Membraniniai baltymai kaip jonų kanalai. Atrankiniai ir neselektyvūs kanalai

Jonų kanalai atstovaujama integruotų membranų baltymų. Šie baltymai, veikiami tam tikros įtakos, gali pakeisti savo konformaciją (formą ir savybes) taip, kad atsidarytų arba užsidarytų poros, pro kurias gali praeiti bet kuris jonas. Yra žinomi natrio, kalio, kalcio ir chloro kanalai, kartais kanalas gali praleisti du jonus, pavyzdžiui, yra žinomi natrio-kalcio kanalai. Jonų kanalais vyksta tik pasyvus jonų pernešimas. Tai reiškia, kad tam, kad jonas judėtų, reikalingas ne tik atviras kanalas, bet ir to jono koncentracijos gradientas. Tokiu atveju jonas judės koncentracijos gradientu – iš didesnės koncentracijos srities į žemesnės koncentracijos sritį. Reikia atsiminti, kad kalbame apie jonus – įkrautas daleles, kurių pernešimą taip pat lemia krūvis. Galimos situacijos, kai judėjimas koncentracijos gradientu gali būti nukreiptas viena kryptimi, o esami krūviai neutralizuoja šį perdavimą.

Jonų kanalai turi dvi svarbias savybes: 1) selektyvumas (selektyvumas) tam tikrų jonų atžvilgiu ir 2) galimybė atidaryti (aktyvuoti) ir uždaryti. Įjungus, kanalas atsidaro ir pro jį praeina jonai (8 pav.). Taigi, integralinių baltymų, sudarančių kanalą, kompleksas būtinai turi apimti du elementus: struktūras, kurios atpažįsta „savo“ joną ir gali jį praleisti, ir struktūras, kurios leidžia žinoti, kada praleisti šį joną. Kanalo selektyvumą lemia jį sudarantys baltymai „savas“ jonas atpažįstamas pagal jo dydį ir krūvį.

Kanalo aktyvinimas galima keliais būdais. Pirma, pasikeitus membranos potencialui, kanalai gali atsidaryti ir užsidaryti. Pasikeitus krūviui, pasikeičia baltymų molekulių konformacija, o kanalas tampa pralaidus jonui. Norint pakeisti kanalo savybes, pakanka nedidelio membranos potencialo svyravimo. Tokie kanalai vadinami priklauso nuo įtampos(arba valdomas elektra). Antra, kanalai gali būti sudėtingo baltymų komplekso, vadinamo membraniniu receptoriumi, dalis. Šiuo atveju kanalo savybių pasikeitimą sukelia baltymų konformacinis persitvarkymas, atsirandantis dėl receptorių sąveikos su biologiškai aktyvia medžiaga (hormonu, mediatoriumi). Tokie kanalai vadinami chemopriklausomas(arba su receptoriais ) . Be to, kanalai gali atsidaryti veikiant mechaniniam poveikiui – spaudimui, tempimui (9 pav.). Mechanizmas, kuris suteikia aktyvavimą, vadinamas kanalų blokavimu. Pagal kanalų atidarymo ir uždarymo greitį juos galima suskirstyti į greitus ir lėtus.

Dauguma kanalų (kalio, kalcio, chlorido) gali būti dviejų būsenų: atvirų ir uždarų. Yra keletas natrio kanalų veikimo ypatumų. Šie kanalai, tokie kaip kalis, kalcis ir chloridas, paprastai būna atviri arba uždari, tačiau natrio kanalas taip pat gali būti inaktyvuotas, tai yra būsena, kai kanalas yra uždarytas ir negali būti atidarytas jokiu būdu. 10 pav.).

8 pav. Jonų kanalų būsenos

9 pav. Receptoriaus valdomo kanalo pavyzdys. ACh – acetilcholinas. ACh molekulės sąveika su membranos receptoriumi pakeičia vartų baltymo konformaciją taip, kad kanalas pradeda leisti jonus.

10 pav. Nuo potencialo priklausomo kanalo pavyzdys

Įtampa reguliuojamas natrio kanalas turi įjungimo ir inaktyvavimo vartus (vartelius). Aktyvinimo ir inaktyvavimo vartai keičia konformaciją esant skirtingiems membranos potencialams.

Nagrinėdami sužadinimo mechanizmus daugiausiai domėsimės natrio ir kalio kanalų darbu, tačiau trumpai apsistokime ties kalcio kanalų ypatumais, jų mums prireiks ateityje. Natrio ir kalcio kanalai skiriasi savo savybėmis. Natrio kanalai yra greiti ir lėti, o kalcio kanalai yra tik lėti. Natrio kanalų aktyvinimas sukelia tik depoliarizaciją, o kalcio kanalų aktyvavimas gali papildomai sukelti metabolinius pokyčius ląstelėje. Šie pokyčiai atsiranda dėl to, kad kalcis jungiasi su specialiais šiam jonui jautriais baltymais. Su kalciu susijungęs baltymas pakeičia savo savybes taip, kad tampa pajėgus pakeisti kitų baltymų savybes, pavyzdžiui, suaktyvinti fermentus, sukelti raumenų susitraukimą ir išlaisvinti mediatorius.

Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, biologinės membranos sudaro išorinį visų gyvūnų ląstelių apvalkalą ir sudaro daugybę tarpląstelinių organelių. Būdingiausias struktūrinis bruožas yra tai, kad membranos visada sudaro uždaras erdves, o tokia mikrostruktūrinė membranų struktūra leidžia joms atlikti esmines funkcijas.

Ląstelių membranų sandara ir funkcijos.

1. Barjerinė funkcija išreiškiama tuo, kad membrana atitinkamų mechanizmų pagalba dalyvauja kuriant koncentracijos gradientus, užkertant kelią laisvai difuzijai. Šiuo atveju membrana dalyvauja elektrogenezės mechanizmuose. Tai apima ramybės potencialo kūrimo mechanizmus, veikimo potencialo generavimą, bioelektrinių impulsų sklidimo vienarūšėse ir nevienalytėse jaudinamose struktūrose mechanizmus.

2. Ląstelės membranos reguliavimo funkcija yra smulkus tarpląstelinio turinio ir tarpląstelinių reakcijų reguliavimas dėl ekstraląstelinių biologiškai aktyvių medžiagų priėmimo, o tai lemia membranos fermentų sistemų aktyvumo pokyčius ir antrinių pasiuntiniai“ („tarpininkai“).

3. Neelektrinio pobūdžio išorinių dirgiklių pavertimas elektriniais signalais (receptoriuose).

4. Neurotransmiterių išsiskyrimas sinapsinėse galūnėse.

Šiuolaikiniai elektroninės mikroskopijos metodai nustatė ląstelių membranų storį (6-12 nm). Cheminė analizė parodė, kad membranas daugiausia sudaro lipidai ir baltymai, kurių kiekis skiriasi įvairiuose ląstelių tipuose. Ląstelių membranų funkcionavimo molekulinių mechanizmų tyrimo sunkumai kyla dėl to, kad izoliuojant ir valant ląstelių membranas sutrinka normalus jų funkcionavimas. Šiuo metu galime kalbėti apie kelių tipų ląstelių membranų modelius, tarp kurių labiausiai paplitęs skystos mozaikos modelis.

Pagal šį modelį membraną vaizduoja dvisluoksnis fosfolipidų molekulių sluoksnis, orientuotas taip, kad hidrofobiniai molekulių galai būtų dvisluoksnio viduje, o hidrofiliniai galai būtų nukreipti į vandeninę fazę. Ši struktūra idealiai tinka dviejų fazių – ekstraląstelinės ir tarpląstelinės – atskyrimui formuoti.

Rutuliniai baltymai yra integruoti į fosfolipidų dvisluoksnį sluoksnį, kurio poliarinės sritys sudaro hidrofilinį paviršių vandeninėje fazėje. Šie integruoti baltymai atlieka įvairias funkcijas, įskaitant receptorius, fermentinius, formuoja jonų kanalus, yra membraniniai siurbliai ir jonų bei molekulių transporteriai.

Kai kurios baltymų molekulės laisvai difunduoja lipidų sluoksnio plokštumoje; normalioje būsenoje skirtingose ​​ląstelės membranos pusėse atsirandančios baltymų molekulių dalys savo padėties nekeičia.

Membranų elektrinės charakteristikos:

Talpines savybes daugiausia lemia fosfolipidų dvisluoksnis sluoksnis, kuris yra nepralaidus hidratuotiems jonams ir tuo pačiu pakankamai plonas (apie 5 nm), kad būtų galima efektyviai atskirti ir kaupti krūvius bei elektrostatinę katijonų ir anijonų sąveiką. Be to, talpinės ląstelių membranų savybės yra viena iš priežasčių, lemiančių elektrinių procesų, vykstančių ląstelių membranose, laiko charakteristikas.

Laidumas (g) yra elektrinės varžos grįžtamasis dydis ir yra lygus tam tikro jono bendros transmembraninės srovės ir vertės, kuri nulėmė jo transmembraninio potencialo skirtumą, santykiui.

Pro fosfolipidų dvisluoksnį sluoksnį gali difunduoti įvairios medžiagos, o pralaidumo laipsnis (P), t.y. ląstelės membranos gebėjimas praleisti šias medžiagas, priklauso nuo difuzuojančios medžiagos koncentracijų skirtumo abiejose membranos pusėse, jos tirpumo. lipiduose ir ląstelės membranos savybėse.

Membranos laidumas yra jos joninio pralaidumo matas. Padidėjęs laidumas rodo per membraną praeinančių jonų skaičiaus padidėjimą.

Jonų kanalų sandara ir funkcijos. Na+, K+, Ca2+, Cl- jonai prasiskverbia į ląstelę ir išeina specialiais skysčio pripildytais kanalais. Kanalo dydis yra gana mažas.

Visi jonų kanalai skirstomi į šias grupes:

1. Pagal selektyvumą:

a) Atrankinis, t.y. specifinis. Šie kanalai yra pralaidūs griežtai apibrėžtiems jonams.

b) Mažai selektyvus, nespecifinis, be specifinio jonų selektyvumo. Membranoje jų yra nedaug.

1. Pagal perėjusių jonų pobūdį:

a) kalio

b) natrio

c) kalcio

d) chloras

1. Pagal inaktyvavimo greitį, t.y. uždarymas:

a) greitai inaktyvuoja, t.y. greitai virsta uždara būsena. Jie užtikrina sparčiai didėjantį MP sumažėjimą ir taip pat greitą atsigavimą.

b) lėto veikimo. Jų atidarymas sukelia lėtą MP mažėjimą ir lėtą jo atsigavimą.

4. Pagal atidarymo mechanizmus:

a) priklausomas nuo potencialo, t.y. tie, kurie atsidaro esant tam tikram membranos potencialo lygiui.

b) priklausomas nuo chemoterapijos, atsidaro, kai ląstelės membranos chemoreceptoriai veikia fiziologiškai aktyvias medžiagas (neurotransmiterius, hormonus ir kt.).

Dabar nustatyta, kad jonų kanalai turi tokią struktūrą:

1.Atrankinis filtras, esantis kanalo angoje. Jis užtikrina griežtai apibrėžtų jonų praėjimą per kanalą.

2. Aktyvinimo vartai, kurie atsidaro esant tam tikram membranos potencialo lygiui arba veikiant atitinkamam PAS. Nuo potencialo priklausomų kanalų aktyvinimo vartai turi jutiklį, kuris juos atidaro tam tikru MP lygiu.

3. Inaktyvavimo vartai, užtikrinantys kanalo uždarymą ir jonų srauto per kanalą nutraukimą esant tam tikram MP lygiui (pav.).

Nespecifiniai jonų kanalai neturi vartų.

Atrankiniai jonų kanalai gali būti trijų būsenų, kurias lemia aktyvavimo (m) ir inaktyvavimo (h) vartų padėtis:

1.Uždaryta, kai uždaromi aktyvavimo, o atidaromi inaktyvavimo.

2. Aktyvuota, abu vartai atidaryti.

3. Išjungta, aktyvinimo vartai yra atidaryti, o inaktyvavimo vartai yra uždaryti

Jonų kanalų funkcijos:

1. Kalis (ramybės būsenoje) – ramybės potencialo generavimas

2. Natris – veikimo potencialo generavimas

3. Kalcis – lėto veikimo generavimas

4. Kalis (uždelsta rektifikacija) – užtikrina repoliarizaciją

5. Kalio kalcio aktyvuotas – ribojanti depoliarizaciją, kurią sukelia Ca+2 srovė

Jonų kanalų funkcija tiriama įvairiais būdais. Labiausiai paplitęs metodas yra įtampos spaustukas arba "įtampos gnybtas". Metodo esmė ta, kad specialių elektroninių sistemų pagalba eksperimento metu pakeičiamas ir fiksuojamas tam tikrame lygyje membranos potencialas. Šiuo atveju matuojamas jonų srovės, tekančios per membraną, dydis. Jei potencialų skirtumas yra pastovus, tada pagal Ohmo dėsnį srovės dydis yra proporcingas jonų kanalų laidumui. Reaguojant į laipsnišką depoliarizaciją, atsidaro tam tikri kanalai ir atitinkami jonai patenka į ląstelę pagal elektrocheminį gradientą, t.y., atsiranda jonų srovė, kuri depoliarizuoja ląstelę. Šį pokytį aptinka valdymo stiprintuvas ir per membraną praleidžiama elektros srovė, vienodo dydžio, bet priešinga membranos jonų srovei. Šiuo atveju transmembraninis potencialų skirtumas nekinta.

Atskirų kanalų funkcijos tyrimas yra įmanomas naudojant vietinio „kelio spaustuko“ potencialo fiksavimo metodą. Stiklinis mikroelektrodas (mikropipetė) užpildomas fiziologiniu tirpalu, prispaudžiamas prie membranos paviršiaus ir sukuriamas nedidelis vakuumas. Šiuo atveju dalis membranos įsiurbiama į mikroelektrodą. Jei siurbimo zonoje atsiranda jonų kanalas, registruojamas vieno kanalo aktyvumas. Kanalo aktyvumo dirginimo ir registravimo sistema mažai skiriasi nuo įtampos registravimo sistemos.

Srovė per vieną jonų kanalą yra stačiakampio formos ir yra vienodos amplitudės skirtingų tipų kanalams. Kanalo buvimo atviroje būsenoje trukmė yra tikimybinė, bet priklauso nuo membranos potencialo vertės. Bendra jonų srovė nustatoma pagal tikimybę, kad tam tikras kanalų skaičius bus atviroje būsenoje kiekvienu konkrečiu laikotarpiu.

Išorinė kanalo dalis yra gana prieinama tirti vidinę dalį kelia didelių sunkumų. P. G. Kostyukas sukūrė intracelulinės dializės metodą, leidžiantį ištirti jonų kanalų įvesties ir išvesties struktūrų funkciją nenaudojant mikroelektrodų. Paaiškėjo, kad jonų kanalo dalis, atvira į tarpląstelinę erdvę, savo funkcinėmis savybėmis skiriasi nuo kanalo dalies, nukreiptos į tarpląstelinę aplinką.

Būtent jonų kanalai suteikia dvi svarbias membranos savybes: selektyvumą ir laidumą.

Kanalo selektyvumą, arba selektyvumą, užtikrina ypatinga baltymų struktūra. Dauguma kanalų yra valdomi elektra, tai yra, jų gebėjimas laiduoti jonus priklauso nuo membranos potencialo dydžio. Kanalas yra nevienalytis savo funkcinėmis savybėmis, ypač atsižvelgiant į baltymų struktūras, esančias prie įėjimo į kanalą ir jo išėjimo (vadinamieji vartų mechanizmai).

Panagrinėkime jonų kanalų veikimo principą naudodami natrio kanalą kaip pavyzdį. Manoma, kad ramybės būsenoje natrio kanalas yra uždarytas. Kai ląstelės membrana depoliarizuojama iki tam tikro lygio, atsidaro m-aktyvacijos vartai (aktyvacija) ir padidėja Na+ jonų srautas į ląstelę. Praėjus kelioms milisekundėms po m-vartų atsidarymo, h-vartai, esantys prie natrio kanalų išėjimo, užsidaro (inaktyvacija). Inaktyvacija ląstelės membranoje vystosi labai greitai, o inaktyvacijos laipsnis priklauso nuo depoliarizuojančio dirgiklio veikimo dydžio ir laiko.

Kai storoje nervinėje skaiduloje susidaro vienas veikimo potencialas, Na+ jonų koncentracijos pokytis vidinėje aplinkoje yra tik 1/100 000 kalmarų milžino aksono vidinio Na+ jonų kiekio.

Ląstelių membranose, be natrio, įrengiami ir kitų tipų kanalai, kurie selektyviai pralaidūs atskiriems jonams: K+, Ca2+, šiems jonams yra įvairių kanalų.

Hodžkinas ir Huxley suformulavo kanalų „nepriklausomybės“ principą, pagal kurį natrio ir kalio srautas per membraną nepriklauso vienas nuo kito.

Skirtingų kanalų laidumo savybės nėra vienodos. Visų pirma, kalio kanalų inaktyvavimo procesas neegzistuoja, kaip ir natrio kanalams. Egzistuoja specialūs kalio kanalai, kurie aktyvuojasi, kai padidėja intraląstelinė kalcio koncentracija ir depoliarizuojasi ląstelės membrana. Nuo kalio ir kalcio priklausomų kanalų aktyvinimas pagreitina repoliarizaciją ir taip atkuria pirminę ramybės potencialo vertę.

Kalcio kanalai yra ypač svarbūs. Įeinanti kalcio srovė paprastai nėra pakankamai didelė, kad normaliai depoliarizuotų ląstelės membraną. Dažniausiai į ląstelę patenkantis kalcis veikia kaip „pasinešėjas“ arba antrinis pasiuntinys. Kalcio kanalų aktyvinimas pasiekiamas depoliarizuojant ląstelės membraną, pavyzdžiui, įeinančia natrio srove.

Kalcio kanalų inaktyvavimo procesas yra gana sudėtingas. Viena vertus, padidėjusi laisvo kalcio koncentracija ląstelėse sukelia kalcio kanalų inaktyvavimą. Kita vertus, ląstelių citoplazmoje esantys baltymai suriša kalcį, o tai leidžia ilgą laiką išlaikyti stabilią kalcio srovę, nors ir žemu lygiu; šiuo atveju natrio srovė visiškai nuslopinama. Kalcio kanalai atlieka esminį vaidmenį širdies ląstelėse. Kardiomiocitų elektrogenezė aptarta 7 skyriuje. Specialiais metodais tiriamos ląstelių membranų elektrofiziologinės charakteristikos.

Visi gyvuose audiniuose esantys kanalai, o dabar žinome kelis šimtus kanalų tipų, gali būti suskirstyti į du pagrindinius tipus. Pirmasis tipas yra poilsio kanalai, kurios spontaniškai atsidaro ir užsidaro be jokios išorinės įtakos. Jie yra svarbūs ramybės membranos potencialo generavimui. Antrasis tipas yra vadinamasis vartų kanalai, arba portalo kanalai(nuo žodžio "vartai") . Ramybės būsenoje šie kanalai yra uždaryti ir gali atsidaryti veikiami tam tikrų dirgiklių. Kai kurie tokių kanalų tipai dalyvauja generuojant veikimo potencialą.

Apibūdinama dauguma jonų kanalų selektyvumas(selektyvumas), tai yra, tik tam tikri jonai praeina tam tikro tipo kanalu. Remiantis šia savybe, išskiriami natrio, kalio, kalcio ir chlorido kanalai. Kanalų selektyvumą lemia poros dydis, jono ir jo hidratacijos apvalkalo dydis, jono krūvis, taip pat kanalo vidinio paviršiaus krūvis. Tačiau yra ir neselektyvių kanalų, kurie vienu metu gali praleisti dviejų tipų jonus: pavyzdžiui, kalio ir natrio. Yra kanalų, kuriais gali praeiti visi jonai ir net didesnės molekulės.

Yra jonų kanalų klasifikacija pagal aktyvavimo būdas(9 pav.). Kai kurie kanalai konkrečiai reaguoja į fizinius neurono ląstelės membranos pokyčius. Ryškiausi šios grupės atstovai yra įtampa įjungiami kanalai. Pavyzdžiui, įtampai jautrūs natrio, kalio ir kalcio jonų kanalai ant membranos, atsakingi už veikimo potencialo susidarymą. Šie kanalai atsidaro esant tam tikram membranos potencialui. Taigi, natrio ir kalio kanalai atsiveria maždaug -60 mV potencialu (vidinis membranos paviršius yra neigiamai įkrautas, palyginti su išoriniu paviršiumi). Kalcio kanalai atsidaro esant -30 mV potencialui. Kanalų grupė, suaktyvinta dėl fizinių pokyčių, apima

9 pav. Jonų kanalų aktyvinimo būdai

(A) Jonų kanalai, suaktyvinti pasikeitus membranos potencialui arba membranos tempimui. (B) Jonų kanalai, aktyvuoti cheminių agentų (ligandų) iš ekstraląstelinės arba tarpląstelinės pusės.

Taip pat mechaniškai jautrūs kanalai kurios reaguoja į mechaninį įtempimą (ląstelės membranos tempimą ar deformaciją). Kita jonų kanalų grupė atsidaro, kai cheminės medžiagos aktyvuoja specialias receptorių surišimo vietas kanalo molekulėje. Toks ligandų aktyvuoti kanalai yra skirstomi į du pogrupius, priklausomai nuo to, ar jų receptorių centrai yra tarpląsteliniai ar tarpląsteliniai. Taip pat vadinami ligandų aktyvuojami kanalai, kurie reaguoja į ekstraląstelinius dirgiklius jonotropiniai receptoriai. Tokie kanalai yra jautrūs siųstuvams ir yra tiesiogiai susiję su informacijos perdavimu sinapsinėse struktūrose. Ligandų aktyvuojami kanalai, aktyvuojami iš citoplazminės pusės, apima kanalus, kurie yra jautrūs specifinių jonų koncentracijos pokyčiams. Pavyzdžiui, kalcio aktyvuoti kalio kanalai aktyvuojami vietiniu būdu padidėjus kalcio koncentracijai ląstelėse. Tokie kanalai atlieka svarbų vaidmenį repoliarizuojant ląstelės membraną veikimo potencialo nutraukimo metu. Be kalcio jonų, tipiški viduląstelinių ligandų atstovai yra cikliniai nukleotidai. Pavyzdžiui, ciklinis GMP yra atsakingas už natrio kanalų aktyvavimą tinklainės lazdelėse. Šio tipo kanalai vaidina pagrindinį vaidmenį vizualinio analizatoriaus veikime. Atskiras kanalo veikimo moduliavimo būdas surišant tarpląstelinį ligandą yra tam tikrų jo baltymo molekulės sekcijų fosforilinimas/defosforilinimas, veikiant tarpląsteliniams fermentams – proteinkinazėms ir baltymų fosfatazėms.

Pateikta kanalų klasifikacija pagal aktyvinimo metodą iš esmės yra savavališka. Kai kuriuos jonų kanalus gali suaktyvinti tik keli dirgikliai. Pavyzdžiui, kalcio aktyvuoti kalio kanalai taip pat jautrūs potencialo pokyčiams, o kai kurie įtampos aktyvuojami jonų kanalai jautrūs viduląsteliniams ligandams.

Jaudinamos membranos modelis pagal Hodžkino-Huxley teoriją prisiima kontroliuojamą jonų pernešimą per membraną. Tačiau tiesioginis jonų perėjimas per lipidų dvisluoksnį sluoksnį yra labai sunkus, todėl jonų srautas būtų mažas.

Tai ir daugelis kitų svarstymų leido manyti, kad membranoje turi būti tam tikrų ypatingų struktūrų – laidžių jonų. Tokios struktūros buvo rastos ir pavadintos jonų kanalais. Panašūs kanalai buvo išskirti iš įvairių objektų: ląstelių plazminės membranos, raumenų ląstelių postsinapsinės membranos ir kitų objektų. Taip pat žinomi jonų kanalai, kuriuos sudaro antibiotikai.

Pagrindinės jonų kanalų savybės:

1) selektyvumas;

2) atskirų kanalų veikimo nepriklausomumas;

3) diskretiškas laidumo pobūdis;

4) kanalo parametrų priklausomybė nuo membranos potencialo.

Pažvelkime į juos eilės tvarka.

1. Selektyvumas – tai jonų kanalų gebėjimas selektyviai leisti vieno tipo jonams.

Jau pirmųjų eksperimentų su kalmarų aksonu metu buvo nustatyta, kad Na+ ir Kt jonai skirtingai veikia membranos potencialą. K+ jonai keičia ramybės potencialą, o Na+ jonai – veikimo potencialą. Hodžkino-Huxley modelis tai apibūdina įvesdamas nepriklausomus kalio ir natrio jonų kanalus. Buvo daroma prielaida, kad pirmieji praleidžia tik K+ jonus, o antrieji tik per Na+ jonus.

Matavimai parodė, kad jonų kanalai turi absoliutų selektyvumą katijonams (katijonams selektyvūs kanalai) arba anijonams (anijonams selektyvūs kanalai). Tuo pačiu metu įvairūs įvairių cheminių elementų katijonai gali praeiti pro katijonams selektyvius kanalus, tačiau membranos laidumas mažajam jonui, taigi ir srovė per jį, bus žymiai mažesnis, pavyzdžiui, Na + kanalui. , kalio srovė per ją bus 20 kartų mažesnė. Jonų kanalo gebėjimas praleisti skirtingus jonus vadinamas santykiniu selektyvumu ir apibūdinamas selektyvumo eilute – kanalo laidumo koeficientu skirtingiems jonams, paimtiems toje pačioje koncentracijoje. Šiuo atveju pagrindinio jono selektyvumas laikomas 1. Pavyzdžiui, Na+ kanalui ši serija yra tokia:

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

2. Atskirų kanalų veikimo nepriklausomumas. Srovės srautas per atskirą jonų kanalą nepriklauso nuo to, ar srovė teka kitais kanalais. Pavyzdžiui, K + kanalus galima įjungti arba išjungti, tačiau srovė per Na + kanalus nesikeičia. Kanalų įtaka vienas kitam pasireiškia netiesiogiai: kai kurių kanalų (pavyzdžiui, natrio) pralaidumo pasikeitimas keičia membranos potencialą, o tai jau turi įtakos kitų jonų kanalų laidumui.

3. Diskretus jonų kanalų laidumo pobūdis. Jonų kanalai yra baltymų subvienetinis kompleksas, apimantis membraną. Jo centre yra vamzdelis, per kurį gali praeiti jonai. Jonų kanalų skaičius 1 μm 2 membranos paviršiuje nustatytas naudojant radioaktyviai pažymėtą natrio kanalų blokatorių – tetrodotoksiną. Yra žinoma, kad viena TTX molekulė jungiasi tik prie vieno kanalo. Tada išmatavus žinomo ploto mėginio radioaktyvumą, buvo galima parodyti, kad 1 µm2 kalmarų aksone yra apie 500 natrio kanalų.

Tos transmembraninės srovės, kurios matuojamos įprastiniais eksperimentais, pavyzdžiui, ant 1 cm ilgio ir 1 mm skersmens kalmarų aksono, ty 3 * 10 7 μm 2 ploto, atsiranda dėl bendro atsako (pokyčio laidumas) 500 3 10 7 -10 10 jonų kanalų. Šiai reakcijai būdingas sklandus laidumo pokytis laikui bėgant. Vieno jonų kanalo atsakas laikui bėgant kinta iš esmės skirtingai: ir Na+ kanalams, ir K+-, ir Ca 2+ kanalams – diskretiškai.

Pirmą kartą tai buvo atrasta 1962 m. tiriant lipidų dvisluoksnių membranų (BLM) laidumą, kai į membraną supantį tirpalą buvo įdėta tam tikros sužadinimą sukeliančios medžiagos mikrokiekiai. Į BLM buvo įjungta pastovi įtampa ir užfiksuota srovė I(t). Srovė laikui bėgant buvo užfiksuota šuolių tarp dviejų laidžiųjų būsenų forma.

Vienas iš veiksmingų eksperimentinio jonų kanalų tyrimo metodų buvo devintajame dešimtmetyje sukurtas lokalios membranos potencialo fiksavimo metodas („Patch Clamp“) (10 pav.).

Ryžiai. 10. Membraninio potencialo lokalaus fiksavimo metodas. ME - mikroelektrodas, IR - jonų kanalas, M - ląstelės membrana, SFP - potencialo gnybtų grandinė, I - vieno kanalo srovė

Metodo esmė ta, kad ME mikroelektrodas (10 pav.), kurio plonas galas yra 0,5-1 μm skersmens, yra įsiurbiamas į membraną taip, kad jonų kanalas patektų į jos vidinį skersmenį. Tada, naudojant potencialo gnybtų grandinę, galima išmatuoti sroves, kurios eina tik per vieną membranos kanalą, o ne per visus kanalus vienu metu, kaip tai atsitinka naudojant standartinį potencialo užspaudimo metodą.

Atliktų eksperimentų su įvairiais jonų kanalais rezultatai parodė, kad jonų kanalo laidumas yra diskretus ir gali būti dviejų būsenų: atviro arba uždaro. Perėjimai tarp būsenų vyksta atsitiktiniu laiku ir paklūsta statistiniams dėsniams. Negalima sakyti, kad tam tikras jonų kanalas atsidarys būtent šiuo momentu. Galite pateikti teiginį apie kanalo atidarymo tikimybę per tam tikrą laiko intervalą.

4. Kanalo parametrų priklausomybė nuo membranos potencialo. Nervų skaidulų jonų kanalai yra jautrūs membranos potencialui, pavyzdžiui, kalmarų aksono natrio ir kalio kanalai. Tai pasireiškia tuo, kad prasidėjus membranos depoliarizacijai atitinkamos srovės pradeda keistis viena ar kita kinetika. Šis procesas vyksta taip: Jonų selektyvus kanalas turi jutiklį – kažkokį jo konstrukcijos elementą, jautrų elektrinio lauko veikimui (11 pav.). Keičiantis membranos potencialui, kinta jį veikiančios jėgos dydis, dėl to ši jonų kanalo dalis juda ir keičia vartų atsidarymo ar užsidarymo tikimybę – savotišką slopintuvą, kuris veikia pagal „visas arba nieko“ įstatymas. Eksperimentiškai įrodyta, kad veikiant membranos depoliarizacijai, padidėja tikimybė, kad natrio kanalas pereis į laidžiąją būseną. Įtampos viršįtampis per membraną, susidaręs atliekant potencialių spaustukų matavimus, sukelia daug kanalų atidarymą. Per juos praeina daugiau krūvių, o tai reiškia, kad vidutiniškai teka daugiau srovės. Svarbu, kad kanalo laidumo didinimo procesą lemtų kanalo perėjimo į atvirą būseną tikimybės padidėjimas, o ne atviro kanalo skersmens padidėjimas. Tai yra šiuolaikinis srovės pratekėjimo vienu kanalu mechanizmo supratimas.

Lygios kinetinės srovių kreivės, užfiksuotos atliekant elektrinius matavimus ant didelių membranų, gaunamos dėl daugybės laipsniškų srovių, tekančių atskirais kanalais, sumavimo. Jų sumavimas, kaip parodyta aukščiau, smarkiai sumažina svyravimus ir suteikia gana sklandžią transmembraninės srovės priklausomybę nuo laiko.

Jonų kanalai gali būti jautrūs ir kitiems fiziniams poveikiams: mechaninėms deformacijoms, cheminių medžiagų surišimui ir kt. Šiuo atveju jie yra atitinkamai mechanoreceptorių, chemoreceptorių ir kt.

Jonų kanalų membranose tyrimas yra vienas iš svarbiausių šiuolaikinės biofizikos uždavinių.

Jonų kanalo struktūra.

Jonų selektyvus kanalas susideda iš šių dalių (11 pav.): panardintas į baltyminės dalies dvisluoksnį, kuris turi subvienetinę struktūrą; selektyvus filtras, sudarytas iš neigiamai įkrautų deguonies atomų, kurie standžiai išsidėstę tam tikru atstumu vienas nuo kito ir praleidžia tam tikro skersmens jonus; vartų dalis.

Jonų kanalo vartai yra valdomi membranos potencialo ir gali būti uždaroje būsenoje (punktyrinė linija) arba atviroje būsenoje (ištisinė linija). Įprasta natrio kanalo vartų padėtis yra uždaryta. Veikiant elektriniam laukui, padidėja atviros būsenos tikimybė, atsidaro vartai ir hidratuotų jonų srautas gali praeiti per selektyvų filtrą.

Jei jonas tinka skersmeniui, jis nusimeta hidratacijos apvalkalą ir peršoka į kitą jonų kanalo pusę. Jei jonas yra per didelio skersmens, pavyzdžiui, tetraetilamonio, jis netelpa per filtrą ir negali prasiskverbti per membraną. Jei, priešingai, jonas yra per mažas, tada jis turi sunkumų atrankiniame filtre, šį kartą susijęs su sunkumais išmesti jono hidratacijos apvalkalą.

Jonų kanalų blokatoriai arba negali praeiti pro jį, įstrigę filtre, arba, jei jie yra didelės molekulės, pvz., TTX, jie steriškai atitinka tam tikrą įėjimą į kanalą. Kadangi blokatoriai turi teigiamą krūvį, jų įkrauta dalis kaip įprastas katijonas patenka į selektyvaus filtro kanalą, o makromolekulė jį užkemša.

Taigi, sužadinamų biomembranų elektrinių savybių pokyčiai atliekami naudojant jonų kanalus. Tai baltymų makromolekulės, kurios prasiskverbia į lipidų dvigubą sluoksnį ir gali egzistuoti keliose atskirose būsenose. Kanalų, selektyvių K +, Na + ir Ca 2+ jonams, savybės gali nevienodai priklausyti nuo membranos potencialo, kuris lemia veikimo potencialo dinamiką membranoje, taip pat tokių potencialų skirtumus skirtingų ląstelių membranose. .

Ryžiai. 11. Membranos natrio jonų kanalo sandaros skerspjūvio diagrama

Atsiliepimas.

Įvairioms medžiagoms ir ypač mineraliniams jonams jis nepaprastai svarbus ląstelės gyvenime ir ypač suvokimo, transformacijos, signalų perdavimo iš ląstelės į ląstelę ir į tarpląstelines struktūras mechanizmus.

Ląstelių membranų pralaidumo būsenoje lemiamą vaidmenį atlieka jų susidarantys jonų kanalai kanalus formuojantys baltymai. Šių kanalų atidarymas ir uždarymas gali būti kontroliuojamas potencialų skirtumo tarp išorinio ir vidinio membranos paviršių, įvairių signalinių molekulių (hormonų, neuromediatorių, vazoaktyvių medžiagų), antrinių intracelulinio signalo perdavimo pasiuntinių ir mineralų. jonų.

Jonų kanalas- keli subvienetai (integralūs membraniniai baltymai, turintys transmembraninius segmentus, kurių kiekvienas turi α-spiralinę konfigūraciją), kurie užtikrina jonų pernešimą per membraną.

Ryžiai. 1. Jonų kanalų klasifikacija

Šiuolaikinis jonų kanalų struktūros ir funkcijos supratimas tapo įmanomas sukūrus elektros srovių, tekančių per izoliuotą membranos dalį, kurioje yra pavieniai jonų kanalai, registravimo metodus, taip pat izoliuojant ir klonuojant atskirus genus, kurie kontroliuoja baltymų makromolekulių, galinčių sudaryti jonų kanalus, sintezė. Tai leido dirbtinai modifikuoti tokių molekulių struktūrą, integruoti jas į ląstelių membranas ir ištirti atskirų peptidinių sričių vaidmenį atliekant kanalų funkcijas. Paaiškėjo, kad visų jonų kanalų kanalus formuojančios baltymų molekulės turi tam tikrų bendrų struktūrinių savybių ir dažniausiai yra atstovaujami dideli transmembraniniai baltymai, kurių molekulinė masė viršija 250 kDa.

Jie susideda iš kelių subvienetų. Paprastai svarbiausia kanalo savybės jų a-subvienetas. Šis subvienetas dalyvauja formuojant jonų selektyvią skylę, transmembraninio potencialo skirtumo jutiklio mechanizmą - kanalo vartus, ir turi susiejimo vietas egzogeniniams ir endogeniniams ligandams. Kiti subvienetai, įtraukti į jonų kanalų struktūrą, atlieka pagalbinį vaidmenį, moduliuojantį kanalų savybes (2 pav.).

Kanalą formuojančią baltymo molekulę vaizduoja ekstramembraninės aminorūgščių kilpos ir intramembraninės spiralinės srities sritys, kurios sudaro jonų kanalų subvienetus. Baltymų molekulė susilanksto membranos plokštumoje taip, kad tarp domenų, besiliečiančių tarpusavyje, susidaro pats jonų kanalas (žr. 2 pav., apačioje dešinėje).

Kanalą formuojanti baltymo molekulė yra citoplazminėje membranoje taip, kad jos trimatė erdvinė struktūra sudaro kanalo angas, nukreiptas į išorinę ir vidinę membranos puses, vandens užpildytas poras ir „vartus“. Pastaruosius sudaro peptidinės grandinės atkarpa, galinti lengvai pakeisti savo konformaciją ir nustatyti atvirą ar uždarą kanalo būseną. Jonų kanalo selektyvumas ir pralaidumas priklauso nuo poros dydžio ir jos krūvio. Kanalo pralaidumą tam tikram jonui taip pat lemia jo dydis, krūvis ir hidratacijos apvalkalas.

Ryžiai. 2. Ląstelės membranos Na+ -jonų kanalo sandara: a - ląstelės membranos jonų kanalo α-vieneto dvimatė struktūra; b - kairėje - natrio kanalas, susidedantis iš a-subvieneto ir dviejų P-subvienetų (vaizdas iš šono); dešinėje yra natrio kanalas viršuje. Skaičiais I. II. III. IV pažymėtos a-subvieneto domenai

Jonų kanalų tipai

Aprašyta daugiau nei 100 jonų kanalų tipų, o jų klasifikavimui naudojami įvairūs metodai. Vienas iš jų pagrįstas kanalų struktūros ir veikimo mechanizmų skirtumų įvertinimu. Šiuo atveju jonų kanalus galima suskirstyti į keletą tipų:

• pasyvieji jonų kanalai arba ramybės kanalai;
• lizdų kontaktiniai kanalai;
• kanalai, kurių būseną (atvirą ar uždarą) kontroliuoja mechaninių veiksnių (mechaniškai jautrių kanalų), potencialų skirtumų ant membranos (nuo įtampos priklausomų kanalų) arba ligandų, kurie jungiasi su kanalą formuojančiu baltymu, įtaka jų vartų mechanizmui. išorinė arba vidinė membranos pusė (ligandų apriboti kanalai).

Pasyvūs kanalai

Išskirtinis šių kanalų bruožas yra tas, kad jie gali būti atviri (aktyvūs) ramybės būsenos ląstelėse, t.y. nesant jokios įtakos. Tai iš anksto nulemia jų antrąjį pavadinimą – pasyvūs kanalai. Jie nėra griežtai selektyvūs ir per juos ląstelės membrana gali „nutekėti“ keliems jonams, pavyzdžiui, K+ ir CI+ K+ ir Na+. Todėl šie kanalai kartais vadinami nutekėjimo kanalais. Dėl išvardytų savybių ramybės kanalai vaidina svarbų vaidmenį ramybės membranos potencialo atsiradimui ir palaikymui ant ląstelės citoplazminės membranos, kurių mechanizmai ir reikšmė aptariami toliau. Pasyvieji kanalai yra nervų skaidulų ir jų galūnių citoplazminėse membranose, dryžuotose ląstelėse, lygiuosiuose raumenyse, miokarde ir kituose audiniuose.

Mechaniškai jautrūs kanalai

Šių kanalų pralaidumo būsena kinta veikiant mechaniniam membranos poveikiui, todėl sutrinka struktūrinis molekulių sandarumas membranoje ir jos tempimas. Šie kanalai yra plačiai atstovaujami kraujagyslių, vidaus organų, odos, dryžuotų raumenų ir lygiųjų miocitų mechanoreceptoriuose.

Nuo įtampos priklausomi kanalai

Šių kanalų būseną valdo elektrinio lauko jėgos, kurias sukuria potencialų skirtumo membranoje dydis. Įtampa valdomi kanalai gali būti neaktyvių (uždarytų), aktyvių (atvirų) ir inaktyvuotų būsenų, kurias valdo aktyvavimo ir inaktyvavimo vartų padėtis, priklausomai nuo potencialų skirtumo membranoje.

Ramybės ląstelėje įtampa valdomas kanalas dažniausiai būna uždaros būsenos, iš kurios jį galima atidaryti arba įjungti. Jo nepriklausomo atsivėrimo tikimybė yra maža, o ramybės būsenoje yra atvira tik nedidelė dalis šių kanalų membranoje. Transmembraninio potencialo skirtumo sumažėjimas (membranos depoliarizacija) sukelia kanalo aktyvavimą, padidindama jo atsidarymo tikimybę. Daroma prielaida, kad aktyvinimo vartų funkciją atlieka elektra įkrauta aminorūgščių grupė, kuri uždaro įėjimą į kanalo žiotis. Šios aminorūgštys yra membranos potencialų skirtumo jutiklis; pasiekus tam tikrą (kritinį) membranos depoliarizacijos lygį, įelektrinta jutiklio molekulės dalis pasislenka link kanalą formuojančios molekulės lipidinės mikroaplinkos ir vartai atveria įėjimą į kanalo žiotis (3 pav.).

Kanalas tampa atviras (aktyvus), kad juo galėtų judėti jonai. Aktyvinimo vartų atidarymo greitis gali būti mažas arba labai didelis. Pagal šį rodiklį nuo įtampos priklausomi jonų kanalai skirstomi į greituosius (pavyzdžiui, greitieji įtampos natrio kanalai) ir lėtuosius (pavyzdžiui, lėtieji nuo įtampos priklausomi kalcio kanalai). Greitieji kanalai atsidaro akimirksniu (μs) ir išlieka atviri vidutiniškai 1 ms. Jų aktyvavimą lydi greitas, panašus į laviną, kanalo pralaidumo padidėjimas tam tikriems jonams.

Kita peptidinės grandinės dalis, kuri yra aminorūgščių seka tankaus rutulio (rutulio) pavidalu ant sriegio, esančios kitos kanalo angos išėjime, turi galimybę pakeisti savo konformaciją. Pasikeitus krūvio ženklui ant membranos, rutulys uždaro išėjimą iš burnos, o kanalas tampa nepereinamas (inaktyvuojamas) jonui. Įtampa valdomų jonų kanalų inaktyvavimas gali būti atliktas kitais mechanizmais. Inaktyvacija lydima jonų judėjimo kanalu nutrūkimo ir gali įvykti taip pat greitai, kaip ir aktyvacija, arba lėtai – per kelias sekundes ar net minutes.

Ryžiai. 3. Įtampa valdomų natrio (viršuje) ir kalio (apačioje) kanalų vartų mechanizmas

Norint atkurti pirmines jonų kanalų savybes po jų inaktyvavimo, būtina grąžinti pradinę kanalą formuojančio baltymo erdvinę konformaciją ir vartų padėtį. Tai pasiekiama atkuriant membranos potencialų skirtumą (repoliarizaciją) iki tokio lygio, kuris būdingas ląstelės ramybės būsenai arba praėjus kuriam laikui po inaktyvacijos, stipriai paveikiant membraną. Perėjimas iš inaktyvavimo būsenos į pradinę (uždarą) būseną vadinamas kanalo reaktyvavimu. Vėl suaktyvintas jonų kanalas grįžta į pasirengimo vėl atidaryti būseną. Įtampa valdomų membraninių kanalų pakartotinis aktyvinimas taip pat gali būti greitas arba lėtas.

Įtampa valdomi jonų kanalai paprastai yra labai selektyvūs ir atlieka lemiamą vaidmenį sužadinant (sukuriant veikimo potencialą), perduodant informaciją išilgai nervinių skaidulų elektrinių signalų pavidalu ir inicijuojant bei reguliuojant raumenų susitraukimą. Šie kanalai yra plačiai atstovaujami aferentinių ir eferentinių nervų skaidulų membranose, dryžuotų ir lygiųjų miocitų membranose.

Nuo potencialo priklausomi jonų kanalai yra įmontuoti į dantų pulpą ir burnos gleivinę inervuojančių sensorinių nervų galūnių (dendritų) membraną, kur jų atsivėrimas užtikrina receptorių potencialo pavertimą nerviniu impulsu ir tolesnį jo perdavimą aferentiniu nervu. pluošto. Šių impulsų pagalba į centrinę nervų sistemą perduodama informacija apie visų rūšių jutimo pojūčius, kuriuos žmogus patiria burnos ertmėje (skonį, temperatūrą, mechaninį spaudimą, skausmą). Tokie kanalai užtikrina nervinių impulsų atsiradimą neuronų aksoninės kalvos membranoje ir jų perdavimą eferentinėmis nervinėmis skaidulomis, postsinapsinių potencialų pavertimą postsinapsinių efektorinių ląstelių veikimo potencialais. Tokių procesų pavyzdys yra nervinių impulsų generavimas trišakio nervo branduolio motoriniuose neuronuose, kurie vėliau perduodami jo eferentinėmis skaidulomis į kramtomuosius raumenis ir inicijuoja bei reguliuoja apatinio žandikaulio kramtymo judesius.

Tiriant subtilius įtampos valdomų jonų kanalų veikimo mechanizmus, paaiškėjo, kad yra medžiagų, kurios gali blokuoti šių kanalų veikimą. Vienas iš pirmųjų aprašytų buvo medžiaga tetrodotoksinas – galingas nuodas, gaminamas pūkinių žuvų organizme. Jo įtakoje eksperimento metu buvo pastebėta įtampos valdomų natrio kanalų blokada, o patekus į gyvūnų organizmą, buvo pastebėtas jautrumo praradimas, raumenų atsipalaidavimas, nejudrumas, kvėpavimo sustojimas ir mirtis. Tokios medžiagos vadinamos jonų kanalų blokatoriais. Tarp jų lidokainas, novokainas, prokainas - medžiagų, patekus į organizmą mažomis dozėmis, išsivysto nuo įtampos priklausomų nervinių skaidulų natrio kanalų blokada ir blokuojamas signalų perdavimas iš skausmo receptorių į centrinę nervų sistemą. Šios medžiagos plačiai naudojamos medicinos praktikoje kaip vietiniai anestetikai.

Jonų judėjimas jonų kanalais yra ne tik membranų krūvių persiskirstymo ir elektrinio potencialo susidarymo pagrindas, bet ir gali turėti įtakos daugelio viduląstelinių procesų eigai. Šis poveikis genų, kontroliuojančių kanalus formuojančių baltymų sintezę, ekspresijai neapsiriboja tik jaudinamųjų audinių ląstelėmis, bet pasireiškia visose kūno ląstelėse. Nustatyta didelė ligų grupė, kurios priežastis – jonų kanalų struktūros ir funkcijos pažeidimas. Tokios ligos klasifikuojamos kaip „kanalopatijos“. Akivaizdu, kad žinios apie jonų kanalų struktūrą ir funkcijas yra būtinos norint suprasti „kanalopatijų“ prigimtį ir ieškoti specifinės jų terapijos.

Ligandiniai jonų kanalai

Paprastai juos sudaro baltymų makromolekulės, kurios vienu metu gali būti jonų kanalai ir tam tikrų ligandų receptorių funkcijos. Kadangi ta pati makromolekulė vienu metu gali atlikti šias dvi funkcijas, joms buvo priskirti skirtingi pavadinimai – pavyzdžiui, sinapsinis receptorius arba ligandų valdomas kanalas.

Skirtingai nei nuo įtampos priklausomas jonų kanalas, kuris atsidaro, kai sumažėjus transmembraninio potencialo skirtumui keičiasi aktyvavimo vartų konformacija, nuo ligandų priklausomi jonų kanalai atsidaro (aktyvuojasi) sąveikaujant baltymo peptidinei (receptoriaus) grandinei. molekulė su ligandu – medžiaga, kuriai receptorius turi didelį afinitetą (4 pav.).

Ryžiai. 4. Nuo ligandų priklausomas jonų kanalas (nikotinui jautrus acetilcholino receptorius – n-ChR): a neaktyvus; 6 – aktyvuota

Ligandų valdomi jonų kanalai dažniausiai yra lokalizuoti nervinių ląstelių ir jų procesų postsinapsinėse membranose, taip pat raumenų skaidulose. Tipiški ligandų valdomų jonų kanalų pavyzdžiai yra acetilcholino (žr. 4 pav.), glutamato, aspartato, gama-aminosviesto rūgšties, glicino ir kitų sinapsinių neurotransmiterių aktyvuojami postsinapsiniai membraniniai kanalai. Paprastai kanalo (receptoriaus) pavadinimas atspindi neurotransmiterio tipą, kuris yra jo ligandas natūraliomis sąlygomis. Taigi, jei tai yra neuromuskulinės sinapsės kanalai, kuriuose naudojamas neurotransmiteris acetilcholinas, tada vartojamas terminas „acetilcholino receptorius“, o jei jis taip pat jautrus nikotinui, tada jis vadinamas jautriu nikotinui arba tiesiog n-acetilcholinu. receptorius (n-cholinerginis receptorius).

Paprastai postsinapsiniai receptoriai (kanalai) selektyviai jungiasi tik prie vieno tipo neurotransmiterių. Priklausomai nuo sąveikaujančio receptoriaus ir neuromediatoriaus tipo ir savybių, kanalai selektyviai keičia savo pralaidumą mineraliniams jonams, tačiau tai nėra griežtai selektyvūs kanalai. Pavyzdžiui, ligandų valdomi kanalai gali pakeisti pralaidumą Na+ ir K+ katijonams arba K+ ir CI+ anijonams. Šis ligandų surišimo selektyvumas ir joninio pralaidumo pokyčiai yra genetiškai fiksuoti makromolekulės erdvinėje struktūroje.

Jei tarpininko ir jonų kanalą sudarančios makromolekulės receptorinės dalies sąveiką tiesiogiai lydi kanalo pralaidumo pasikeitimas, tai per kelias milisekundes pasikeičia postsinapsinės membranos pralaidumas mineralams. jonų ir postsinapsinio potencialo vertė. Tokie kanalai vadinami greitaisiais ir yra lokalizuoti, pavyzdžiui, aksodendritinių sužadinamųjų sinapsių ir aksosomatinių slopinamųjų sinapsių postsinapsinėje membranoje.

Yra lėtų ligandų valdomi jonų kanalai. Skirtingai nuo greitųjų kanalų, jų atidarymą lemia ne tiesioginė neuromediatoriaus sąveika su receptoriaus makromolekule, o įvykių grandinė, apimanti G baltymo aktyvavimą, jo sąveiką su GTP, antrinių pasiuntinių kiekio padidėjimą tarpląsteliniame perdavime. neurotransmiterio signalo, kuris, fosforilinant jonų kanalą, keičia jo pralaidumą mineraliniams jonams ir atitinkamai keičiasi postsinapsinio potencialo vertė. Visa aprašyta įvykių grandinė vyksta per šimtus milisekundžių. Su tokiais lėtais ligandų priklausomais jonų kanalais susidursime tirdami širdies ir lygiųjų raumenų reguliavimo mechanizmus.

Ypatingas tipas yra kanalai, lokalizuoti lygiųjų raumenų ląstelių endoplazminio tinklo membranose. Jų ligandas yra antrasis tarpląstelinio signalo perdavimo pasiuntinys, inozitolio trifosfatas-IFZ.

Aprašomi jonų kanalai, pasižymintys tam tikromis struktūrinėmis ir funkcinėmis savybėmis, būdingomis tiek nuo įtampos, tiek su ligandų valdomiems jonų kanalams. Tai nejautrūs įtampai jonų kanalai, kurių vartų mechanizmo būseną valdo cikliniai nukleotidai (cAMP ir cGMP). Šiuo atveju cikliniai nukleotidai prisijungia prie kanalą formuojančios baltymo molekulės intracelulinio COOH terminalo ir aktyvuoja kanalą.

Šie kanalai pasižymi mažesniu katijonų pralaidumo selektyvumu ir pastarųjų gebėjimu paveikti vienas kito pralaidumą. Taigi Ca 2+ jonai, aktyvuotais kanalais patekę iš ekstraląstelinės aplinkos, blokuoja kanalų pralaidumą Na 2+ jonams. Vienas tokių kanalų pavyzdžių – tinklainės strypiniai jonų kanalai, kurių pralaidumą Ca 2+ ir Na 2+ jonams lemia cGMP lygis.

Ligandų valdomi jonų kanalai yra plačiai atstovaujami membranų struktūrose, kurios užtikrina sinapsinį signalų perdavimą iš daugelio jutimo receptorių centrinėje nervų sistemoje; signalų perdavimas nervų sistemos sinapsėse; nervų sistemos signalų perdavimas efektorinėms ląstelėms.

Jau buvo pažymėta, kad tiesioginis komandų perdavimas iš nervų sistemos į daugelį efektorinių organų yra atliekamas naudojant neurotransmiterius, kurie aktyvuoja ligandų valdomus jonų kanalus postsinapsinėse membranose. Tačiau jų ligandai (agonistai arba antagonistai) gali būti ir egzogeninės prigimties medžiagos, kurios kai kuriais atvejais naudojamos kaip gydomosios medžiagos.

Pavyzdžiui, įvedus į organizmą medžiagą diplaciną, savo struktūra panašią į neuromediatorių apetilcholiną, neuroraumeninėse sinapsėse ilgai atsidarys nuo ligandų priklausomi jonų kanalai, kurie nustoja perduoti nervinius impulsus iš nervinių skaidulų į raumenis. . Kūno griaučių raumenys atsipalaiduoja, to gali prireikti atliekant sudėtingas chirurgines operacijas. Diplacinas ir kitos medžiagos, galinčios pakeisti ligandų valdomų jonų kanalų būseną ir blokuoti signalo perdavimą neuromuskulinėse sinapsėse, vadinami raumenų relaksantais.

Ryžiai. 5. Tarp dviejų glaudžiai besiliečiančių celių tarpų sujungimo kanalai

Medicinos praktikoje naudojama daug kitų vaistinių medžiagų, kurios turi įtakos įvairių audinių ląstelių ligandų priklausomų jonų kanalų būklei.

Ląstelių tarpų (standarti) jungties kanalai

Tarpų sujungimo kanalai susidaro dviejų gretimų ląstelių, kurios yra labai arti viena kitos, sąlyčio srityje. Kiekvienos kontaktuojančios ląstelės membranoje šeši baltymo subvienetai, vadinami konneksinais, sudaro šešiakampę struktūrą, kurios centre susidaro porų arba jonų kanalas – konneksonas (5 pav.).

Gretimos ląstelės membranos sąlyčio taške susidaro veidrodinė struktūra, o tarp jų esantis jonų kanalas tampa bendras. Tokiais jonų kanalais iš ląstelės į ląstelę gali judėti įvairūs mineraliniai jonai, įskaitant Ca 2+ jonus, taip pat mažos molekulinės masės organinės medžiagos. Ląstelių tarpinių jungčių kanalai užtikrina informacijos perdavimą tarp miokardo, lygiųjų raumenų, tinklainės ir nervų sistemos ląstelių.

Natrio kanalai

Kūno ląstelėse plačiai atstovaujami nuo įtampos priklausomi, nuo įtampos nepriklausomi (nuo ligandų priklausomi, mechaniškai jautrūs, pasyvūs ir kt.) natrio kanalai.

Įtampa valdomi natrio kanalai

Jie susideda iš vieno α-subvieneto, kuris sudaro kanalą, ir dviejų β-subvienetų, kurie moduliuoja natrio kanalų jonų pralaidumą ir inaktyvacijos kinetiką (6 pav.).

Ryžiai. 6. Įtampa valdomo natrio kanalo α-subvieneto dvimatė struktūra. Aprašymas tekste

Kaip matyti iš fig. 6, a-subvienetas yra pavaizduotas keturiais to paties tipo domenais, sudarytais iš šešių spiralinių transmembraninių segmentų, sujungtų aminorūgščių kilpomis. Kilpos, jungiančios 5 ir 6 segmentus, supa kanalo poras, o 4 segmente yra teigiamai įkrautos aminorūgštys, kurios yra potencialų skirtumo ant membranos jutikliai ir kontroliuoja vartų mechanizmo padėtį transmembraninio potencialo poslinkių metu.

Įtampa valdomuose natrio kanaluose yra du vartų mechanizmai, vienas iš jų - aktyvinimas (dalyvaujant 4-ajam segmentui) užtikrina kanalo atidarymą (aktyvavimą) depoliarizuojant membraną, o antrasis (dalyvaujant intraląstelinei kilpai). tarp 3 ir 4 domenų) – jo inaktyvacija membranos įkrovimo metu. Kadangi abu šie mechanizmai greitai keičia kanalo vartų padėtį, nuo įtampos priklausomi natrio kanalai yra greiti jonų kanalai ir yra labai svarbūs generuojant veikimo potencialą jaudinamuose audiniuose ir jų laidumui per nervų ir raumenų skaidulų membranas.

Šie kanalai yra lokalizuoti neuronų aksonų kalvos citoplazminėse membranose, dendrituose ir aksonuose, neuromuskulinės sinapsės perisinapsinės srities membranoje, skersaruožių raumenų skaidulų sarkolemose ir susitraukiančiame miokarde. Natrio kanalų pasiskirstymo tankis šiose struktūrose yra skirtingas. Mielinizuotose nervinėse skaidulose jie daugiausia susitelkę Ranvier mazgų srityje, kur jų tankis siekia apie 10 000 kanalų kvadratiniame mikrone, o nemielinizuotose skaidulose kanalai pasiskirsto tolygiau, jų tankis yra apie 20 kanalų kvadratiniame plote. mikronų ploto. Šių kanalų praktiškai nėra nervinių ląstelių kūno membranų struktūroje, nervų galūnėlių membranoje, kurios tiesiogiai formuoja jutimo receptorius, ir efektorinių ląstelių postsinapsinėse membranose.

Tarp įtampos valdomų natrio kanalų jau išskiriami daugiau nei devyni potipiai, kurie skiriasi α-subvienetų savybėmis, turi specifinę priklausomybę audiniams ir skiriasi skirtingu jautrumu blokatorių veikimui. Pavyzdžiui, kanalo potipis, kurį sudaro kanalą formuojantis baltymas, kurio sintezę kontroliuoja SCN4A genas, yra visiškai diferencijuotų ir inervuotų skeleto raumenų sarkolemoje, o jo blokatoriai yra tetrodotoksinas, saksitoksinas ir c-konotoksinai. Daugeliu atvejų α-subvienetai yra jautrūs tetrodotoksino veikimui, kuris mikromolinėmis koncentracijomis blokuoja poras ir taip patekimą į natrio kanalus.

Yra žinoma, kad natrio kanalų toksinai lėtina jų inaktyvavimo greitį. Pavyzdžiui, jūros anemonų toksinas (ATX) ir skorpiono a-toksinas (ScTX) vėluoja inaktyvuoti, nes prisijungia prie 4 segmento S3-S4 kilpos aminorūgščių liekanų.

Medžiagos vadinamos anestetikai (novokainas, dikainas, lidokainas, sovkainas, prokainas ir pan.). Anestezija, kai jie blokuoja natrio kanalus, pasiekiama pašalinus galimybę generuoti nervinius impulsus aferentinėse nervinėse skaidulose ir taip blokuoti signalų perdavimą iš sensorinių skausmo receptorių į centrinę nervų sistemą.

Nustatyta, kad natrio kanalų struktūros pokyčiai gali sukelti daugelio ligų vystymąsi. Pavyzdžiui, pasikeitus SCNlb geno valdomo kanalo struktūrai, išsivysto generalizuotos epilepsijos formos ir priepuoliai su padidėjusia kūno temperatūra (febriliniai priepuoliai).

Daugelis mikroorganizmų žmogaus kūne formuoja toksinus – medžiagas, kurios blokuoja jonų kanalus paveiktose ląstelėse, o tai gali lydėti jonų balanso disbalansas ir ląstelių mirtis. Kiti mikroorganizmai, priešingai, naudoja savo toksinus (perforinus), kad suformuotų jonų kanalus ląstelės membranoje. Visų pirma, juodligės bacilos toksinas, sukeliantis žmonėms ypač pavojingą infekciją, atakuoja ląstelę ir jos membranoje suformuoja naujas poras (kanalus), per kurias į ląstelę prasiskverbia kiti toksinai. Šių toksinų veikimas sukelia užpultų ląstelių mirtį ir didelį mirtingumą nuo šios ligos. Mokslininkai susintetino medžiagą β-ciklodekstriną, kuri savo erdvine struktūra yra artima susidariusio kanalo formai. Ši medžiaga blokuoja mikroorganizmo toksino suformuotus kanalus, neleidžia toksinams patekti į ląsteles ir gelbsti nuo mirties juodlige užsikrėtusius eksperimentinius gyvūnus.

Nuo įtampos nepriklausomi natrio kanalai

Ligandiniai natrio kanalai. Jų bendra struktūra ir savybės aptartos aukščiau, ligandų valdomų jonų kanalų aprašyme. Šio tipo natrio kanalus organizme plačiai reprezentuoja neuromuskulinės sinapsės postsinapsinės membranos nikotinui jautrių cholinerginių receptorių natrio kanalai, centrinės nervų sistemos ir autonominės nervų sistemos interneuronų sinapsės (preganglioniniai ir ganglioniniai neuronai). Ligandų valdomi natrio kanalai yra lokalizuoti kitų centrinės nervų sistemos sužadinimo (glutamato ir aspartaterginių) sinapsių postsinapsinėse membranose. Jie vaidina lemiamą vaidmenį generuojant sužadinimo postsinapsinį potencialą sinapsėse ir perduodant signalus tarp neuronų ir tarp neuronų bei efektorinių ląstelių.

Postsinapsinės membranos ligandiniai natrio kanalai nėra griežtai selektyvūs ir gali būti pralaidūs keliems jonams vienu metu: natrio ir kalio, natrio ir kalcio.

Nuo įtampos nepriklausomi natrio kanalai, valdomi antrųjų pasiuntinių.Šių natrio kanalų būklę gali kontroliuoti cGMP (fotoreceptoriai), cAMP (uoslės receptoriai) ir G baltymo subvienetai (miokardas).

Mechaniškai jautrūs natrio kanalai. Yra kraujagyslių sienelių, širdies, tuščiavidurių vidaus organų mechanoreceptoriuose, dryžuotų raumenų proprioreceptoriuose ir lygiųjų miocitų membranoje. Jiems dalyvaujant sensoriniuose receptoriuose, mechaninio veikimo energija paverčiama potencialų skirtumo – receptorių potencialo – virpesiais.

Pasyvios natrio lynai. Esama sužadinamų ląstelių citoplazminėse membranose. Šių kanalų pralaidumas Na+ jonams yra nedidelis, tačiau per juos Na jonai koncentracijos gradientu difunduoja iš ekstraląstelinių erdvių į ląsteles ir šiek tiek depoliarizuoja membraną. Lygiųjų miocitų citoplazminės membranos natrio kanalai yra pralaidesni. Jie depoliarizuoja jį didesniu kiekiu (ramybės potencialas apie 50 mV) nei ruožuotų raumenų miocitų membrana (ramybės potencialas apie 90 mV). Taigi pasyvieji natrio kanalai dalyvauja formuojant ramybės membranos potencialą.

Natrio keitikliai. Natrio-kalcio keitiklis arba natrio-kalcio keitiklis buvo aprašytas anksčiau ir atlieka svarbų vaidmenį pašalinant kalcio jonus iš susitraukiančių kardiomiocitų.

Natrio protonų mainai. Tai specialus kanalus formuojantis baltymas, kuris pašalina vandenilio protonus iš tarpląstelinių erdvių mainais už natrio jonų patekimą į ląstelę. Protonų pašalinimas suaktyvinamas, kai ląstelės pH sumažėja.

Natrio mainų kanalus sudarančių baltymų sintezę kontroliuoja penki genai, žymimi NAH1 -NAH5.

Kalio kanalai

Yra įtampa valdomi ir įtampai nejautrūs kalio kanalai. Tarp pastarųjų išskiriami pasyvūs, nuo ligandų priklausomi ir kiti kalio kanalų tipai. Paprastai kalio kanalai randami tų pačių ląstelių ir audinių membranose, kuriose yra natrio kanalų. Viena iš tokio lygiagretumo šių jonų kanalų išdėstyme priežasčių yra ta, kad Na+ ir K+ jonai yra svarbiausi katijonai, kurių pasiskirstymo ir judėjimo pobūdis lemia elektrinių potencialų, kaip vienos iš svarbiausių formų, atsiradimą ir kitimą. informacijos signalo perdavimo organizme.

Yra visa superšeima kalio jonų kanalų, kurie pagal struktūrinius požymius, lokalizaciją ir kanalų savybes skirstomi į atskiras šeimas, tipus ir potipius. Buvo aprašyta daugiau nei trys dešimtys kalio kanalų, todėl neįmanoma pateikti išsamių jų charakteristikų. Todėl kaip pavyzdžiai bus pateikti tų jonų kanalų šeimų ir tipų aprašymai, kurie pirmiausia yra susiję su signalizacijos keliais ir nervų bei raumenų procesų valdymo mechanizmais.

Pasyvūs kalio kanalai

Yra žinoma, kad ramybės būsenoje sužadinamų ląstelių membranos yra santykinai laidžios K jonams ir prastai pralaidžios Na+ jonams. Kadangi transmembraninių elektros srovių nešėjai yra jonai, matuojant elektros srovę, tekančią per ląstelės membraną, galima spręsti apie jonų kanalų būklę. Paaiškėjo, kad transmembraninė elektros srovė, kurią sukelia K jonų difuzijos išilgai koncentracijos gradiento iš ląstelės, yra apie du pikoamperus ir yra pulsuojančio pobūdžio, o vidutinė pulsacijos trukmė – kelios milisekundės. Iš šio stebėjimo buvo padaryta išvada, kad kalio kanalai ramybės būsenoje gali spontaniškai atsidaryti ir užsidaryti, sudarydami sąlygas K jonų difuzijai per juos iš ląstelės ir membranos ramybės potencialo susidarymui.

Įtampa valdomi kalio kanalai

Nuo įtampos priklausomų kalio kanalų egzistavimas sužadinamųjų audinių ląstelių membranose tapo žinomas po to, kai buvo nustatyta, kad jų aktyvavimo kinetika skiriasi nuo įtampos valdomų natrio kanalų, be to, juos selektyviai blokuoja kiti blokatoriai. Kalio kanalai aktyvuojami taip pat kaip ir natrio kanalai, kai ląstelės membrana depoliarizuojama iki kritinio lygio, tačiau tuo pačiu metu K+ jonų išėjimo iš ląstelės greitis didėja daug lėčiau nei Na+ patekimo greitis. jonų į ląstelę.

Kalio kanalo selektyvus filtras yra porų žiočių vidinėje pusėje, priešingai nei išorinė panašaus filtro vieta natrio kanaluose (7 pav.). Šių kanalų selektyvumas Na+ ir K+ katijonų ir įvairių specifinių blokatorių – tetrodotoksino (natriui) ir tetraetilamonio (kaliui) – atžvilgiu rodo skirtingą šių kanalų struktūrą.

Įtampa valdomi kalio kanalai yra tetramerai ir susideda iš keturių subvienetų, sudarančių poras centre.

Nuo įtampos priklausomi kalio kanalai yra lokalizuoti tiek sužadinamų, tiek nežadinamų ląstelių membranose. Jie vaidina svarbų vaidmenį membranos potencialo atkūrimo (repoliarizavimo) greičiui po jos depoliarizacijos ir tokiu būdu kontroliuojant veikimo potencialo formavimosi formą ir dažnį. Lėtus kalio kanalus blokuoja traetilamonis, 4-aminopiridinas, fenciklidinas ir 9-aminoakridinas.

Ryžiai. 7. Kalio kanalas: a - kairysis - dvimatė a-subvieneto struktūra; dešinėje yra kanalo schema; b — kalio kanalų elektronų difrakcijos diagrama citoplazminėje membranoje.

Be lėtųjų kalio kanalų, buvo aprašyti greitieji nuo įtampos priklausomi kalio kanalai, kurių atidarymo kinetika yra panaši į greitųjų įtampos valdomų natrio kanalų. Šie kalio kanalai greitai atsidaro po depoliarizacijos, tada visiškai inaktyvuojami, o jų reaktyvacijai reikia ne tik membranos repoliarizacijos, bet kurį laiką ir hiperpoliarizacijos.

Pagal genų, koduojančių kanalus formuojančių molekulių sintezę ir surinkimą, pavadinimus, išskiriami šeši KCN tipai su KCN A, B, C, E potipiais ir viena KCNQ jonų kanalų šeima. Pastarosios šeimos kanalai yra išreikšti miokarde.

Ligandiniai kalio kanalai

Jie yra atstovaujami daugybe kanalų, jautrių įvairių ligandų veikimui.

Vienas iš daugelio ligandų valdomų kalio kanalų tipų yra muskarinui jautrus acetilcholino receptorius susijęs kanalas. Šiuos kanalus aktyvina acetilcholinas. Kanalus gali blokuoti bradikininas ir bario jonai. Yra du šių kanalų potipiai: inaktyvuojami muskarino ir jo aktyvuojami. Pastarasis yra lokalizuotas širdies stimuliatoriaus ląstelėse.

Nuo ligandų priklausomo kalio kanalo savybes turi neselektyvūs nuo įtampos nepriklausomi katijonų kanalai, kurie sujungia neuromuskulinės sinapsės postsinapsinės membranos kanalų ir nikotinui jautrių acetilcholino receptorių savybes. Kanalą formuojančiam baltymui sąveikaujant su acetilcholinu, atsiveria šis neselektyvus kanalas, kuriuo į raumenų ląstelę patenka Na+ jonai, o iš jos išeina K jonai. Skirtingi šių jonų judėjimo greičiai užtikrina postsinapsinės membranos depoliarizaciją, kuri neišsivysto į veikimo potencialą tiesiai ant šios membranos.

Nustatyti ATP jautrūs kalio kanalai, kuriuos slopina ir aktyvuoja ATP veikimas.

Atskirą kalio kanalų šeimą sudaro vadinamieji įvesties ištaisantys kalio kanalai (vartai) arba įvesties lygintuvai. (į vidųištaisyti; į vidųlygintuvas). Išlyginamojo kalio kanalo užtvaro mechanizme nėra įtampos jutiklio. Šių kanalų funkcinė reikšmė slypi jų įtakoje širdies stimuliatoriaus ląstelių, raumenų ląstelių ir neuronų jaudrumui.

Rektifikuojančių įeinančių kalio kanalų šeima pagal juos koduojančių genų pavadinimus skirstoma į daugiau nei 15 tipų. Konkrečios įvesties kalio kanalų ir ypač KCNJ kanalų 3, 5, 6 ir 9 (kitas pavadinimas Kir kanalai) ištaisymo reikšmės pavyzdys gali būti specifinis jų vaidmuo reguliuojant širdies ritmą, susiejant šiuos kanalus su G. baltymų ir muskarinui jautrūs ląstelių acetilcholino receptoriai – širdies stimuliatoriai.

Žinomi įtampai nejautrūs natrio aktyvuoto kalio kanalai.

Aprašyti specialūs įtampai nejautrūs, pH pokyčiams jautrūs kalio kanalai, esantys kasos salelių β ląstelėse ir jose veikiantys kaip gliukozės jutiklis. Taip pat žinoma, kad kalio kanalai yra jautrūs ląstelių tūrio pokyčiams.

Kalcio kanalai

Kalcio kanalų šeima yra plačiai atstovaujama nervų ir raumenų audinio ląstelėse. Pagrindinės jų lokalizacijos vietos yra raumenų sarkoplazminio ir endoplazminio tinklo presinapsinių galų membranos, kardiomiocitų sarkolema ir kitų audinių ląstelių membranos.

Pagal pralaidumo valdymo metodus kalcio kanalai skirstomi į priklausomus nuo įtampos, pasyviuosius, priklausomus nuo ligandų, mechaniškai jautrius ir kt.

Kalcio kanalai pagal inaktyvavimo greitį skirstomi į T tipo kanalus ( trumpalaikis- trumpalaikis), L tipo (lėtas). Priklausomai nuo audinių priklausomybės ir jautrumo toksinams, išskiriami B tipo kanalai (smegenys- smegenys), N tipo (neuronų- neuronų), P tipo (purkinjeląstelė- Purkinje ląstelė) ir R tipo (atspari toksinams).

Nuo įtampos priklausomi kalcio kanalai

Juos sudaro oligomerinis baltymas, paprastai susidedantis iš penkių subvienetų a1, a2, β, y ir δ. Patį jonų kanalą sudaro α-subvienetas, kurio aminorūgščių sudėtis ir struktūra labai panaši į panašų nuo įtampos priklausomų natrio ir kalio kanalų subvienetą (žr. 6 pav., 7 pav.).

Nuo įtampos priklausomas kalcio kanalas yra selektyviai pralaidus Ca 2+ jonams. Selektyvumą užtikrina poros, kurios sudaro selektyvų filtrą, buvimą.

Jau laikas sudarytas iš a 1 subvieneto segmentų, todėl, atsižvelgiant į jo struktūros panašumą į monovalentinių katijonų kanalus, galima tikėtis, kad kalcio kanalas turėtų būti pralaidus Na+ ir K+ jonams. Ši savybė iš tikrųjų atsiranda, kai kalcis pašalinamas iš tarpląstelinės aplinkos.

Natūraliomis sąlygomis selektyvumą kalcio atžvilgiu kanale užtikrina dvi kalcio surišimo vietos kanalo porose. Vieną iš jų sudaro glutamato likučių grupė, o esant mažai kalcio koncentracijai jis stipriai prisijungia prie šios kanalo poros vietos, o kalcio kanalas tampa silpnai pralaidus. Didėjant kalcio koncentracijai, didėja tikimybė, kad kalcis užims antrąją surišimo vietą; susidarančios elektrostatinės atstūmimo jėgos tarp Ca 2+ jonų labai sumažina jonų buvimo laiką surišimo vietose. Išsiskyręs kalcis per aktyvuotą kanalą pasklinda į ląstelę elektrocheminiu gradientu.

Įtampa valdomi kalcio kanalai skiriasi potencialų skirtumo poslinkių slenkstinėmis vertėmis, kuriomis jie aktyvuojami. T tipo kanalus aktyvuoja nedideli įtampos poslinkiai ant membranos, L ir P tipai pasižymi aukštais įtampos poslinkio slenksčiais, kurie sukelia jų aktyvavimą.

Nuo įtampos priklausomi kalcio kanalai atlieka svarbų vaidmenį daugelyje gyvybiškai svarbių organizmo procesų. Jų aktyvavimas ir kalcio patekimas į presinapsinį terminalą yra būtini sinapsiniam signalui perduoti.

Kalcio patekimas per kalcio kanalus į širdies stimuliatoriaus ląstelę yra būtinas norint sukurti širdies stimuliatoriaus ląstelių veikimo potencialą ir užtikrinti ritmingą jos susitraukimą. Nuo įtampos priklausomi kalcio kanalai reguliuoja kalcio patekimą į miokardo skaidulų sarkoplazmą, griaučių raumenis, lygiuosius kraujagyslių ir vidaus organų miocitus, kontroliuoja jų susitraukimo pradžią, greitį, stiprumą, trukmę ir kartu judėjimą, siurbimo funkciją. širdies, kraujospūdžio, kvėpavimo ir daugelio kitų organizme vykstančių procesų.

Pasyvūs kalcio kanalai

Randama lygiųjų miocitų citoplazminėse membranose. Ramybės būsenoje jie yra pralaidūs kalciui, o kalcis kartu su K+ ir Na+ jonais dalyvauja formuojant lygiųjų miocitų transmembraninį potencialų skirtumą arba ramybės potencialą. Šiais kanalais į lygiuosius miocitus patenkantis kalcis yra jo atsargų endoplazminiame tinkle papildymo šaltinis ir naudojamas kaip antrinis pasiuntinys perduodant tarpląstelinius signalus.

Ramybės būsenoje esantis kalcis gali judėti iš ląstelės į ląstelę per tarpo jungties kanalus. Šie kanalai nėra selektyvūs kalciui, per juos vienu metu gali vykti tarpląstelinė kitų jonų ir mažos molekulinės masės organinių medžiagų mainai. Kalcis, patenkantis į ląsteles tarpo jungties kanalais, vaidina svarbų vaidmenį sužadinant, inicijuojant ir sinchronizuojant miokardo, gimdos, vidaus organų sfinkterių susitraukimus, palaikant kraujagyslių tonusą.

Ligandų valdomi kalcio kanalai

Tiriant miokardo ir lygiųjų raumenų susitraukimų paleidimo ir reguliavimo mechanizmus, paaiškėjo, kad jie priklauso nuo kalcio tiekimo į miocitą tiek iš tarpląstelinės aplinkos, tiek iš jo tarpląstelinių atsargų. Šiuo atveju kalcio patekimas į sarkoplazmą gali būti kontroliuojamas pasikeitus sarkolemos potencialų skirtumui ir suaktyvinus nuo įtampos priklausomus kalcio kanalus ir (arba) veikiant daugeliui signalinių molekulių sarkoplazminio tinklo membranoje. .

Ligandų valdomi kalcio kanalai yra lokalizuoti lygiųjų miocitų citoplazminėse membranose. Jų receptorių ligandai gali būti hormonai: vazopresinas, oksitocinas, adrenalinas; neurotransmiteris norepinefrinas; signalinės molekulės: angiotenzinas 2, endotelis 1 ir kitos medžiagos. Ligando prisijungimą prie receptoriaus lydi kalcio kanalo aktyvacija ir kalcio patekimas į ląstelę iš tarpląstelinės aplinkos.

Kardiomiocituose, norint inicijuoti raumenų susitraukimą, iš pradžių reikia aktyvuoti nuo įtampos priklausomus T tipo kalcio kanalus, vėliau L tipo kalcio kanalus, kurių atsidarymas užtikrina tam tikro kiekio Ca 2+ jonų patekimą į ląstelę. . Į ląstelę patekęs kalcis aktyvuoja rianodino receptorių (RYR), kanalą formuojantį baltymą, įterptą į kardiomiocitų sarkoplazminio tinklo membraną. Dėl kanalo aktyvavimo padidėja jo pralaidumas kalciui, o pastarasis pagal koncentracijos gradientą difunduoja į sarkoplazmą. Taigi Ca 2+ jonai veikia kaip tam tikri ligandai, aktyvuojantys rianodino receptorius ir kartu kalcio kanalus. Dėl to į ląstelę patekęs ekstraląstelinis kalcis veikia kaip kalcio išsiskyrimo iš pagrindinės tarpląstelinės saugyklos veiksnys.

Kalcio kanalai vienu metu gali būti jautrūs potencialų skirtumų pokyčiams citoplazminėje membranoje ir ligandų veikimui. Pavyzdžiui, L tipo įtampos priklausomi kalcio kanalai yra jautrūs dihidropiridinui (nifedipinui), fenilalkilaminams (verapamiliui) ir benzotiazepinams (diltiazemui). Šis kanalo tipas dažnai vadinamas dihidropiridino receptoriumi. Šis pavadinimas rodo, kad L-kalcio kanalas yra susietas su ligandais, nors iš tikrųjų tai yra įtampos kanalas.

P tipo kanalai yra atsparūs konogoksinų ir vaistų, kuriems jautrūs kitų tipų kalcio kanalai, poveikiui.

Nuo įtampos priklausomų kalcio kanalų α1 subvienetų funkcinės savybės gali būti moduliuojamos jų fosforilinimo būdu, taigi galima reguliuoti kalcio kanalų, pavyzdžiui, miokardo, jonų pralaidumo būseną.

Specialus ligandų valdomų kalcio jonų kanalų tipas yra lygiųjų raumenų ląstelių endoplazminio tinklo membranose lokalizuoti kanalai, kurių pralaidumo būseną kontroliuoja antrinio pasiuntinio IPG intracelulinis lygis. Naudojant šiuos kanalus kaip pavyzdį, susiduriame su atveju, kai tarpląstelinė signalinė molekulė-agonistas, aktyvuojantis tikslinės lygiųjų raumenų ląstelės plazminės membranos receptorius, įjungia intracelulinio signalo perdavimo inozitolio fosfato kelią, o tai savo ruožtu per IPE veikimas, aktyvuoja kitą kanalą formuojantį baltymą ląstelės organelės membranoje. Visa ši signalo perdavimo įvykių grandinė baigiasi Ca 2+ jonų išsiskyrimu iš intraląstelinių atsargų, kurie suaktyvina ir kontroliuoja lygiųjų raumenų ląstelių susitraukimo molekulinį mechanizmą.

Mechaniškai jautrūs kalcio kanalai

Jie yra lokalizuoti kraujagyslių sienelių lygiųjų miocitų, vidaus organų mioito, kraujagyslių endotelio ir bronchų epitelio plazminėje membranoje. Šie kanalai gali būti susiję su glikoproteinų mechanoreceptoriais. Reaguojant į mechaninį įtempimą (pavyzdžiui, kraujagyslės sienelės tempimą dėl kraujospūdžio), padidėja Ca 2+ jonų pralaidumas. Mechaniškai jautrūs kanalai neturi didelio selektyvumo ir vienu metu keičia savo pralaidumą daugeliui katijonų. Kalcio ir natrio patekimas į lygiųjų raumenų ląstelę sukelia jos membranos depoliarizaciją, nuo įtampos priklausomų kalcio kanalų atsidarymą, padidina kalcio patekimą ir lygiųjų miocitų susitraukimą.

Šie įvykiai yra dalis kraujagyslių tonuso prisitaikymo ir kraujo tėkmės reguliavimo mechanizmo prie besikeičiančių kraujospūdžio verčių kraujagyslėje ir kraujo tėkmės greičio (miogeninio reguliavimo). Be to, mechaniškai jautrūs kalcio kanalai yra susiję su kraujagyslių streso atsipalaidavimo mechanizmų įgyvendinimu ilgalaikio kraujospūdžio padidėjimo metu.

Chloro kanalai

Chlorido kanalai yra daugumos ląstelių plazminėse membranose. Jie atlieka svarbų vaidmenį palaikant transmembraninį potencialų skirtumą ramybės būsenoje ir jų poslinkius, kai keičiasi ląstelių funkcinis aktyvumas. Chlorido kanalai dalyvauja reguliuojant ląstelių tūrį, transepitelinį medžiagų transportavimą ir sekrecinių ląstelių skysčių sekreciją.

Pagal aktyvavimo mechanizmus išskiriamos trys chloro kanalų superšeimos: įtampa valdomi, ligandiniai ir kiti įtampai nejautrūs chloro kanalai.

Nuo potencialo priklausomi chloro kanalai. Lokalizuota jaudinamųjų ir epitelio ląstelių membranose. Šių kanalų pralaidumo būseną kontroliuoja transmembraninio potencialo skirtumo dydis.

Galimas priklausomas chlorido kanalų pralaidumas skirtinguose audiniuose skiriasi. Taigi aksoninėje membranoje chloro kanalų pralaidumo priklausomybė nuo potencialų skirtumo yra nereikšminga ir neturi reikšmingos įtakos veikimo potencialo dydžio pokyčiui sužadinimo metu, o skeleto raumenyse ši chloro kanalų pralaidumo priklausomybė. yra aukštesnis.

CLC1 kanalas yra tipiškas griaučių raumenų sarkolemminės raumenų skaidulos chlorido kanalų atstovas. Kanalas pasižymi pralaidumu per visą transmembraninės įtampos pokyčių diapazoną ramybės būsenoje, aktyvuojamas depoliarizacijos metu ir inaktyvuojamas membranos hiperpoliarizacijos metu.

Ligandiniai chlorido kanalai. Daugiausia išreiškiamas nerviniame audinyje. Šių chlorido kanalų pralaidumo būseną pirmiausia kontroliuoja tarpląsteliniai ligandai, tačiau jie gali būti jautrūs intracelulinei kalcio koncentracijai ir aktyvuoti G baltymų bei cAMP. Šio tipo kanalai yra plačiai paplitę postsinapsinėse membranose ir naudojami postsinapsiniam slopinimui. Kanalų pralaidumo būsena kontroliuojama aktyvuojant kanalus ligandais – slopinančiais neurotransmiteriais (γ-aminosviesto rūgštimi ir glicinu).

Įtampai nejautrūs chloro kanalai. Apima pasyviuosius chlorido kanalus, ATP jautrius kanalus ir intersticinės fibrozės transmembraninio laidumo reguliatorių (cistinėfibrozėtransmembraninislaidumasreguliatorius- CFTR).

CFTR, matyt, susideda iš paties chloro kanalo ir reguliavimo kanalo, atstovaujamo specialios reguliavimo srities (P domeno). Šių kanalų jonų laidumo reguliavimas atliekamas reguliuojantį domeną fosforilinant cAMP priklausoma baltymų kinaze. Šio kanalo struktūros ir funkcijos pažeidimas sukelia rimtos ligos vystymąsi, kartu su daugelio audinių disfunkcija - intersticine fibroze.

Akvaporinai

Akvaporinai(nuo lat. aqua- vanduo, graikiškas porus- kanalas, poros) - baltymai, kurie sudaro vandens kanalus ir užtikrina vandens pernešimą per membraną. Akvaporinai yra vientisi, tetrameriniai membraniniai baltymai, kurių monomero masė yra apie 30 kDa. Taigi kiekvienas akvaporinas sudaro keturis vandens kanalus (8 pav.).

Ypatinga šių kanalų savybė ta, kad juose esančios vandens molekulės gali judėti izosmosinėmis sąlygomis, t.y. kai jų neveikia osmosinio gradiento jėgos. Santrumpa AQP naudojama akvaporinams apibūdinti. Išskirta ir aprašyta nemažai akvaporinų tipų: AQP1 – proksimalinių inkstų kanalėlių epitelio membranose, Henlės kilpos nusileidžiančioje galūnėje; endotelio ir lygiųjų kraujagyslių miocitų membranose, stiklakūnio kūno struktūrose; AQP2 - surinkimo kanalų epitelio membranose. Nustatyta, kad šis akvaporinas yra jautrus antidiuretinio hormono veikimui, todėl jį galima laikyti ligandų valdomu vandens kanalu. Geno, kuris kontroliuoja šio akvaporino sintezę, ekspresiją reguliuoja antidiurezinis hormonas; AQP3 randamas ragenos ląstelių membranose; AQP4 – smegenų ląstelėse.

Ryžiai. 8. AQP1 vandens kanalo struktūra: a - kanalą sudarančios peptidinės grandinės; b — surinktas kanalas: A, B, C, D, E — baltymų grandinės atkarpos

Paaiškėjo, kad AQP1 ir AQP4 vaidina svarbų vaidmenį formuojant ir cirkuliuojant smegenų skysčiui. Akvaporinai randami virškinamojo trakto epitelyje: AQP4 – skrandyje ir plonojoje žarnoje; AQP5 – seilių liaukose; AQP6 – plonojoje žarnoje ir kasoje; AQP7 – plonojoje žarnoje; AQP8, AQP9 – kepenyse. Kai kurie akvaporinai perneša ne tik vandens molekules, bet ir jame tirpias organines medžiagas (deguonį, glicerolį, karbamidą). Taigi, akvaporinai atlieka svarbų vaidmenį vandens apykaitai organizme, o jų funkcijos sutrikimas gali būti viena iš priežasčių, lemiančių smegenų ir plaučių edemos susidarymą bei inkstų ir širdies nepakankamumo vystymąsi.

Jonų pernešimo per membranas mechanizmų išmanymas ir šiam transportavimui įtakos turinčių metodų išmanymas yra būtina sąlyga ne tik norint suprasti gyvybinių funkcijų reguliavimo mechanizmus, bet ir teisingai parinkti vaistus, gydant daugybę ligų (hipertenzijos). , bronchinė astma, širdies aritmija, vandens ir druskos apykaitos sutrikimai ir kt.).

Norint suprasti fiziologinių procesų organizme reguliavimo mechanizmus, būtina žinoti ne tik ląstelių membranų struktūrą ir pralaidumą įvairioms medžiagoms, bet ir sudėtingesnių struktūrinių darinių, esančių tarp kraujo ir įvairių įvairių audinių audinių, struktūrą ir pralaidumą. organai.

Į viršų

		1 visiškai nesutinku	2 nesutinka	3 Nežinau	4 sutinku	5 visiškai sutinku
	Ši veikla lavino mano problemų sprendimo įgūdžius.
	Norint sėkmingai užbaigti šią pamoką, tereikia geros atminties.
	Ši veikla lavino mano gebėjimą dirbti komandoje.
	Ši veikla pagerino mano analitinius įgūdžius.
	Ši pamoka pagerino mano rašymo įgūdžius.
	Klasėje reikėjo giliai suprasti medžiagą.