajátos jelentőségére példa lehet a szívritmus szabályozásában betöltött sajátos szerepük azáltal, hogy ezeket a csatornákat kapcsolják össze a G-vel. a sejtek fehérje- és muszkarinérzékeny acetilkolin receptorai - szívritmus-szabályozók.

A feszültségre nem érzékeny nátrium-aktivált káliumcsatornák ismertek.

Leírják a pH változására érzékeny, speciális feszültségérzéketlen káliumcsatornákat, amelyek a hasnyálmirigy-szigetek β-sejtjeiben jelen vannak, és bennük glükózszenzorként működnek. A káliumcsatornákról is ismert, hogy érzékenyek a sejttérfogat változásaira.

Kalcium csatornák

A kalciumcsatorna család széles körben képviselteti magát az ideg- és izomszövet sejtjeiben. Lokalizációjuk fő helyei az izmok szarkoplazmatikus és endoplazmatikus retikulumának preszinaptikus terminálisainak membránjai, a kardiomiociták szarkolemmái és más szövetek sejtjeinek membránjai.

A permeabilitás szabályozásának módszerei alapján a kalciumcsatornákat feszültségfüggő, passzív, ligandfüggő, mechanoszenzitív stb.

A kalciumcsatornákat az inaktiválás mértéke szerint T-típusú csatornákra osztják ( átmeneti- átmeneti), L-típusú (lassú). A szöveti hovatartozástól és a toxinokra való érzékenységtől függően B-típusú csatornákat különböztetünk meg (agy- agy), N-típusú (neuronális- neuronális), P-típusú (purkinjesejt- Purkinje sejt) és R-típusú (toxinoknak ellenálló).

Feszültségfüggő kalciumcsatornák

Ezeket egy oligomer fehérje képezi, amely általában öt a1, a2, β, y és δ alegységből áll. Magát az ioncsatornát az α-alegység alkotja, amely aminosav-összetételében és szerkezetében nagymértékben hasonlít a feszültségfüggő nátrium- és káliumcsatornák hasonló alegységéhez (lásd 6. ábra, 7. ábra).

A feszültségfüggő kalciumcsatorna szelektíven permeábilis a Ca 2+ -ionok számára. A szelektivitást egy szelektív szűrőt képező pórus jelenléte biztosítja.

Itt az idő Az a 1 alegység szegmensei alkotják, ezért, tekintve, hogy szerkezete hasonló a monovalens kationcsatornákhoz, elvárható, hogy a kalciumcsatorna permeábilis legyen a Na+ és K+ ionok számára. Ez a tulajdonság valójában akkor következik be, amikor a kalciumot eltávolítják az extracelluláris környezetből.

Természetes körülmények között a csatornában a kalcium-szelektivitást két kalciumkötő hely jelenléte biztosítja a csatorna pórusában. Az egyiket glutamátmaradékok csoportja alkotja, és alacsony kalciumkoncentrációnál erősen kötődik a csatorna pórusának ezen helyéhez, és a kalciumcsatorna gyengén áteresztővé válik. A kalciumkoncentráció növekedésével növekszik annak a valószínűsége, hogy a kalcium egy második kötőhelyet foglal el; a keletkező elektrosztatikus taszító erők a Ca 2+ -ionok között nagymértékben csökkentik az ionok tartózkodási idejét a kötési helyeken. A felszabaduló kalcium az aktivált csatornán keresztül elektrokémiai gradiens mentén diffundál a sejtbe.

A feszültségfüggő kalciumcsatornák a potenciálkülönbség-eltolódások küszöbértékeiben különböznek, amelyeknél aktiválódnak. A T-típusú csatornákat a membránon lévő kis feszültségeltolódások aktiválják, az L- és P-típusokat magas feszültségeltolódási küszöbök jellemzik, amelyek aktiválódásukat okozzák.

A feszültségfüggő kalciumcsatornák számos létfontosságú folyamatban játszanak fontos szerepet a szervezetben. Aktiválásuk és a kalcium bejutása a preszinaptikus terminálisba szükséges a szinaptikus jelátvitelhez.

A kalcium kalciumcsatornákon keresztül a pacemaker sejtbe való bejutása szükséges ahhoz, hogy akciós potenciálokat generáljon a szív pacemaker sejtjeiben, és biztosítsa annak ritmikus összehúzódását. A feszültségfüggő kalciumcsatornák szabályozzák a kalcium áramlását a szívizom rostok szarkoplazmájába, a vázizmokba, az erek és a belső szervek sima myocytáiba, szabályozva ezek összehúzódásának megindulását, sebességét, erejét, időtartamát és ezáltal a mozgást, a szívizom pumpáló funkcióját. szív, vérnyomás, légzés és sok más folyamat a szervezetben.

Passzív kalcium csatornák

A sima myocyták citoplazmatikus membránjában található. Nyugalmi állapotban átjárhatóak a kalcium számára, és a kalcium a K+ és Na+ ionokkal együtt részt vesz a sima myocyták transzmembrán potenciálkülönbségének vagy nyugalmi potenciáljának kialakításában. Az ezeken a csatornákon keresztül a sima myocytákba bejutó kalcium az endoplazmatikus retikulum tartalékainak pótlásának forrása, és másodlagos hírvivőként használják az intracelluláris jelek továbbításában.

A nyugvó kalcium a réscsatlakozó csatornákon keresztül sejtről sejtre mozoghat. Ezek a csatornák nem szelektívek a kalciumra, és egyidejűleg más ionok és kis molekulatömegű szerves anyagok sejtközi cseréje is megtörténhet rajtuk. A gap junction csatornákon keresztül a sejtekbe jutó kalcium fontos szerepet játszik a gerjesztés fellépésében, a szívizom, a méh, a belső szervek záróizom összehúzódásainak kiváltásában és szinkronizálásában, valamint az érrendszeri tónus fenntartásában.

Ligand-kapuzott kalciumcsatornák

A szívizom- és simaizom-összehúzódások kiváltásának és szabályozásának mechanizmusait vizsgálva kiderült, hogy ezek mind az extracelluláris környezetből, mind annak intracelluláris készleteiből a szívizomsejtek kalciumellátásától függenek. Ebben az esetben a kalcium szarkoplazmába való bejutása a szarkolemmán lévő potenciálkülönbség változásával és a feszültségfüggő kalciumcsatornák aktiválásával és (vagy) számos jelzőmolekula hatásával szabályozható a szarkoplazmatikus retikulum membránon. .

A ligandumfüggő kalciumcsatornák a sima myociták citoplazmatikus membránjában találhatók. Receptoraik ligandumai lehetnek hormonok: vazopresszin, oxitocin, adrenalin; neurotranszmitter noradrenalin; jelzőmolekulák: angiotenzin 2, endothelium 1 és egyéb anyagok. A ligandum receptorhoz való kötődését a kalciumcsatorna aktiválása és a kalcium sejten kívüli környezetből történő bejutása kíséri.

A szívizomsejtekben az izomösszehúzódás megindításához kezdetben a T-típusú, majd az L-típusú feszültségfüggő kalciumcsatornák aktiválása szükséges, amelyek megnyitása biztosítja bizonyos mennyiségű Ca 2+ -ion bejutását a sejtbe. . A sejtbe jutó kalcium aktiválja a rianodin receptort (RYR), a szívizomsejtek szarkoplazmatikus retikulumának membránjába ágyazott csatornaképző fehérjét. A csatorna aktiválódása következtében megnő a kalcium permeabilitása, és az utóbbi a koncentráció gradiens mentén a szarkoplazmába diffundál. Így a Ca 2+ -ionok egyfajta ligandumként működnek, amelyek aktiválják a rianodin receptorokat és ezáltal a kalciumcsatornákat. Ennek eredményeként a sejtbe belépő extracelluláris kalcium kiváltója a kalcium felszabadulásának a fő intracelluláris tárolójából.

A kalciumcsatornák egyidejűleg érzékenyek lehetnek a citoplazma membránon átívelő potenciálkülönbségek változásaira és a ligandumok működésére. Például az L-típusú feszültségfüggő kalciumcsatornák érzékenyek a dihidropiridinre (nifedipin), a fenil-alkil-aminokra (verapamil) és a benzotiazepinekre (diltiazem). Ezt a csatornát gyakran dihidropiridin receptornak nevezik. Ez a név azt sugallja, hogy az L-kalcium csatorna ligandumfüggő, bár a valóságban ez egy feszültségfüggő csatorna.

A P-típusú csatornák rezisztensek a konogoxinok és olyan gyógyszerek hatására, amelyekre más típusú kalciumcsatornák érzékenyek.

A feszültségfüggő kalciumcsatornák α1 alegységeinek funkcionális tulajdonságai foszforilációjukkal módosíthatók, így például a szívizom kalciumcsatornáinak ionpermeabilitásának állapota szabályozható.

A ligandumfüggő kalciumioncsatornák egy speciális típusa a simaizomsejtek endoplazmatikus retikulumának membránjaiban lokalizált csatornák, amelyek permeabilitási állapotát a másodlagos hírvivő, az IPG intracelluláris szintje szabályozza. Példaként ezeket a csatornákat használva találkozunk olyan esettel, amikor egy extracelluláris jelátviteli molekula-agonista a cél simaizomsejt plazmamembránjának receptorát aktiválva bekapcsolja az intracelluláris jelátvitel inozit-foszfát útvonalát, ami viszont a Az IPE hatására aktiválódik a következő csatornaképző fehérje a sejtszervecskék membránjában. A jelátviteli eseményeknek ez a teljes láncolata az intracelluláris raktárakból Ca 2+ -ionok felszabadulásával ér véget, amelyek beindítják és szabályozzák a simaizomsejtek összehúzódásának molekuláris mechanizmusát.

Mechanikailag érzékeny kalciumcsatornák

Az erek falának sima miocitáinak plazmamembránjában, a belső szervek myoitisében, a vaszkuláris endotéliumban és a hörgőhámban lokalizálódnak. Ezek a csatornák glikoprotein mechanoreceptorokhoz kapcsolódhatnak. A mechanikai igénybevételre (például az érfal vérnyomás általi megnyúlására) reagálva a Ca 2+ -ionok permeabilitása megnő. A mechanikusan érzékeny csatornák nem rendelkeznek nagy szelektivitással, és egyidejűleg számos kation esetében megváltoztatják permeabilitásukat. A kalcium és a nátrium bejutása a simaizomsejtekbe a membrán depolarizálódását, a feszültségfüggő kalciumcsatornák megnyitását, a kalcium bejutásának növekedését és a sima izomsejtek összehúzódását okozza.

Ezek az események az erek tónusának és a véráramlás szabályozásának az edényben lévő vérnyomás és a véráramlás sebességének változásához való alkalmazkodási mechanizmusának részét képezik (miogén szabályozás). Emellett a mechanoszenzitív kalciumcsatornák részt vesznek a vaszkuláris stressz-relaxációs mechanizmusok megvalósításában a tartós vérnyomás-emelkedés során.

Klór csatornák

A kloridcsatornák a legtöbb sejt plazmamembránjában jelen vannak. Fontos szerepet játszanak a transzmembrán potenciálkülönbség fenntartásában egy nyugvó sejtben és eltolódásukban, amikor a sejtek funkcionális aktivitása megváltozik. A kloridcsatornák részt vesznek a sejttérfogat szabályozásában, az anyagok transzepiteliális transzportjában és a szekréciós sejtek folyadékkiválasztásában.

Az aktiválási mechanizmusoknak megfelelően a klórcsatornáknak három szupercsaládját különböztetjük meg: feszültségfüggő, ligandumkapuzott és egyéb feszültségérzékeny klórcsatornákat.

Potenciális függő klórcsatornák. Az ingerlékeny és epiteliális sejtek membránjában lokalizálódik. Ezen csatornák permeabilitási állapotát a transzmembrán potenciálkülönbség nagysága szabályozza.

A kloridcsatornák potenciálfüggő permeabilitása a különböző szövetekben eltérő. Így az axonmembránban a kloridcsatornák permeabilitásának függése a potenciálkülönbségtől elenyésző, és nem befolyásolja jelentősen az akciós potenciál nagyságának változását a gerjesztés során, illetve a vázizmokban a klórcsatornák permeabilitásának ezt a függését. magasabb.

A CLC1 csatorna a vázizom szarkolemális izomrostjának kloridcsatornáinak tipikus képviselője. A csatorna permeabilitást mutat a transzmembrán feszültség változásának teljes tartományában nyugalmi állapotban, depolarizáció esetén aktiválódik, és membrán hiperpolarizációja esetén inaktiválódik.

Ligand-kapuzott klorid csatornák. Elsősorban idegszövetben fejeződik ki. Ezeknek a kloridcsatornáknak a permeabilitási állapotát elsősorban az extracelluláris ligandumok szabályozzák, de érzékenyek lehetnek az intracelluláris kalciumkoncentrációra, valamint a G fehérjék és a cAMP aktiválják őket. Az ilyen típusú csatornák széles körben elterjedtek a posztszinaptikus membránokban, és posztszinaptikus gátlásra használják. A csatorna permeabilitásának állapotát a csatornák ligandummal - gátló neurotranszmitterekkel (γ-aminovajsav és glicin) történő aktiválásával szabályozzák.

Feszültségérzéketlen klórcsatornák. Passzív klorid csatornákat, ATP-érzékeny csatornákat és intersticiális fibrózis transzmembrán konduktancia szabályozót tartalmaz (cisztásfibrózistranszmembránvezetőképességszabályozó- CFTR).

A CFTR nyilvánvalóan magából a klórcsatornából és egy szabályozó csatornából áll, amelyet egy speciális szabályozó tartomány (P-domén) képvisel. Ezen csatornák ionvezetésének szabályozása a szabályozó domén cAMP-függő protein kináz általi foszforilációjával történik. Ennek a csatornának a szerkezetének és működésének megsértése súlyos betegség kialakulásához vezet, amelyet számos szövet diszfunkciója kísér - intersticiális fibrózis.

Aquaporinok

Aquaporinok(a lat. aqua- víz, görög porus- csatorna, pórus) - fehérjék, amelyek vízcsatornákat képeznek és biztosítják a transzmembrán vízszállítást. Az akvaporinok integrált, tetramer membránfehérjék, amelyek monomerének tömege körülbelül 30 kDa. Így minden akvaporin négy vízcsatornát képez (8. ábra).

Ezen csatornák különlegessége, hogy a bennük lévő vízmolekulák izozmotikus körülmények között tudnak mozogni, pl. amikor nem hatnak rájuk az ozmotikus gradiens erői. Az AQP rövidítést az akvaporinokra használják. Az akvaporinok számos típusát izolálták és leírták: AQP1 - a proximális vesetubulusok hámhártyájában, a Henle-hurok leszálló végtagjában; az endotélium membránjaiban és az erek sima myocytáiban, az üvegtest szerkezeteiben; AQP2 - a gyűjtőcsatornák epitéliumának membránjaiban. Erről az akvaporinról kiderült, hogy érzékeny az antidiuretikus hormon hatására, és ennek alapján ligandumfüggő vízcsatornának tekinthető. Ennek az akvaporinnak a szintézisét szabályozó gén expresszióját antidiuretikus hormon szabályozza; Az AQP3 a szaruhártya sejtek membránjában található; AQP4 - az agysejtekben.

Rizs. 8. Az AQP1 vízcsatorna felépítése: a - a csatornát alkotó peptidláncok; b — összeállított csatorna: A, B, C, D, E — a fehérjelánc szakaszai

Kiderült, hogy az AQP1 és az AQP4 fontos szerepet játszik a cerebrospinális folyadék képződésében és keringésében. Az akvaporinok a gyomor-bél traktus hámjában találhatók: AQP4 - a gyomorban és a vékonybélben; AQP5 - a nyálmirigyekben; AQP6 - a vékonybélben és a hasnyálmirigyben; AQP7 - a vékonybélben; AQP8, AQP9 - a májban. Egyes akvaporinok nemcsak a vízmolekulákat, hanem a benne oldódó szerves anyagokat (oxigén, glicerin, karbamid) is szállítják. Az akvaporinok tehát fontos szerepet játszanak a szervezet vízanyagcseréjében, működésük zavara lehet az egyik oka az agy- és tüdőödéma kialakulásának, valamint a vese- és szívelégtelenség kialakulásának.

A membránokon keresztül történő iontranszport mechanizmusainak és a transzport befolyásolásának módszereinek ismerete nélkülözhetetlen feltétele nemcsak a létfontosságú funkciók szabályozási mechanizmusainak megértéséhez, hanem számos betegség (hipertónia) kezelésében a megfelelő gyógyszerek kiválasztásához is. , bronchiális asztma, szívritmuszavarok, víz-sócsere zavarok stb.).

A szervezetben zajló fiziológiai folyamatok szabályozási mechanizmusainak megértéséhez nemcsak a sejtmembránok szerkezetét és permeabilitását kell ismerni a különböző anyagok számára, hanem a különféle anyagok vére és szövetei között elhelyezkedő összetettebb szerkezeti képződmények szerkezetét és permeabilitását is. szervek.

Top

		1 teljesen nem értek egyet	2 nem ért egyet	3 Nem tudom	4 egyetértek	5 teljesen egyetértek
	Ez a tevékenység fejlesztette problémamegoldó képességemet.
	A lecke sikeres befejezéséhez csak egy jó emlékre volt szükségem.
	Ez a tevékenység fejlesztette a csapatmunkára való képességemet.
	Ez a tevékenység javította az elemző készségemet.
	Ez a lecke javította az íráskészségemet.
	Az óra megkövetelte az anyag mély megértését.