Membrānas proteīni kā jonu kanāli. Selektīvie un neselektīvie kanāli

Jonu kanāli ko attēlo integrālie membrānas proteīni. Šīs olbaltumvielas noteiktās ietekmēs spēj mainīt savu konformāciju (formu un īpašības) tā, ka poras, caur kurām var iziet jebkurš jons, atveras vai aizveras. Ir zināmi nātrija, kālija, kalcija un hlora kanāli; dažreiz kanāls var iziet divus jonus, piemēram, ir zināmi nātrija-kalcija kanāli. Pa jonu kanāliem notiek tikai pasīvā jonu transportēšana. Tas nozīmē, ka, lai jons varētu kustēties, ir nepieciešams ne tikai atvērts kanāls, bet arī šī jona koncentrācijas gradients. Šajā gadījumā jons pārvietosies pa koncentrācijas gradientu - no apgabala ar augstāku koncentrāciju uz apgabalu ar zemāku koncentrāciju. Jāatceras, ka runa ir par joniem – lādētām daļiņām, kuru transportu arī nosaka lādiņš. Ir iespējamas situācijas, kad kustību pa koncentrācijas gradientu var virzīt vienā virzienā, un esošie lādiņi neitralizē šo pārnesi.

Jonu kanāliem ir divas svarīgas īpašības: 1) selektivitāte (selektivitāte) pret noteiktiem joniem un 2) spēja atvērt (aktivizēt) un aizvērt. Kad tas ir aktivizēts, kanāls atveras un ļauj joniem iziet cauri (8. att.). Tādējādi integrālo proteīnu kompleksam, kas veido kanālu, obligāti jāietver divi elementi: struktūras, kas atpazīst “savu” jonu un spēj to izlaist, un struktūras, kas ļauj zināt, kad šim jonam jālaiž cauri. Kanāla selektivitāti nosaka olbaltumvielas, kas to veido, “savu” jonu atpazīst pēc tā izmēra un lādiņa.

Kanāla aktivizēšana iespējams vairākos veidos. Pirmkārt, kanāli var atvērties un aizvērties, mainoties membrānas potenciālam. Lādiņa maiņa izraisa izmaiņas olbaltumvielu molekulu konformācijā, un kanāls kļūst caurlaidīgs jonam. Lai mainītu kanāla īpašības, pietiek ar nelielām membrānas potenciāla svārstībām. Tādus kanālus sauc atkarīgs no sprieguma(vai elektriski vadāms). Otrkārt, kanāli var būt daļa no kompleksa olbaltumvielu kompleksa, ko sauc par membrānas receptoru. Šajā gadījumā kanāla īpašību izmaiņas izraisa proteīnu konformācijas pārkārtošanās, kas notiek receptora mijiedarbības rezultātā ar bioloģiski aktīvo vielu (hormonu, mediatoru). Tādus kanālus sauc ķīmijatkarīgs(vai ar receptoriem saistīts ) . Turklāt kanāli var atvērties mehāniski iedarbojoties – spiežot, stiepjoties (9. att.). Mehānismu, kas nodrošina aktivizēšanu, sauc par kanālu slēgšanu. Pamatojoties uz ātrumu, ar kādu kanāli atveras un aizveras, tos var iedalīt ātrajos un lēnajos.

Lielākā daļa kanālu (kālija, kalcija, hlorīda) var būt divos stāvokļos: atvērti un aizvērti. Nātrija kanālu darbībā ir dažas īpatnības. Šie kanāli, piemēram, kālijs, kalcijs un hlorīds, mēdz būt vai nu atvērtā, vai slēgtā stāvoklī, tomēr nātrija kanāls var būt arī deaktivizēts, tas ir stāvoklis, kad kanāls ir aizvērts un nevar tikt atvērts ar jebkādu ietekmi ( 10. att.).

8. attēls. Jonu kanālu stāvokļi

9. attēls. Uztvērēja kanāla piemērs. ACh – acetilholīns. ACh molekulas mijiedarbība ar membrānas receptoru izmaina vārtu proteīna konformāciju tā, ka kanāls sāk ļaut iziet cauri joniem.

10. attēls. No potenciāla atkarīga kanāla piemērs

Sprieguma regulētajam nātrija kanālam ir aktivizācijas un inaktivācijas vārti (vārti). Aktivizācijas un inaktivācijas vārti maina konformāciju dažādos membrānas potenciālos.

Apskatot ierosmes mehānismus, mūs galvenokārt interesēs nātrija un kālija kanālu darbs, tomēr īsi pakavēsimies pie kalcija kanālu iezīmēm, tie mums būs nepieciešami nākotnē. Nātrija un kalcija kanāli atšķiras pēc to īpašībām. Nātrija kanāli ir ātri un lēni, savukārt kalcija kanāli ir tikai lēni. Nātrija kanālu aktivizēšana izraisa tikai depolarizāciju un LO vai AP rašanos; kalcija kanālu aktivizēšana var papildus izraisīt vielmaiņas izmaiņas šūnā. Šīs izmaiņas ir saistītas ar faktu, ka kalcijs saistās ar īpašām olbaltumvielām, kas ir jutīgas pret šo jonu. Ar kalciju saistītais proteīns maina savas īpašības tādā veidā, ka kļūst spējīgs mainīt citu proteīnu īpašības, piemēram, aktivizē fermentus, izraisa muskuļu kontrakciju un izdala mediatorus.

Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām bioloģiskās membrānas veido visu dzīvnieku šūnu ārējo apvalku un veido daudzas intracelulāras organellas. Raksturīgākā struktūras iezīme ir tā, ka membrānas vienmēr veido slēgtas telpas, un šī membrānu mikrostrukturālā organizācija ļauj tām veikt būtiskas funkcijas.

Šūnu membrānu uzbūve un funkcijas.

1. Barjerfunkcija izpaužas tajā, ka membrāna, izmantojot atbilstošus mehānismus, piedalās koncentrācijas gradientu veidošanā, novēršot brīvo difūziju. Šajā gadījumā membrāna piedalās elektroģenēzes mehānismos. Tajos ietilpst mehānismi miera potenciāla radīšanai, darbības potenciāla ģenerēšana, mehānismi bioelektrisko impulsu izplatīšanai pa viendabīgām un neviendabīgām uzbudināmām struktūrām.

2. Šūnu membrānas regulējošā funkcija ir intracelulārā satura un intracelulāro reakciju smalka regulēšana ārpusšūnu bioloģiski aktīvo vielu uzņemšanas dēļ, kas izraisa izmaiņas membrānas enzīmu sistēmu darbībā un sekundāro “ sūtņi” (“starpnieki”).

3. Ārējo neelektriska rakstura stimulu pārvēršana elektriskos signālos (receptoros).

4. Neirotransmiteru atbrīvošanās sinaptiskajos galos.

Mūsdienu elektronu mikroskopijas metodes noteica šūnu membrānu biezumu (6-12 nm). Ķīmiskā analīze parādīja, ka membrānas galvenokārt sastāv no lipīdiem un olbaltumvielām, kuru daudzums dažādos šūnu tipos atšķiras. Šūnu membrānu funkcionēšanas molekulāro mehānismu izpētes grūtības ir saistītas ar to, ka, izolējot un attīrot šūnu membrānas, tiek traucēta to normāla darbība. Pašlaik mēs varam runāt par vairākiem šūnu membrānu modeļu veidiem, starp kuriem šķidrās mozaīkas modelis ir visizplatītākais.

Saskaņā ar šo modeli membrānu attēlo fosfolipīdu molekulu divslānis, kas ir orientēts tā, ka molekulu hidrofobie gali atrodas divslāņa iekšpusē, bet hidrofilie gali ir novirzīti ūdens fāzē. Šī struktūra ir ideāli piemērota, lai veidotu atdalīšanu starp divām fāzēm: ārpusšūnu un intracelulāro.

Globulārie proteīni ir integrēti fosfolipīdu divslānī, kura polārie apgabali veido hidrofilu virsmu ūdens fāzē. Šīs integrētās olbaltumvielas pilda dažādas funkcijas, tostarp receptoru, enzīmu, veido jonu kanālus, ir membrānas sūkņi un jonu un molekulu transportētāji.

Dažas olbaltumvielu molekulas brīvi izkliedējas lipīdu slāņa plaknē; normālā stāvoklī olbaltumvielu molekulu daļas, kas parādās dažādās šūnas membrānas pusēs, nemaina savu stāvokli.

Membrānu elektriskie parametri:

Kapacitatīvās īpašības galvenokārt nosaka fosfolipīdu divslānis, kas ir necaurlaidīgs hidratētiem joniem un tajā pašā laikā pietiekami plāns (apmēram 5 nm), lai nodrošinātu efektīvu lādiņu atdalīšanu un uzkrāšanos, kā arī katjonu un anjonu elektrostatisko mijiedarbību. Turklāt šūnu membrānu kapacitatīvās īpašības ir viens no iemesliem, kas nosaka šūnu membrānās notiekošo elektrisko procesu laika raksturlielumus.

Vadītspēja (g) ir elektriskās pretestības apgrieztā vērtība un ir vienāda ar konkrētā jona kopējās transmembrānas strāvas attiecību pret vērtību, kas noteica tā transmembrānas potenciāla starpību.

Caur fosfolipīdu divslāni var izkliedēties dažādas vielas, un caurlaidības pakāpe (P), t.i., šūnu membrānas spēja iziet šīs vielas, ir atkarīga no difundējošās vielas koncentrācijas atšķirības abās membrānas pusēs, tās šķīdības. lipīdos un šūnu membrānas īpašībās.

Membrānas vadītspēja ir tās jonu caurlaidības mērs. Vadītspējas palielināšanās norāda uz to jonu skaita palielināšanos, kas iet caur membrānu.

Jonu kanālu uzbūve un funkcijas. Na+, K+, Ca2+, Cl- joni iekļūst šūnā un iziet pa īpašiem ar šķidrumu pildītiem kanāliem. Kanāla izmērs ir diezgan mazs.

Visi jonu kanāli ir sadalīti šādās grupās:

1. Pēc selektivitātes:

a) Selektīvs, t.i. specifisks. Šie kanāli ir caurlaidīgi stingri noteiktiem joniem.

b) mazselektīvs, nespecifisks, bez specifiskas jonu selektivitātes. Membrānā to ir neliels skaits.

1. Saskaņā ar caurlaidīgo jonu raksturu:

a) kālijs

b) nātrijs

c) kalcijs

d) hlors

1. Atbilstoši inaktivācijas ātrumam, t.i. slēgšana:

a) ātri deaktivizējas, t.i. ātri pārvēršas slēgtā stāvoklī. Tie nodrošina strauji pieaugošu MP samazinājumu un tikpat ātru atveseļošanos.

b) lēnas darbības. To atvēršana izraisa lēnu MP samazināšanos un tā lēnu atjaunošanos.

4. Saskaņā ar atvēršanas mehānismiem:

a) no potenciāla atkarīga, t.i. tie, kas atveras noteiktā membrānas potenciāla līmenī.

b) ķīmijatkarīgs, atveras, kad šūnu membrānas ķīmijreceptori tiek pakļauti fizioloģiski aktīvām vielām (neirotransmiteri, hormoni utt.).

Tagad ir noskaidrots, ka jonu kanāliem ir šāda struktūra:

1. Selektīvā filtrs atrodas pie kanāla ietekas. Tas nodrošina stingri noteiktu jonu pāreju caur kanālu.

2. Aktivizācijas vārti, kas atveras pie noteiktā membrānas potenciāla līmeņa vai atbilstošās PAS darbības. No potenciāla atkarīgo kanālu aktivizācijas vārtiem ir sensors, kas tos atver noteiktā MP līmenī.

3. Inaktivācijas vārti, kas nodrošina kanāla slēgšanu un jonu plūsmas pārtraukšanu caur kanālu noteiktā MP līmenī (att.).

Nespecifiskiem jonu kanāliem nav vārtu.

Selektīvie jonu kanāli var pastāvēt trīs stāvokļos, ko nosaka aktivizācijas (m) un inaktivācijas (h) vārtu novietojums:

1.Aizvērts, kad aktivizēšanas ir aizvērtas un inaktivācijas ir atvērtas.

2. Aktivizēts, abi vārti ir atvērti.

3. Inaktivēts, aktivizācijas vārti ir atvērti un inaktivācijas vārti ir aizvērti

Jonu kanālu funkcijas:

1. Kālijs (atpūtas stāvoklī) – miera potenciāla ģenerēšana

2. Nātrijs – darbības potenciāla ģenerēšana

3. Kalcijs – lēnas darbības ģenerēšana

4. Kālijs (aizkavēta rektifikācija) – repolarizācijas nodrošināšana

5. Kālija kalcija aktivēts – ierobežojoša Ca+2 strāvas izraisīta depolarizācija

Jonu kanālu funkcija tiek pētīta dažādos veidos. Visizplatītākā metode ir sprieguma skava vai "sprieguma skava". Metodes būtība ir tāda, ka ar īpašu elektronisko sistēmu palīdzību eksperimenta laikā tiek mainīts un fiksēts membrānas potenciāls noteiktā līmenī. Šajā gadījumā mēra jonu strāvas lielumu, kas plūst caur membrānu. Ja potenciālu starpība ir nemainīga, tad saskaņā ar Oma likumu strāvas lielums ir proporcionāls jonu kanālu vadītspējai. Reaģējot uz pakāpenisku depolarizāciju, atveras noteikti kanāli un atbilstošie joni iekļūst šūnā pa elektroķīmisko gradientu, t.i., rodas jonu strāva, kas depolarizē šūnu. Šīs izmaiņas nosaka vadības pastiprinātājs, un caur membrānu tiek izvadīta elektriskā strāva, kuras stiprums ir vienāds, bet ir pretējs membrānas jonu strāvai. Šajā gadījumā transmembrānas potenciālu starpība nemainās.

Atsevišķu kanālu funkcijas izpēte ir iespējama, izmantojot “ceļa skavas” potenciāla lokālās fiksācijas metodi. Stikla mikroelektrodu (mikropipetu) piepilda ar fizioloģisko šķīdumu, piespiež pret membrānas virsmu un tiek izveidots neliels vakuums. Šajā gadījumā daļa no membrānas tiek iesūkta uz mikroelektrodu. Ja iesūkšanas zonā parādās jonu kanāls, tad tiek reģistrēta viena kanāla aktivitāte. Kanāla aktivitātes kairinājuma un reģistrēšanas sistēma maz atšķiras no sprieguma reģistrēšanas sistēmas.

Strāvai caur vienu jonu kanālu ir taisnstūra forma, un tā amplitūda ir vienāda dažādu veidu kanāliem. Kanāla uzturēšanās ilgums atvērtā stāvoklī ir varbūtējs, bet atkarīgs no membrānas potenciāla vērtības. Kopējo jonu strāvu nosaka iespējamība, ka noteikts skaits kanālu atrodas atvērtā stāvoklī katrā noteiktā laika periodā.

Kanāla ārējā daļa ir salīdzinoši pieejama izpētei, iekšējās daļas izpēte rada ievērojamas grūtības. P. G. Kostjuks izstrādāja intracelulārās dialīzes metodi, kas ļauj izpētīt jonu kanālu ieejas un izejas struktūru funkcijas, neizmantojot mikroelektrodus. Izrādījās, ka ārpusšūnu telpai atvērtā jonu kanāla daļa pēc savām funkcionālajām īpašībām atšķiras no kanāla daļas, kas vērsta pret intracelulāro vidi.

Tieši jonu kanāli nodrošina divas svarīgas membrānas īpašības: selektivitāti un vadītspēju.

Kanāla selektivitāti jeb selektivitāti nodrošina tā īpašā proteīna struktūra. Lielākā daļa kanālu tiek vadīti elektriski, tas ir, to spēja vadīt jonus ir atkarīga no membrānas potenciāla lieluma. Kanāls ir neviendabīgs pēc funkcionālajām īpašībām, īpaši attiecībā uz proteīnu struktūrām, kas atrodas pie kanāla ieejas un tā izejas (tā sauktie vārtu mehānismi).

Apskatīsim jonu kanālu darbības principu, kā piemēru izmantojot nātrija kanālu. Tiek uzskatīts, ka miera stāvoklī nātrija kanāls ir slēgts. Kad šūnas membrāna tiek depolarizēta līdz noteiktam līmenim, atveras m-aktivācijas vārti (aktivācija) un palielinās Na+ jonu plūsma šūnā. Dažas milisekundes pēc m-vārtu atvēršanas aizveras h-vārti, kas atrodas pie nātrija kanālu izejas (inaktivācija). Šūnu membrānā inaktivācija attīstās ļoti ātri, un inaktivācijas pakāpe ir atkarīga no depolarizējošā stimula darbības lieluma un laika.

Resnā nervu šķiedrā ģenerējot vienu darbības potenciālu, Na+ jonu koncentrācijas izmaiņas iekšējā vidē ir tikai 1/100 000 no kalmāru milzu aksona iekšējā Na+ jonu satura.

Papildus nātrijam šūnu membrānās ir uzstādīti arī cita veida kanāli, kas selektīvi ir caurlaidīgi atsevišķiem joniem: K+, Ca2+, un šiem joniem ir dažādi kanāli.

Hodžkins un Hakslijs formulēja kanālu “neatkarības” principu, saskaņā ar kuru nātrija un kālija plūsma caur membrānu nav viena no otras neatkarīga.

Dažādu kanālu vadītspējas īpašības nav vienādas. Jo īpaši kālija kanāliem inaktivācijas process nepastāv, tāpat kā nātrija kanāliem. Ir speciāli kālija kanāli, kas tiek aktivizēti, kad intracelulārā kalcija koncentrācija palielinās un šūnu membrāna depolarizējas. No kālija-kalcija atkarīgo kanālu aktivizēšana paātrina repolarizāciju, tādējādi atjaunojot sākotnējo miera potenciāla vērtību.

Īpaša interese ir par kalcija kanāliem. Ienākošā kalcija strāva parasti nav pietiekami liela, lai normāli depolarizētu šūnu membrānu. Visbiežāk kalcijs, kas nonāk šūnā, darbojas kā “sūtnis” jeb sekundārais kurjers. Kalcija kanālu aktivizēšana tiek panākta ar šūnu membrānas depolarizāciju, piemēram, ar ienākošo nātrija strāvu.

Kalcija kanālu inaktivācijas process ir diezgan sarežģīts. No vienas puses, brīvā kalcija intracelulārās koncentrācijas palielināšanās izraisa kalcija kanālu inaktivāciju. No otras puses, olbaltumvielas šūnu citoplazmā saista kalciju, kas ļauj ilgstoši uzturēt stabilu kalcija strāvu, kaut arī zemā līmenī; šajā gadījumā nātrija strāva tiek pilnībā nomākta. Kalcija kanāliem ir būtiska loma sirds šūnās. Kardiomiocītu elektroģenēze ir aplūkota 7. nodaļā. Šūnu membrānu elektrofizioloģiskās īpašības tiek pētītas, izmantojot īpašas metodes.

Visus dzīvos audos esošos kanālus, un tagad mēs zinām vairākus simtus kanālu veidu, var iedalīt divos galvenajos veidos. Pirmais veids ir atpūtas kanāli, kas spontāni atveras un aizveras bez jebkādas ārējas ietekmes. Tie ir svarīgi, lai radītu miera membrānas potenciālu. Otrs veids ir tā sauktais vārtu kanāli, vai portāla kanāli(no vārda "vārti") . Miera stāvoklī šie kanāli ir slēgti un var atvērties noteiktu stimulu ietekmē. Daži šādu kanālu veidi ir iesaistīti darbības potenciālu ģenerēšanā.

Lielākā daļa jonu kanālu ir raksturoti selektivitāte(selektivitāte), tas ir, tikai daži joni iet caur noteikta veida kanālu. Pamatojoties uz šo pazīmi, izšķir nātrija, kālija, kalcija un hlorīda kanālus. Kanālu selektivitāti nosaka poru izmērs, jona un tā hidratācijas apvalka lielums, jona lādiņš, kā arī kanāla iekšējās virsmas lādiņš. Tomēr ir arī neselektīvi kanāli, kas vienlaikus var nodot divu veidu jonus: piemēram, kāliju un nātriju. Ir kanāli, pa kuriem var iziet visi joni un pat lielākas molekulas.

Ir jonu kanālu klasifikācija saskaņā ar aktivizācijas metode(9. att.). Daži kanāli īpaši reaģē uz fiziskām izmaiņām neirona šūnu membrānā. Šīs grupas redzamākie pārstāvji ir ar spriegumu aktivizēti kanāli. Piemēri ir sprieguma jutīgie nātrija, kālija un kalcija jonu kanāli uz membrānas, kas ir atbildīgi par darbības potenciāla veidošanos. Šie kanāli atveras pie noteikta membrānas potenciāla. Tādējādi nātrija un kālija kanāli atveras pie aptuveni -60 mV potenciāla (membrānas iekšējā virsma ir negatīvi uzlādēta salīdzinājumā ar ārējo virsmu). Kalcija kanāli atveras pie -30 mV potenciāla. Fizisku izmaiņu rezultātā aktivizēto kanālu grupa ietver

9. attēls. Jonu kanālu aktivizēšanas metodes

(A) Jonu kanāli, ko aktivizē membrānas potenciāla izmaiņas vai membrānas stiepšanās. (B) Jonu kanāli, ko aktivizē ķīmiskie aģenti (ligandi) no ārpusšūnu vai intracelulārās puses.

Arī mehāniski jutīgi kanāli kas reaģē uz mehānisko spriegumu (šūnas membrānas izstiepšanos vai deformāciju). Vēl viena jonu kanālu grupa atveras, kad ķīmiskās vielas aktivizē īpašas receptoru saistīšanās vietas kanāla molekulā. Tādas ligandu aktivētie kanāli ir sadalīti divās apakšgrupās atkarībā no tā, vai to receptoru centri ir intracelulāri vai ārpusšūnu. Tiek saukti arī par ligandu aktivizētiem kanāliem, kas reaģē uz ārpusšūnu stimuliem jonotropie receptori.Šādi kanāli ir jutīgi pret raidītājiem un ir tieši iesaistīti informācijas pārraidē sinaptiskajās struktūrās. Ligandu aktivētie kanāli, kas tiek aktivizēti no citoplazmas puses, ietver kanālus, kas ir jutīgi pret specifisku jonu koncentrācijas izmaiņām. Piemēram, kalcija aktivētie kālija kanāli tiek aktivizēti, lokāli palielinot intracelulāro kalcija koncentrāciju. Šādiem kanāliem ir svarīga loma šūnu membrānas repolarizācijā darbības potenciāla pārtraukšanas laikā. Papildus kalcija joniem tipiski intracelulāro ligandu pārstāvji ir cikliskie nukleotīdi. Piemēram, cikliskais GMP ir atbildīgs par nātrija kanālu aktivizēšanu tīklenes stieņos. Šim kanāla veidam ir būtiska loma vizuālā analizatora darbībā. Atsevišķs kanāla darbības modulācijas veids, saistot intracelulāro ligandu, ir atsevišķu tā proteīna molekulas sekciju fosforilēšana/defosforilēšana intracelulāro enzīmu – proteīnkināžu un proteīnu fosfatāžu – iedarbībā.

Piedāvātā kanālu klasifikācija pēc aktivizācijas metodes lielākoties ir patvaļīga. Dažus jonu kanālus var aktivizēt tikai daži stimuli. Piemēram, kalcija aktivētie kālija kanāli ir arī jutīgi pret potenciāla izmaiņām, un daži ar spriegumu aktivizētie jonu kanāli ir jutīgi pret intracelulāriem ligandiem.

Uzbudināmās membrānas modelis saskaņā ar Hodžkina-Hukslija teoriju paredz kontrolētu jonu transportēšanu pa membrānu. Tomēr tieša jonu pāreja caur lipīdu divslāni ir ļoti sarežģīta, un tāpēc jonu plūsma būtu maza.

Šis un vairāki citi apsvērumi ļāva uzskatīt, ka membrānai ir jābūt dažām īpašām struktūrām - vadošiem joniem. Šādas struktūras tika atrastas un nosauktas par jonu kanāliem. Līdzīgi kanāli ir izolēti no dažādiem objektiem: šūnu plazmas membrānas, muskuļu šūnu postsinaptiskās membrānas un citiem objektiem. Ir zināmi arī jonu kanāli, ko veido antibiotikas.

Jonu kanālu galvenās īpašības:

1) selektivitāte;

2) atsevišķu kanālu darbības neatkarība;

3) vadītspējas diskrētais raksturs;

4) kanāla parametru atkarība no membrānas potenciāla.

Apskatīsim tos secībā.

1. Selektivitāte ir jonu kanālu spēja selektīvi ļaut viena veida joniem iziet cauri.

Jau pirmajos eksperimentos ar kalmāru aksonu tika atklāts, ka Na+ un Kt joniem ir atšķirīga ietekme uz membrānas potenciālu. K+ joni maina miera potenciālu, bet Na+ joni – darbības potenciālu. Hodžkina-Hukslija modelis to apraksta, ieviešot neatkarīgus kālija un nātrija jonu kanālus. Tika pieņemts, ka pirmie ļauj iziet cauri tikai K+ joniem, bet pēdējie tikai caur Na+ joniem.

Mērījumi ir parādījuši, ka jonu kanāliem ir absolūta selektivitāte pret katjoniem (katjonu selektīvie kanāli) vai anjoniem (anjonu selektīvie kanāli). Tajā pašā laikā dažādi dažādu ķīmisko elementu katjoni var iziet cauri katjonu selektīviem kanāliem, bet membrānas vadītspēja mazākajam jonam un līdz ar to arī strāva caur to būs ievērojami zemāka, piemēram, Na + kanālam. , kālija strāva caur to būs 20 reizes mazāka. Jonu kanāla spēju izlaist dažādus jonus sauc par relatīvo selektivitāti, un to raksturo selektivitātes rinda - kanālu vadītspējas attiecība dažādiem joniem, kas ņemti vienā un tajā pašā koncentrācijā. Šajā gadījumā galvenajam jonam selektivitāte tiek pieņemta kā 1. Piemēram, Na+ kanālam šī sērija ir šāda:

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

2. Atsevišķu kanālu darbības neatkarība. Strāvas plūsma caur atsevišķu jonu kanālu nav atkarīga no tā, vai strāva plūst caur citiem kanāliem. Piemēram, K + kanālus var ieslēgt vai izslēgt, bet strāva caur Na + kanāliem nemainās. Kanālu ietekme viens uz otru notiek netieši: dažu kanālu (piemēram, nātrija) caurlaidības izmaiņas maina membrānas potenciālu, un tas jau ietekmē citu jonu kanālu vadītspēju.

3. Jonu kanālu vadītspējas diskrētais raksturs. Jonu kanāli ir proteīnu apakšvienību komplekss, kas aptver membrānu. Tās centrā ir caurule, caur kuru var iziet joni. Jonu kanālu skaits uz 1 μm 2 membrānas virsmas tika noteikts, izmantojot radioaktīvi iezīmētu nātrija kanālu blokatoru - tetrodotoksīnu. Ir zināms, ka viena TTX molekula saistās tikai ar vienu kanālu. Tad parauga radioaktivitātes mērīšana ar zināmu laukumu ļāva parādīt, ka uz 1 µm2 kalmāru aksonu ir aptuveni 500 nātrija kanālu.

Tās transmembrānas strāvas, kas tiek mērītas tradicionālajos eksperimentos, piemēram, uz kalmāru aksona, kura garums ir 1 cm un diametrs ir 1 mm, tas ir, laukums 3 * 10 7 μm 2, rodas kopējās reakcijas (izmaiņas vadītspēja) 500 3 10 7 -10 10 jonu kanālu. Šo reakciju raksturo vienmērīgas vadītspējas izmaiņas laika gaitā. Viena jonu kanāla reakcija laika gaitā mainās principiāli atšķirīgi: gan Na+ kanāliem, gan K+-, gan Ca 2+ kanāliem.

Pirmo reizi tas tika atklāts 1962. gadā lipīdu divslāņu membrānu (BLM) vadītspējas pētījumos, kad šķīdumam, kas ieskauj membrānu, tika pievienots noteiktas ierosmes izraisošas vielas mikrodaudzums. BLM tika pielikts pastāvīgs spriegums un tika reģistrēta strāva I (t). Strāva laika gaitā tika reģistrēta lēcienu veidā starp diviem vadošiem stāvokļiem.

Viena no efektīvākajām metodēm jonu kanālu eksperimentālai izpētei bija 80. gados izstrādātā membrānas potenciāla lokālās fiksācijas metode (“Patch Clamp”) (10. att.).

Rīsi. 10. Membrānas potenciāla lokālās fiksācijas metode. ME - mikroelektrods, IR - jonu kanāls, M - šūnu membrāna, SFP - potenciāla skavas ķēde, I - viena kanāla strāva

Metodes būtība ir tāda, ka ME mikroelektrods (10. att.) ar tievu galu, kura diametrs ir 0,5-1 μm, tiek piesūkts pie membrānas tā, lai jonu kanāls nonāktu tā iekšējā diametrā. Pēc tam, izmantojot potenciāla skavas ķēdi, ir iespējams izmērīt strāvas, kas iet tikai caur vienu membrānas kanālu, nevis caur visiem kanāliem vienlaikus, kā tas notiek, izmantojot standarta potenciāla skavas metodi.

Dažādos jonu kanālos veikto eksperimentu rezultāti parādīja, ka jonu kanāla vadītspēja ir diskrēta un tā var būt divos stāvokļos: atvērtā vai slēgtā. Pārejas starp stāvokļiem notiek nejaušā laikā un pakļaujas statistikas likumiem. Nevar teikt, ka konkrētais jonu kanāls atvērsies tieši šajā laika brīdī. Jūs varat sniegt paziņojumu par kanāla atvēršanas iespējamību noteiktā laika intervālā.

4. Kanāla parametru atkarība no membrānas potenciāla. Nervu šķiedru jonu kanāli ir jutīgi pret membrānas potenciālu, piemēram, kalmāru aksona nātrija un kālija kanāli. Tas izpaužas faktā, ka pēc membrānas depolarizācijas sākuma attiecīgās strāvas sāk mainīties ar vienu vai otru kinētiku. Šis process notiek šādi: Jonu selektīvajam kanālam ir sensors - kāds tā konstrukcijas elements, kas ir jutīgs pret elektriskā lauka darbību (11. att.). Mainoties membrānas potenciālam, mainās uz to iedarbojošā spēka lielums, kā rezultātā šī jonu kanāla daļa pārvietojas un maina vārtu atvēršanas vai aizvēršanas varbūtību - sava veida slāpētāju, kas darbojas saskaņā ar “visu vai. nekas” likumu. Eksperimentāli pierādīts, ka membrānas depolarizācijas ietekmē palielinās iespējamība, ka nātrija kanāls pāriet vadošā stāvoklī. Sprieguma pārspriegums pāri membrānai, kas rodas potenciālo skavas mērījumu laikā, izraisa liela skaita kanālu atvēršanos. Caur tiem iet vairāk lādiņu, kas nozīmē vidēji lielāku strāvas plūsmu. Ir svarīgi, lai kanāla vadītspējas palielināšanas procesu noteiktu kanāla pārejas uz atvērtu stāvokli iespējamības palielināšanās, nevis atvērtā kanāla diametra palielināšanās. Tā ir mūsdienu izpratne par strāvas pārejas mehānismu caur vienu kanālu.

Gludas strāvu kinētiskās līknes, kas reģistrētas elektrisko mērījumu laikā uz lielām membrānām, tiek iegūtas, summējot daudzas pakāpeniskas strāvas, kas plūst pa atsevišķiem kanāliem. To summēšana, kā parādīts iepriekš, strauji samazina svārstības un nodrošina diezgan vienmērīgu transmembrānas strāvas laika atkarību.

Jonu kanāli var būt jutīgi arī pret citām fizikālām ietekmēm: mehāniskām deformācijām, ķīmisko vielu saistīšanos utt. Šajā gadījumā tie ir attiecīgi mehānoreceptoru, ķīmisko receptoru utt. strukturālais pamats.

Jonu kanālu izpēte membrānās ir viens no svarīgākajiem mūsdienu biofizikas uzdevumiem.

Jonu kanāla uzbūve.

Jonu selektīvais kanāls sastāv no šādām daļām (11. att.): iegremdēts proteīna daļas divslānī, kam ir apakšvienības struktūra; selektīvs filtrs, ko veido negatīvi lādēti skābekļa atomi, kas stingri atrodas noteiktā attālumā viens no otra un ļauj iziet cauri noteikta diametra joniem; vārtu daļa.

Jonu kanāla vārti tiek kontrolēti ar membrānas potenciālu, un tie var būt slēgtā stāvoklī (pārtraukta līnija) vai atvērtā stāvoklī (nepārtraukta līnija). Nātrija kanāla vārtu parastais stāvoklis ir aizvērts. Elektriskā lauka ietekmē palielinās atvērtā stāvokļa iespējamība, atveras vārti un hidratēto jonu plūsma spēj iziet cauri selektīvajam filtram.

Ja jons atbilst diametram, tas izmet hidratācijas apvalku un pārlec uz otru jonu kanāla pusi. Ja jonam ir pārāk liels diametrs, piemēram, tetraetilamonija, tas nevar iekļūt caur filtru un nevar šķērsot membrānu. Ja, gluži pretēji, jons ir pārāk mazs, tad tam ir grūtības ar selektīvo filtru, kas šoreiz ir saistīts ar grūtībām izdalīt jona hidratācijas apvalku.

Jonu kanālu blokatori vai nu nevar iziet cauri tam, iestrēgstot filtrā, vai arī, ja tie ir lielas molekulas, piemēram, TTX, tie steriski sakrīt ar kādu kanāla ieeju. Tā kā blokatoriem ir pozitīvs lādiņš, to uzlādētā daļa kā parasts katjons tiek ievilkta selektīvā filtra kanālā, un makromolekula to aizsprosto.

Tādējādi uzbudināmo biomembrānu elektrisko īpašību izmaiņas tiek veiktas, izmantojot jonu kanālus. Tās ir olbaltumvielu makromolekulas, kas iekļūst lipīdu divslānī un var pastāvēt vairākos atsevišķos stāvokļos. K + , Na + un Ca 2+ joniem selektīvo kanālu īpašības var būt dažādi atkarīgas no membrānas potenciāla, kas nosaka darbības potenciāla dinamiku membrānā, kā arī šādu potenciālu atšķirības dažādu šūnu membrānās. .

Rīsi. 11. Membrānas nātrija jonu kanāla struktūras šķērsgriezuma diagramma

Atsauksmes.

Dažādām vielām un jo īpaši minerālu joniem tas ir ārkārtīgi svarīgi šūnas dzīvē un jo īpaši uztveres, transformācijas, signālu pārraides no šūnas uz šūnu un intracelulārām struktūrām mehānismos.

Noteicošā loma šūnu membrānas caurlaidības stāvoklī ir to jonu kanāliem, kas veidojas kanālu veidojošie proteīni. Šo kanālu atvēršanu un aizvēršanos var kontrolēt ar potenciālu starpības lielumu starp membrānas ārējo un iekšējo virsmu, dažādām signalizācijas molekulām (hormoni, neirotransmiteri, vazoaktīvās vielas), sekundārajiem intracelulārā signāla pārraides ziņotājiem un minerālvielām. joni.

Jonu kanāls- vairākas apakšvienības (integrāli membrānas proteīni, kas satur transmembrānu segmentus, no kuriem katram ir α-spirālveida konfigurācija), kas nodrošina jonu transportēšanu pa membrānu.

Rīsi. 1. Jonu kanālu klasifikācija

Mūsdienu izpratne par jonu kanālu struktūru un funkcijām ir kļuvusi iespējama, pateicoties metožu izstrādei elektrisko strāvu reģistrēšanai, kas plūst caur izolētu membrānas sekciju, kurā ir atsevišķi jonu kanāli, kā arī izolējot un klonējot atsevišķus gēnus, kas kontrolē olbaltumvielu makromolekulu sintēze, kas spēj veidot jonu kanālus. Tas ļāva mākslīgi modificēt šādu molekulu struktūru, integrēt tās šūnu membrānās un pētīt atsevišķu peptīdu reģionu lomu kanālu funkciju veikšanā. Izrādījās, ka visu jonu kanālu kanālu veidojošajām olbaltumvielu molekulām ir dažas kopīgas struktūras iezīmes un parasti Tos attēlo lieli transmembrānas proteīni, kuru molekulmasa pārsniedz 250 kDa.

Tie sastāv no vairākām apakšvienībām. Parasti vissvarīgākais kanāla īpašības viņu a-apakšvienība. Šī apakšvienība piedalās jonu selektīvā cauruma veidošanā, transmembrānas potenciālu starpības sensora mehānismā - kanāla vārtos, un tai ir saistīšanās vietas eksogēniem un endogēniem ligandiem. Citas jonu kanālu struktūrā iekļautās apakšvienības spēlē palīgfunkciju, modulējot kanālu īpašības (2. att.).

Kanālu veidojošo proteīna molekulu attēlo ārpusmembrānas aminoskābju cilpas un intramembrānas spirālveida domēna reģioni, kas veido jonu kanālu apakšvienības. Olbaltumvielu molekula salocās membrānas plaknē tā, ka starp domēniem, kas saskaras savā starpā, veidojas pats jonu kanāls (skat. 2. att., apakšā pa labi).

Kanālu veidojošā proteīna molekula atrodas citoplazmas membrānā tā, ka tās trīsdimensiju telpiskā struktūra veido kanāla mutes, kas vērstas pret membrānas ārējo un iekšējo pusi, poras, kas piepildītas ar ūdeni, un “vārtus”. Pēdējos veido peptīdu ķēdes posms, kas var viegli mainīt savu konformāciju un noteikt kanāla atvērto vai slēgto stāvokli. Jonu kanāla selektivitāte un caurlaidība ir atkarīga no poru lieluma un tā lādiņa. Kanāla caurlaidību konkrētajam jonam nosaka arī tā izmērs, lādiņš un hidratācijas apvalks.

Rīsi. 2. Šūnas membrānas Na+ -jonu kanāla uzbūve: a - šūnas membrānas jonu kanāla α-vienības divdimensiju struktūra; b - kreisajā pusē - nātrija kanāls, kas sastāv no a-apakšvienības un divām P-apakšvienībām (skats no sāniem); labajā pusē ir nātrija kanāls no augšas. Skaitļos I. II. III. IV atzīmētie a-apakšvienības domēni

Jonu kanālu veidi

Ir aprakstīti vairāk nekā 100 jonu kanālu veidi, un to klasificēšanai tiek izmantotas dažādas pieejas. Viens no tiem ir balstīts uz kanālu struktūras un darbības mehānismu atšķirību ņemšanu vērā. Šajā gadījumā jonu kanālus var iedalīt vairākos veidos:

• pasīvie jonu kanāli vai miera kanāli;
• slotu kontaktu kanāli;
• kanāli, kuru stāvokli (atvērts vai aizvērts) kontrolē mehānisko faktoru (mehāniski jutīgo kanālu), potenciālo atšķirību uz membrānas (no sprieguma atkarīgo kanālu) vai ligandu, kas saistās ar kanālu veidojošo proteīnu, ietekme uz to vārtiem. membrānas ārējā vai iekšējā puse (ligandu aizvadīti kanāli).

Pasīvie kanāli

Šo kanālu atšķirīga iezīme ir tā, ka tie var būt atvērti (aktīvi) atpūtas šūnās, t.i. ja nav nekādas ietekmes. Tas iepriekš nosaka viņu otro nosaukumu - pasīvie kanāli. Tie nav stingri selektīvi, un caur tiem šūnu membrāna var “izplūst” vairāki joni, piemēram, K+ un CI+ K+ un Na+. Tāpēc šos kanālus dažreiz sauc par noplūdes kanāliem. Šo īpašību dēļ miera kanāliem ir svarīga loma miera membrānas potenciāla rašanās un uzturēšanas procesā uz šūnas citoplazmas membrānas, kuras mehānismi un nozīme ir aplūkota turpmāk. Pasīvie kanāli atrodas nervu šķiedru citoplazmas membrānās un to galos, šķērssvītrotajās šūnās, gludajos muskuļos, miokardā un citos audos.

Mehāniski jutīgi kanāli

Šo kanālu caurlaidības stāvoklis mainās mehāniski iedarbojoties uz membrānu, izraisot membrānas molekulu strukturālās iepakošanas traucējumus un tās stiepšanos. Šie kanāli ir plaši pārstāvēti asinsvadu, iekšējo orgānu, ādas, šķērssvītrotu muskuļu un gludo miocītu mehānoreceptoros.

No sprieguma atkarīgi kanāli

Šo kanālu stāvokli kontrolē elektriskā lauka spēki, ko rada membrānas potenciālu starpības lielums. Sprieguma kanāli var būt neaktīvā (slēgtā), aktīvā (atvērtā) un inaktivētā stāvoklī, ko kontrolē aktivizācijas un inaktivācijas vārtu stāvoklis atkarībā no potenciālu starpības visā membrānā.

Atpūtas šūnā ar spriegumu saistīts kanāls parasti ir slēgtā stāvoklī, no kura to var atvērt vai aktivizēt. Tā neatkarīgas atvēršanās iespējamība ir zema, un miera stāvoklī ir atvērts tikai neliels skaits šo kanālu membrānā. Transmembrānas potenciālu starpības samazināšanās (membrānas depolarizācija) izraisa kanāla aktivizāciju, palielinot tā atvēršanās iespējamību. Tiek pieņemts, ka aktivizācijas vārtu funkciju veic elektriski lādēta aminoskābju grupa, kas aizver ieeju kanāla mutē. Šīs aminoskābes ir potenciālu atšķirības sensors uz membrānas; sasniedzot noteiktu (kritisko) membrānas depolarizācijas līmeni, sensora molekulas uzlādētā daļa nobīdās kanālu veidojošās molekulas lipīdu mikrovides virzienā un vārti paver ieeju kanāla mutē (3. att.).

Kanāls kļūst atvērts (aktīvs), lai joni varētu pārvietoties pa to. Aktivizācijas vārtu atvēršanās ātrums var būt zems vai ļoti augsts. Atbilstoši šim indikatoram no sprieguma atkarīgie jonu kanāli tiek iedalīti ātros (piemēram, ātri sprieguma nātrija kanāli) un lēnajos (piemēram, lēni sprieguma vadītie kalcija kanāli). Ātrie kanāli atveras uzreiz (μs) un paliek atvērti vidēji 1 ms. To aktivizēšanu pavada strauja lavīnai līdzīga kanāla caurlaidības palielināšanās noteiktiem joniem.

Vēl viena peptīdu ķēdes daļa, kas ir aminoskābju secība blīvas bumbiņas (bumbiņas) formā uz pavediena, kas atrodas kanāla otras mutes izejā, spēj mainīt savu konformāciju. Kad uz membrānas mainās lādiņa zīme, bumba aizver izeju no mutes, un kanāls kļūst necaurlaidīgs (inaktivēts) jonam. Sprieguma jonu kanālu inaktivāciju var veikt, izmantojot citus mehānismus. Inaktivācija notiek kopā ar jonu kustības pārtraukšanu pa kanālu, un tā var notikt tikpat ātri kā aktivizēšana vai lēni - dažu sekunžu vai pat minūšu laikā.

Rīsi. 3. Sprieguma regulēto nātrija (augšējā) un kālija (apakšējā) kanālu aizbīdņu mehānisms

Lai atjaunotu sākotnējās jonu kanālu īpašības pēc to inaktivācijas, ir jāatgriež kanālu veidojošā proteīna sākotnējā telpiskā konformācija un vārtu stāvoklis. To panāk, atjaunojot membrānas potenciālu starpību (repolarizāciju) līdz līmenim, kas raksturīgs šūnas miera stāvoklim vai kādu laiku pēc inaktivācijas ar spēcīgu ietekmi uz membrānu. Pāreju no inaktivācijas stāvokļa uz sākotnējo (slēgto) sauc par kanāla reaktivāciju. Pēc atkārtotas aktivizēšanas jonu kanāls atgriežas gatavības stāvoklī tā atkārtotai atvēršanai. Sprieguma membrānas kanālu atkārtota aktivizēšana var būt arī ātra vai lēna.

Sprieguma jonu kanāli parasti ir ļoti selektīvi, un tiem ir izšķiroša nozīme ierosināšanā (darbības potenciālu ģenerēšanā), informācijas pārraidē pa nervu šķiedrām elektrisko signālu veidā, kā arī muskuļu kontrakcijas ierosināšanā un regulēšanā. Šie kanāli ir plaši pārstāvēti aferento un eferento nervu šķiedru membrānās, šķērssvītroto un gludo miocītu membrānās.

Zobu pulpu un mutes gļotādu inervējošo sensoro nervu (dendrītu) nervu galu membrānā ir iebūvēti no potenciāla atkarīgi jonu kanāli, kur to atvēršana nodrošina receptora potenciāla pārvēršanu nervu impulsā un sekojošu tā pārnešanu pa aferento nervu. šķiedra. Ar šo impulsu palīdzību uz centrālo nervu sistēmu tiek pārraidīta informācija par visa veida maņu sajūtām, ko cilvēks izjūt mutes dobumā (garša, temperatūra, mehāniskais spiediens, sāpes). Šādi kanāli nodrošina nervu impulsu rašanos uz neironu aksonu paugura membrānas un to pārnešanu pa eferentajām nervu šķiedrām, postsinaptisko potenciālu pārvēršanu postsinaptisko efektoršūnu darbības potenciālos. Šādu procesu piemērs ir nervu impulsu ģenerēšana trīskāršā nerva kodola motoriskajos neironos, kas pēc tam tiek pārraidīti pa tā eferentajām šķiedrām uz košļājamajiem muskuļiem un nodrošina apakšējā žokļa košļājamo kustību ierosināšanu un regulēšanu.

Pētot smalkos sprieguma kontrolēto jonu kanālu funkcionēšanas mehānismus, atklājās, ka ir vielas, kas var bloķēt šo kanālu darbību. Viens no pirmajiem aprakstītajiem bija viela tetrodotoksīns, spēcīga inde, kas tiek ražota pūtīšu organismā. Tās ietekmē eksperimentā tika novērota ar spriegumu saistītu nātrija kanālu blokāde, un, ievadot to dzīvnieku ķermenī, tika konstatēts jutīguma zudums, muskuļu relaksācija, nekustīgums, elpošanas apstāšanās un nāve. Šādas vielas sauc par jonu kanālu blokatoriem. Starp viņiem lidokaīns, novokaīns, prokaīns - vielas, ievadot organismā nelielās devās, veidojas no sprieguma atkarīgo nervu šķiedru nātrija kanālu blokāde un tiek bloķēta signālu pārnešana no sāpju receptoriem uz centrālo nervu sistēmu. Šīs vielas plaši izmanto medicīnas praksē kā vietējos anestēzijas līdzekļus.

Jonu kustība pa jonu kanāliem ir ne tikai pamats lādiņu pārdalei uz membrānām un elektrisko potenciālu veidošanās, bet arī var ietekmēt daudzu intracelulāro procesu norisi. Šī ietekme uz gēnu ekspresiju, kas kontrolē kanālu veidojošo proteīnu sintēzi, neaprobežojas tikai ar uzbudināmo audu šūnām, bet notiek visās ķermeņa šūnās. Ir identificēta liela slimību grupa, kuras cēlonis ir jonu kanālu struktūras un funkcijas pārkāpums. Šādas slimības klasificē kā "kannelopātiju". Acīmredzot, zināšanas par jonu kanālu struktūru un funkcijām ir nepieciešamas, lai izprastu “kanelopātiju” būtību un meklētu to specifisko terapiju.

Ar ligandu saistīti jonu kanāli

Tos parasti veido olbaltumvielu makromolekulas, kas vienlaikus var kalpot kā jonu kanāli un receptoru funkcijas noteiktiem ligandiem. Tā kā viena un tā pati makromolekula var vienlaikus veikt šīs divas funkcijas, tām ir piešķirti dažādi nosaukumi - piemēram, sinaptiskais receptors vai ligandu kanāls.

Atšķirībā no sprieguma atkarīgā jonu kanāla, kas atveras, mainoties aktivācijas vārtu konformācijai transmembrānas potenciālu starpības samazināšanās apstākļos, no ligandu atkarīgie jonu kanāli atveras (aktivizējas), mijiedarbojoties proteīna peptīdu (receptoru) ķēdei. molekula ar ligandu, vielu, pret kuru receptoram ir augsta afinitāte (4. att.).

Rīsi. 4. No ligandu atkarīgs jonu kanāls (pret nikotīnu jutīgs acetilholīna receptors - n-ChR): a neaktīvs; 6 - aktivizēts

Ligandu jonu kanāli parasti ir lokalizēti nervu šūnu un to procesu postsinaptiskajās membrānās, kā arī muskuļu šķiedrās. Tipiski ligandu jonu kanālu piemēri ir postsinaptiskie membrānas kanāli, ko aktivizē acetilholīns (sk. 4. att.), glutamāts, aspartāts, gamma-aminosviestskābe, glicīns un citi sinaptiskie neirotransmiteri. Parasti kanāla (receptora) nosaukums atspoguļo neirotransmitera veidu, kas ir tā ligands dabiskos apstākļos. Tātad, ja tie ir neiromuskulārās sinapses kanāli, kuros tiek izmantots neiromediators acetilholīns, tad tiek lietots termins “acetilholīna receptors”, un, ja tas ir arī jutīgs pret nikotīnu, tad to sauc par nikotīna jutīgu jeb vienkārši n-acetilholīnu. receptoru (n-holīnerģisko receptoru).

Parasti postsinaptiskie receptori (kanāli) selektīvi saistās tikai ar viena veida neirotransmiteriem. Atkarībā no mijiedarbojošā receptora un neirotransmitera veida un īpašībām kanāli selektīvi maina savu minerāljonu caurlaidību, taču tie nav stingri selektīvi kanāli. Piemēram, ar ligandu saistītie kanāli var mainīt caurlaidību pret Na+ un K+ katjoniem vai uz K+ un CI+ anjoniem. Šī ligandu saistīšanās selektivitāte un jonu caurlaidības izmaiņas ir ģenētiski fiksētas makromolekulas telpiskajā struktūrā.

Ja mediatora un jonu kanālu veidojošās makromolekulas receptora daļas mijiedarbību tieši pavada kanāla caurlaidības izmaiņas, tad dažu milisekundu laikā tas noved pie minerālvielu postsinaptiskās membrānas caurlaidības izmaiņām. joni un postsinaptiskā potenciāla vērtība. Šādus kanālus sauc par ātriem un ir lokalizēti, piemēram, aksodendritisko ierosinošo sinapsu un aksosomatisko inhibējošo sinapsu postsinaptiskajā membrānā.

Ir lēni ligandu jonu kanāli. Atšķirībā no ātrajiem kanāliem, to atvēršanu veicina nevis tieša neirotransmitera mijiedarbība ar receptora makromolekulu, bet gan notikumu ķēde, kas ietver G proteīna aktivāciju, tā mijiedarbību ar GTP, sekundāro vēstnešu līmeņa paaugstināšanos intracelulārajā transmisijā. neirotransmitera signālu, kas, fosforilējot jonu kanālu, izraisa izmaiņas tā caurlaidībā minerāljoniem un attiecīgi maina postsinaptiskā potenciāla vērtību. Visa aprakstītā notikumu ķēde notiek simtiem milisekundēs. Ar šādiem lēniem ligandu atkarīgiem jonu kanāliem mēs saskarsimies, pētot sirds un gludo muskuļu regulēšanas mehānismus.

Īpašs veids ir kanāli, kas lokalizēti gludo muskuļu šūnu endoplazmatiskā tīkla membrānās. Viņu ligands ir otrais intracelulārā signāla transdukcijas vēstnesis, inozitola trifosfāts-IFZ.

Ir aprakstīti jonu kanāli, kuriem ir raksturīgas noteiktas strukturālas un funkcionālas īpašības, kas raksturīgas gan no sprieguma, gan ligandu vadītiem jonu kanāliem. Tie ir spriegumam nejutīgi jonu kanāli, kuru vārtu mehānisma stāvokli kontrolē cikliskie nukleotīdi (cAMP un cGMP). Šajā gadījumā cikliskie nukleotīdi saistās ar kanālu veidojošās proteīna molekulas intracelulāro COOH termināli un aktivizē kanālu.

Šiem kanāliem ir raksturīga mazāka katjonu caurlaidības selektivitāte un pēdējo spēja ietekmēt viens otra caurlaidību. Tādējādi Ca 2+ joni, iekļūstot pa aktivizētiem kanāliem no ārpusšūnu vides, bloķē kanālu caurlaidību Na 2+ joniem. Viens no šādu kanālu piemēriem ir tīklenes stieņu jonu kanāli, kuru caurlaidību Ca 2+ un Na 2+ joniem nosaka cGMP līmenis.

Ar ligandu saistītie jonu kanāli ir plaši pārstāvēti membrānu struktūrās, kas nodrošina sinaptisko signālu pārraidi no vairākiem maņu receptoriem centrālajā nervu sistēmā; signālu pārraide nervu sistēmas sinapsēs; nervu sistēmas signālu pārraide uz efektoršūnām.

Jau tika atzīmēts, ka komandu tieša pārraide no nervu sistēmas uz daudziem efektoru orgāniem tiek veikta ar neirotransmiteru palīdzību, kas aktivizē ligandu jonu kanālus postsinaptiskajās membrānās. Tomēr to ligandi (agonisti vai antagonisti) var būt arī eksogēna rakstura vielas, kuras dažos gadījumos izmanto kā ārstnieciskas vielas.

Piemēram, pēc vielas diplacīna ievadīšanas organismā, kas pēc uzbūves ir līdzīgs neiromediatoram apetilholīnam, neiromuskulārajās sinapsēs ilgstoši atveras no ligandu atkarīgie jonu kanāli, kas pārstāj pārraidīt nervu impulsus no nervu šķiedrām uz muskuļiem. . Notiek ķermeņa skeleta muskuļu relaksācija, kas var būt nepieciešama sarežģītu ķirurģisku operāciju laikā. Diplacīnu un citas vielas, kas var mainīt ligandu jonu kanālu stāvokli un bloķēt signāla pārraidi neiromuskulārās sinapsēs, sauc par muskuļu relaksantiem.

Rīsi. 5. Atšķiriet savienojuma kanālus starp divām cieši kontaktējošām šūnām

Medicīnas praksē tiek izmantotas daudzas citas ārstnieciskas vielas, kas ietekmē dažādu audu šūnu ligandu atkarīgo jonu kanālu stāvokli.

Šūnu spraugas (stingras) savienojuma kanāli

Saskares zonā starp divām blakus esošajām šūnām, kas atrodas ļoti tuvu viena otrai, veidojas spraugas savienojuma kanāli. Katras kontaktējošās šūnas membrānā sešas proteīna apakšvienības, ko sauc par konneksīniem, veido sešstūrainu struktūru, kuras centrā veidojas poru jeb jonu kanāls - konneksons (5. att.).

Blakus esošās šūnas membrānas saskares punktā veidojas spoguļa struktūra, un jonu kanāls starp tām kļūst kopīgs. Caur šādiem jonu kanāliem no šūnas uz šūnu var pārvietoties dažādi minerālu joni, tostarp Ca 2+ joni, kā arī zemas molekulmasas organiskās vielas. Šūnu spraugu savienojumu kanāli nodrošina informācijas pārnešanu starp miokarda šūnām, gludajiem muskuļiem, tīkleni un nervu sistēmu.

Nātrija kanāli

Ķermeņa šūnās plaši pārstāvēti no sprieguma atkarīgie, no sprieguma neatkarīgi (ligandiem atkarīgi, mehāniski jutīgi, pasīvi u.c.) nātrija kanāli.

Sprieguma nātrija kanāli

Tās sastāv no vienas α-apakšvienības, kas veido kanālu, un divām β-apakšvienībām, kas modulē nātrija kanālu jonu caurlaidību un inaktivācijas kinētiku (6. att.).

Rīsi. 6. Sprieguma regulētā nātrija kanāla α-apakšvienības divdimensiju struktūra. Apraksts tekstā

Kā redzams no att. 6, a-apakšvienība ir attēlota ar četriem tāda paša veida domēniem, kas sastāv no sešiem spirālveida transmembrānas segmentiem, kas savienoti ar aminoskābju cilpām. Cilpas, kas savieno 5. un 6. segmentu, ieskauj kanāla poras, un 4. segmentā ir pozitīvi lādētas aminoskābes, kas ir potenciālu starpības sensori uz membrānas un kontrolē vārtu mehānisma stāvokli transmembrānas potenciāla nobīdes laikā.

Sprieguma vadītajos nātrija kanālos ir divi vārtu mehānismi, viens no tiem - aktivācija (ar 4. segmenta līdzdalību) nodrošina kanāla atvēršanos (aktivizēšanu) membrānas depolarizācijas gadījumā, bet otrais (ar intracelulārās cilpas piedalīšanos) starp 3. un 4. domēnu) - tā inaktivācija pēc membrānas uzlādes. Tā kā abi šie mehānismi strauji maina kanāla vārtu stāvokli, ar spriegumu saistīti nātrija kanāli ir ātri jonu kanāli un ir kritiski svarīgi darbības potenciālu radīšanai uzbudināmos audos un to vadīšanai pa nervu un muskuļu šķiedru membrānām.

Šie kanāli ir lokalizēti neironu aksonu paugura citoplazmas membrānās, dendritos un aksonos, neiromuskulārās sinapses perisinaptiskā reģiona membrānā, šķērssvītroto muskuļu šķiedru sarkolemmā un kontraktilā miokardā. Nātrija kanālu sadalījuma blīvums šajās struktūrās ir atšķirīgs. Mielinizētajās nervu šķiedrās tie ir koncentrēti galvenokārt Ranvier mezglu zonā, kur to blīvums sasniedz aptuveni 10 000 kanālu uz kvadrātmikronu, un nemielinizētās šķiedrās kanāli ir vienmērīgāk sadalīti ar blīvumu aptuveni 20 kanāli uz kvadrātu. laukuma mikroni. Šo kanālu praktiski nav nervu šūnu ķermeņa membrānu struktūrā, nervu galu membrānā, kas tieši veido sensoros receptorus, un efektoršūnu postsinaptiskajās membrānās.

No sprieguma atkarīgajiem nātrija kanāliem jau ir izdalīti vairāk nekā deviņi apakštipi, kas atšķiras pēc α-apakšvienību īpašībām, kuriem ir specifiska piederība audiem un atšķiras ar atšķirīgu jutību pret blokatoru darbību. Piemēram, kanāla apakštips, ko veido kanālu veidojošs proteīns, kura sintēzi kontrolē SCN4A gēns, atrodas pilnībā diferencētu un inervētu skeleta muskuļu sarkolemmā, un tā blokatori ir tetrodotoksīns, saksitoksīns un c-konotoksīni. Vairumā gadījumu α-apakšvienības ir jutīgas pret tetrodotoksīna iedarbību, kas mikromolārā koncentrācijā bloķē poras un tādējādi iekļūšanu nātrija kanālos.

Ir zināms, ka nātrija kanālu toksīni palēnina to inaktivācijas ātrumu. Piemēram, jūras anemonu toksīns (ATX) un skorpiona a-toksīns (ScTX) izraisa inaktivācijas aizkavēšanos, saistoties ar 4. segmenta S3-S4 cilpas aminoskābju atlikumiem.

Vielas sauc anestēzijas līdzekļi (novokaīns, dikaīns, lidokaīns, sovkaīns, prokaīns un utt.). Anestēzija, kad tie bloķē nātrija kanālus, tiek panākta, novēršot iespēju radīt nervu impulsus aferentās nervu šķiedrās un tādējādi bloķējot signālu pārraidi no maņu sāpju receptoriem uz centrālo nervu sistēmu.

Ir atklāts, ka izmaiņas nātrija kanālu struktūrā var izraisīt vairāku slimību attīstību. Piemēram, SCNlb gēna kontrolētā kanāla struktūras izmaiņas izraisa ģeneralizētu epilepsijas formu attīstību un krampjus ar paaugstinātu ķermeņa temperatūru (drudža lēkmes).

Daudzi mikroorganismi veido toksīnus cilvēka organismā — vielas, kas bloķē jonu kanālus skartajās šūnās, ko var pavadīt jonu līdzsvara nelīdzsvarotība un šūnu nāve. Citi mikroorganismi, gluži pretēji, izmanto savus toksīnus (perforīnus), lai šūnu membrānā izveidotu jonu kanālus. Jo īpaši Sibīrijas mēra baciļu toksīns, kas izraisa īpaši bīstamu infekciju cilvēkiem, uzbrūk šūnai un veido jaunas poras (kanālus) tās membrānā, caur kurām šūnā iekļūst citi toksīni. Šo toksīnu darbība izraisa uzbrukušo šūnu nāvi un augstu mirstību no šīs slimības. Zinātnieki ir sintezējuši vielu β-ciklodekstrīnu, kas pēc telpiskās struktūras ir tuva iegūtā kanāla formai. Šī viela bloķē mikroorganisma toksīna veidotos kanālus, novērš toksīnu iekļūšanu šūnās un izglābj no nāves ar Sibīrijas mēri inficētos izmēģinājumu dzīvniekus.

No sprieguma neatkarīgi nātrija kanāli

Ar ligandu atdalīti nātrija kanāli. To vispārējā struktūra un īpašības ir apskatītas iepriekš ligandu jonu kanālu aprakstā. Šāda veida nātrija kanālus organismā plaši pārstāv neiromuskulārās sinapses postsinaptiskās membrānas pret nikotīnu jutīgo holīnerģisko receptoru nātrija kanāli, centrālās nervu sistēmas interneuronu sinapses un autonomās nervu sistēmas (preganglioniskie un ganglioniskie neironi). Ligandu regulētie nātrija kanāli ir lokalizēti citu centrālās nervu sistēmas ierosinošo (glutamāta un aspartaterģisko) sinapses postsinaptiskajās membrānās. Viņiem ir izšķiroša nozīme ierosinošā postsinaptiskā potenciāla radīšanā sinapsēs un signālu pārraidē starp neironiem un starp neironiem un efektoršūnām.

Postsinaptiskās membrānas ligandu nātrija kanāli nav stingri selektīvi un var būt vienlaikus caurlaidīgi vairākiem joniem: nātrija un kālija, nātrija un kalcija.

No sprieguma neatkarīgi nātrija kanāli, ko nodrošina otrie kurjeri.Šo nātrija kanālu stāvokli var kontrolēt ar cGMP (fotoreceptoriem), cAMP (ožas receptoriem) un ar G proteīna apakšvienībām (miokardu).

Mehāniski jutīgi nātrija kanāli. Atrodas asinsvadu sieniņu mehānoreceptoros, sirdī, dobajos iekšējos orgānos, šķērssvītroto muskuļu proprioreceptoros un gludo miocītu membrānā. Piedaloties sensorajos receptoros, mehāniskās iedarbības enerģija tiek pārvērsta potenciālu starpības – receptoru potenciāla – svārstībā.

Pasīvās nātrija virves. Satur uzbudināmo šūnu citoplazmas membrānās. Šo kanālu caurlaidība Na+ joniem ir neliela, taču caur tiem Na joni pa koncentrācijas gradientu difundē no ārpusšūnu telpām šūnās un nedaudz depolarizē membrānu. Gludo miocītu citoplazmas membrānas nātrija kanāli ir caurlaidīgāki. Tie to depolarizē par lielāku daudzumu (miera potenciāls aptuveni 50 mV) nekā šķērssvītroto muskuļu miocītu membrāna (miera potenciāls aptuveni 90 mV). Tādējādi pasīvie nātrija kanāli ir iesaistīti miera membrānas potenciāla veidošanā.

Nātrija apmainītāji. Nātrija-kalcija apmaiņas līdzeklis vai nātrija-kalcija apmaiņas līdzeklis ir aprakstīts iepriekš, un tam ir svarīga loma kalcija jonu izvadīšanā no kontraktiliem kardiomiocītiem.

Nātrija protonu apmaiņas līdzeklis. Tas ir īpašs kanālu veidojošs proteīna veids, kas no intracelulārām telpām noņem ūdeņraža protonus apmaiņā pret nātrija jonu iekļūšanu šūnā. Protonu noņemšana tiek aktivizēta, kad šūnā samazinās pH.

Nātrija apmaiņas kanālus veidojošo proteīnu sintēzi kontrolē pieci gēni, kas apzīmēti ar NAH1 -NAH5.

Kālija kanāli

Ir ar spriegumu saistīti un spriegumam nejutīgi kālija kanāli. Starp pēdējiem izšķir pasīvos, no ligandu atkarīgos un cita veida kālija kanālus. Parasti kālija kanāli atrodas to pašu šūnu un audu membrānās, kas satur nātrija kanālus. Viens no iemesliem šādam paralēlismam šo jonu kanālu izkārtojumā ir tas, ka Na+ un K+ joni ir svarīgākie katjoni, kuru sadalījuma un kustības raksturs nosaka elektrisko potenciālu rašanos un maiņu kā vienu no svarīgākajām formām. informācijas signāla pārraide organismā.

Ir vesela kālija jonu kanālu virsģimene, kas pēc strukturālajām iezīmēm, lokalizācijas un kanālu īpašībām ir sadalīti atsevišķās saimēs, tipos un apakštipos. Ir aprakstīti vairāk nekā trīs desmiti kālija kanālu, un nav iespējams sniegt detalizētus to raksturlielumus. Tāpēc kā piemēri tiks sniegti to jonu kanālu saimju un veidu apraksti, kas galvenokārt saistīti ar signalizācijas ceļiem un nervu un muskuļu procesu kontroles mehānismiem.

Pasīvie kālija kanāli

Ir zināms, ka miera stāvoklī uzbudināmo šūnu membrānas ir relatīvi caurlaidīgas K joniem un slikti caurlaidīgas Na+ joniem. Tā kā transmembrānu elektrisko strāvu nesēji ir joni, tad, mērot caur šūnas membrānu plūstošo elektrisko strāvu, var spriest par jonu kanālu stāvokli. Izrādījās, ka transmembrāna elektriskā strāva, ko izraisa K jonu difūzija pa koncentrācijas gradientu no šūnas, ir aptuveni divi pikoampēri un tai ir pulsējošs raksturs, un vidējais pulsācijas ilgums ir vairākas milisekundes. No šī novērojuma tika secināts, ka kālija kanāli miera stāvoklī esošajā šūnā var spontāni atvērties un aizvērties, nodrošinot apstākļus K jonu difūzijai caur tiem no šūnas un miera potenciāla veidošanai uz membrānas.

Sprieguma kālija kanāli

Sprieguma kālija kanālu esamība uzbudināmo audu šūnu membrānās kļuva zināma pēc tam, kad tika konstatēts, ka to aktivācijas kinētika atšķiras no sprieguma regulēto nātrija kanālu aktivācijas kinētikas un turklāt tos selektīvi bloķē citi blokatori. Kālija kanāli tiek aktivizēti tāpat kā nātrija kanāli, kad šūnas membrāna tiek depolarizēta līdz kritiskai robežai, bet tajā pašā laikā K+ jonu izvadīšanas ātrums no šūnas palielinās daudz lēnāk nekā Na+ ienākšanas ātrums. joni nonāk šūnā.

Kālija kanāla selektīvais filtrs atrodas poru mutes iekšpusē, atšķirībā no līdzīga filtra ārējās atrašanās vietas nātrija kanālos (7. att.). Šo kanālu selektivitātes esamība attiecībā pret Na+ un K+ katjoniem un dažādiem specifiskiem blokatoriem – tetrodotoksīnu (nātrijam) un tetraetilamonijam (kālijam) norāda uz šo kanālu atšķirīgo struktūru.

Sprieguma kālija kanāli ir tetramēri un sastāv no četrām apakšvienībām, kas veido poras centrā.

Sprieguma kontrolēti kālija kanāli ir lokalizēti gan uzbudināmu, gan neuzbudināmu šūnu membrānās. Tiem ir liela nozīme membrānas potenciāla atjaunošanās ātrumā (repolarizācijā) pēc tā depolarizācijas un līdz ar to darbības potenciālu veidošanās formas un biežuma kontrolēšanā. Lēnus kālija kanālus bloķē traetilamonijs, 4-aminopiridīns, fenciklidīns un 9-aminoakridīns.

Rīsi. 7. Kālija kanāls: a - kreisais - a-apakšvienības divdimensiju struktūra; labajā pusē ir kanāla diagramma; b — citoplazmas membrānas kālija kanālu elektronu difrakcijas diagramma.

Papildus lēnajiem kālija kanāliem ir aprakstīti ātri ar spriegumu saistīti kālija kanāli, kuru atvēršanas kinētika ir līdzīga ātro sprieguma nātrija kanālu atvēršanas kinētikai. Šie kālija kanāli pēc depolarizācijas ātri atveras, pēc tam tiek pilnībā inaktivēti, un to atkārtotai aktivizēšanai nepieciešama ne tikai membrānas repolarizācija, bet arī kādu laiku hiperpolarizācija.

Saskaņā ar gēnu nosaukumiem, kas kodē kanālu veidojošo molekulu sintēzi un montāžu, izšķir sešus KCN tipus ar apakštipiem KCN A, B, C, E un vienu KCNQ jonu kanālu saimi. Pēdējās ģimenes kanāli ir izteikti miokardā.

Ar ligandu atdalīti kālija kanāli

Tos pārstāv liels skaits kanālu, kas ir jutīgi pret dažādu ligandu darbību.

Viens no daudzu ar ligandu saistītiem kālija kanālu veidiem ir ar muskarīnu jutīgais acetilholīna receptoru saistītais kanāls. Šos kanālus aktivizē acetilholīns. Kanālus var bloķēt bradikinīns un bārija joni. Ir divi šo kanālu apakštipi: tie, kurus inaktivē muskarīns, un tie, kurus tas aktivizē. Pēdējais ir lokalizēts sirds elektrokardiostimulatora šūnās.

No ligandu atkarīgā kālija kanāla īpašības piemīt neselektīviem no sprieguma neatkarīgiem katjonu kanāliem, kas apvieno neiromuskulārās sinapses postsinaptiskās membrānas kanālu un nikotīna jutīgo acetilholīna receptoru īpašības. Kanālu veidojošajam proteīnam mijiedarbojoties ar acetilholīnu, atveras šis neselektīvais kanāls, pa kuru muskuļu šūnā nonāk Na+ joni, bet no tās iziet K joni. Šo jonu dažādie kustības ātrumi nodrošina postsinaptiskās membrānas depolarizāciju, kas nepārvēršas darbības potenciālā tieši uz šīs membrānas.

Ir identificēti ATP jutīgi kālija kanāli, kurus inhibē un aktivizē ATP darbība.

Atsevišķa kālija kanālu saime sastāv no tā sauktajiem ievades taisngriežiem kālija kanāliem (vārtiem) jeb ievades taisngriežiem. (uz iekšulabojot; uz iekšutaisngriezis). Taisnošanas kālija kanāla aizbīdņu mehānismā nav sprieguma sensora. Šo kanālu funkcionālā nozīme ir to ietekmē uz elektrokardiostimulatora šūnu, muskuļu šūnu un neironu uzbudināmību.

Ienākošo kālija kanālu rektifikācijas saime saskaņā ar tos kodējošo gēnu nosaukumiem ir sadalīta vairāk nekā 15 veidos. Ieejas kālija kanālu un jo īpaši KCNJ kanālu 3, 5, 6 un 9 (cits apzīmējums Kir kanāli) īpašās nozīmes piemērs var būt to īpašā loma sirdsdarbības regulēšanā, saistot šos kanālus ar G. proteīnu un muskarīna jutīgie šūnu acetilholīna receptori - sirds elektrokardiostimulatori.

Ir zināmi spriegumam nejutīgi nātrija aktivētie kālija kanāli.

Aprakstīti īpaši spriegumam nejutīgi kālija kanāli, jutīgi pret pH izmaiņām, kas atrodas aizkuņģa dziedzera saliņu β-šūnās un darbojas kā glikozes sensors. Ir zināms, ka arī kālija kanāli ir jutīgi pret šūnu tilpuma izmaiņām.

Kalcija kanāli

Kalcija kanālu saime ir plaši pārstāvēta nervu un muskuļu audu šūnās. Galvenās to lokalizācijas vietas ir muskuļu sarkoplazmatiskā un endoplazmatiskā retikuluma presinaptisko termināļu membrānas, kardiomiocītu sarkolemma un citu audu šūnu membrānas.

Balstoties uz caurlaidības kontroles metodēm, kalcija kanālus iedala no sprieguma atkarīgos, pasīvos, no ligandu atkarīgos, mehāniski jutīgos utt.

Kalcija kanāli tiek sadalīti pēc inaktivācijas ātruma T veida kanālos ( pārejošs- pārejošs), L-veida (lēns). Atkarībā no audu piederības un jutības pret toksīniem izšķir B tipa kanālus (smadzenes- smadzenes), N-tipa (neironāls- neironu), P-tipa (purkinješūna- Purkinje šūna) un R-tipa (izturīgs pret toksīniem).

Sprieguma kontrolēti kalcija kanāli

Tos veido oligomērs proteīns, kas parasti sastāv no piecām apakšvienībām a1, a2, β, y un δ. Pašu jonu kanālu veido α-apakšvienība, kurai ir augsta aminoskābju sastāva un struktūras līdzības pakāpe ar līdzīgu no sprieguma saistītu nātrija un kālija kanālu apakšvienību (sk. 6. att., 7. att.).

No sprieguma atkarīgais kalcija kanāls ir selektīvi caurlaidīgs Ca 2+ joniem. Selektivitāti nodrošina poru klātbūtne, kas veido selektīvo filtru.

Ir laiks ko veido a 1 apakšvienības segmenti, tādēļ, ņemot vērā tā struktūras līdzību ar monovalento katjonu kanālu struktūru, varētu sagaidīt, ka kalcija kanālam jābūt caurlaidīgam Na+ un K+ joniem. Šis īpašums faktiski rodas, kad kalcijs tiek izņemts no ārpusšūnu vides.

Dabiskos apstākļos selektivitāti pret kalciju kanālā nodrošina divu kalcija saistīšanās vietu klātbūtne kanāla porās. Vienu no tiem veido glutamāta atlieku grupa, un pie zemas kalcija koncentrācijas tas stipri saistās ar šo kanāla poru vietu un kalcija kanāls kļūst vāji caurlaidīgs. Palielinoties kalcija koncentrācijai, palielinās varbūtība, ka kalcijs aizņems otru saistīšanās vietu; radušies elektrostatiskie atgrūšanas spēki starp Ca 2+ joniem ievērojami samazina jonu uzturēšanās laiku saistīšanās vietās. Atbrīvotais kalcijs caur aktivizēto kanālu izkliedējas šūnā pa elektroķīmisko gradientu.

Sprieguma kalcija kanāli atšķiras ar potenciālo starpību nobīdes sliekšņa vērtībām, pie kurām tie tiek aktivizēti. T veida kanālus aktivizē nelielas sprieguma nobīdes uz membrānas, L- un P-tipiem raksturīgi augsta sprieguma nobīdes sliekšņi, kas izraisa to aktivizāciju.

Sprieguma regulētajiem kalcija kanāliem ir svarīga loma vairākos svarīgos ķermeņa procesos. To aktivizēšana un kalcija iekļūšana presinaptiskajā terminālī ir nepieciešama sinaptiskā signāla pārraidei.

Kalcija iekļūšana elektrokardiostimulatora šūnā caur kalcija kanāliem ir nepieciešama, lai radītu darbības potenciālu sirds elektrokardiostimulatora šūnās un nodrošinātu tās ritmisku kontrakciju. No sprieguma atkarīgi kalcija kanāli regulē kalcija ieplūšanu miokarda šķiedru sarkoplazmā, skeleta muskuļos, asinsvadu gludajos miocītos un iekšējos orgānos, kontrolējot to kontrakcijas sākumu, ātrumu, spēku, ilgumu un līdz ar to kustību, sirds sūknēšanas funkciju. sirds, asinsspiediens, elpošana un daudzi citi procesi organismā.

Pasīvie kalcija kanāli

Atrodas gludo miocītu citoplazmas membrānās. Tie ir kalciju caurlaidīgi miera stāvoklī, un kalcijs kopā ar K+ un Na+ joniem ir iesaistīts gludo miocītu transmembrānu potenciālu starpības jeb miera potenciāla veidošanā. Kalcijs, kas caur šiem kanāliem nonāk gludajā miocītā, ir tā rezervju papildināšanas avots endoplazmatiskajā retikulumā un tiek izmantots kā sekundārais vēstnesis intracelulāro signālu pārraidē.

Atpūtas kalcijs var pārvietoties no šūnas uz šūnu caur spraugas savienojuma kanāliem. Šie kanāli nav selektīvi pret kalciju, un caur tiem vienlaikus var notikt citu jonu un organisko vielu ar mazu molekulmasu starpšūnu apmaiņa. Kalcijam, kas iekļūst šūnās caur spraugas savienojuma kanāliem, ir svarīga loma miokarda, dzemdes, iekšējo orgānu sfinkteru uzbudinājuma, kontrakciju ierosināšanā un sinhronizācijā, kā arī asinsvadu tonusa uzturēšanā.

Ar ligandu saistīti kalcija kanāli

Pētot miokarda un gludās muskulatūras kontrakciju iedarbināšanas un regulēšanas mehānismus, izrādījās, ka tie ir atkarīgi no kalcija piegādes miocītam gan no ārpusšūnu vides, gan no tā intracelulārajiem krājumiem. Šajā gadījumā kalcija iekļūšanu sarkoplazmā var kontrolēt, mainot sarkolemmas potenciālu starpību un aktivizējot no sprieguma atkarīgos kalcija kanālus un (vai) vairāku signalizācijas molekulu darbību uz sarkoplazmatiskā tīkla membrānu. .

Ar ligandu saistīti kalcija kanāli ir lokalizēti gludu miocītu citoplazmas membrānās. To receptoru ligandi var būt hormoni: vazopresīns, oksitocīns, adrenalīns; neirotransmiters norepinefrīns; signālmolekulas: angiotenzīns 2, endotēlijs 1 un citas vielas. Liganda saistīšanās ar receptoru notiek kopā ar kalcija kanāla aktivizāciju un kalcija iekļūšanu šūnā no ārpusšūnu vides.

Kardiomiocītos, lai uzsāktu muskuļu kontrakciju, sākotnēji nepieciešams aktivizēt T-veida, pēc tam L-tipa kalcija kanālus, kuru atvēršana nodrošina noteikta daudzuma Ca 2+ jonu iekļūšanu šūnā. . Kalcijs, kas nonāk šūnā, aktivizē rianodīna receptoru (RYR), kanālu veidojošo proteīnu, kas ir iestrādāts kardiomiocītu sarkoplazmatiskā retikuluma membrānā. Kanāla aktivizēšanas rezultātā palielinās tā caurlaidība kalcijam, un pēdējais izkliedējas sarkoplazmā pa koncentrācijas gradientu. Tādējādi Ca 2+ joni darbojas kā sava veida ligandi, kas aktivizē rianodīna receptorus un līdz ar to arī kalcija kanālus. Rezultātā ekstracelulārais kalcijs, kas nonāk šūnā, darbojas kā izraisītājs kalcija izdalīšanai no galvenās intracelulārās krātuves.

Kalcija kanāli vienlaikus var būt jutīgi pret potenciālo atšķirību izmaiņām citoplazmas membrānā un ligandu darbību. Piemēram, L tipa sprieguma atkarīgie kalcija kanāli ir jutīgi pret dihidropiridīnu (nifedipīnu), fenilalkilamīniem (verapamilu) un benzotiazepīniem (diltiazemu). Šo kanālu veidu bieži sauc par dihidropiridīna receptoriem. Šis nosaukums liecina, ka L-kalcija kanāls ir saistīts ar ligandu, lai gan patiesībā tas ir sprieguma kanāls.

P tipa kanāli ir izturīgi pret konogoksīnu un zāļu iedarbību, pret kurām ir jutīgi citi kalcija kanālu veidi.

Sprieguma kalcija kanālu α1 apakšvienību funkcionālās īpašības var modulēt ar to fosforilēšanu, un tādējādi var regulēt kalcija kanālu jonu caurlaidības stāvokli, piemēram, miokardā.

Īpašs ligandu kalcija jonu kanālu veids ir kanāli, kas lokalizēti gludo muskuļu šūnu endoplazmatiskā tīkla membrānās, kuru caurlaidības stāvokli kontrolē sekundārā ziņotāja - IPG - intracelulārais līmenis. Izmantojot šos kanālus kā piemēru, mēs sastopamies ar gadījumu, kad ārpusšūnu signalizācijas molekula-agonists, aktivizējot mērķa gludās muskulatūras šūnas plazmas membrānas receptoru, ieslēdz intracelulārā signāla pārraides inozitola fosfāta ceļu, kas savukārt caur IPE darbība, aktivizē nākamo kanālu veidojošo proteīnu šūnu organellu membrānā. Visa šī signālu pārraides notikumu ķēde beidzas ar Ca 2+ jonu izdalīšanos no intracelulārajiem krājumiem, kas iedarbina un kontrolē gludo muskuļu šūnu kontrakcijas molekulāro mehānismu.

Mehāniski jutīgi kalcija kanāli

Tie ir lokalizēti asinsvadu sieniņu gludo miocītu, iekšējo orgānu mioīta, asinsvadu endotēlija un bronhu epitēlija plazmas membrānā. Šie kanāli var būt saistīti ar glikoproteīna mehānoreceptoriem. Reaģējot uz mehānisko spriegumu (piemēram, asinsvadu sieniņu stiepšanās ar asinsspiedienu), palielinās Ca 2+ jonu caurlaidība. Mehāniski jutīgiem kanāliem nav augsta selektivitāte un tie vienlaikus maina to caurlaidību vairākiem katjoniem. Kalcija un nātrija iekļūšana gludās muskulatūras šūnā izraisa tās membrānas depolarizāciju, sprieguma atkarīgu kalcija kanālu atvēršanos, kalcija iekļūšanas palielināšanos un gludo miocītu kontrakciju.

Šie notikumi ir daļa no asinsvadu tonusa pielāgošanās mehānisma un asins plūsmas regulēšanas mainīgajām asinsspiediena vērtībām traukā un asins plūsmas ātrumam (miogēna regulēšana). Turklāt mehāniski jutīgi kalcija kanāli ir iesaistīti asinsvadu stresa relaksācijas mehānismu ieviešanā ilgstošas ​​asinsspiediena paaugstināšanās laikā.

Hlora kanāli

Hlorīda kanāli atrodas vairuma šūnu plazmas membrānās. Tiem ir svarīga loma, lai saglabātu transmembrānu potenciālu starpību miera stāvoklī esošajā šūnā un tās maiņās, kad mainās šūnu funkcionālā aktivitāte. Hlorīda kanāli ir iesaistīti šūnu tilpuma regulēšanā, vielu transepiteliālajā transportēšanā un sekrēcijas šūnu šķidruma sekrēcijā.

Atbilstoši aktivizācijas mehānismiem izšķir trīs hlora kanālu virsģimenes: no sprieguma saistītus, ligandu un citus spriegumam nejutīgus hlora kanālus.

Potenciāli atkarīgi hlora kanāli. Lokalizēts uzbudināmo un epitēlija šūnu membrānās. Šo kanālu caurlaidības stāvokli kontrolē transmembrānas potenciālu starpības lielums.

Potenciāli atkarīgā hlorīda kanālu caurlaidība dažādos audos ir atšķirīga. Tādējādi aksonu membrānā hlorīda kanālu caurlaidības atkarība no potenciālu starpības ir nenozīmīga un būtiski neietekmē darbības potenciāla lieluma izmaiņas ierosināšanas laikā, un skeleta muskuļos šo hlora kanālu caurlaidības atkarību. ir augstāks.

CLC1 kanāls ir tipisks skeleta muskuļu sarkolemmālās muskuļu šķiedras hlorīda kanālu pārstāvis. Kanāls uzrāda caurlaidību visā transmembrānas sprieguma izmaiņu diapazonā miera stāvoklī, tiek aktivizēts pēc depolarizācijas un inaktivēts pēc membrānas hiperpolarizācijas.

Hlorīda kanāli ar ligandu. Pārsvarā izpaužas nervu audos. Šo hlorīda kanālu caurlaidības stāvokli galvenokārt kontrolē ārpusšūnu ligandi, bet tie var būt jutīgi pret intracelulāro kalcija koncentrāciju un aktivizēti ar G proteīniem un cAMP. Šāda veida kanāli ir plaši izplatīti postsinaptiskajās membrānās un tiek izmantoti, lai veiktu postsinaptisko inhibīciju. Kanālu caurlaidības stāvokli kontrolē, aktivizējot kanālus ar ligandiem - inhibējošiem neirotransmiteriem (γ-aminosviestskābi un glicīnu).

Spriegumam nejutīgi hlora kanāli. Ietver pasīvos hlorīda kanālus, pret ATP jutīgus kanālus un intersticiālās fibrozes transmembrānas vadītspējas regulatoru (cistiskāfibrozetransmembrānasvadītspējaregulators- CFTR).

CFTR acīmredzot sastāv no paša hlora kanāla un regulējošā kanāla, ko pārstāv īpašs regulējošais domēns (P-domēns). Šo kanālu jonu vadītspējas regulēšana tiek veikta, fosforilējot regulējošo domēnu ar cAMP atkarīgo proteīnkināzi. Šī kanāla struktūras un funkcijas pārkāpums izraisa nopietnas slimības attīstību, ko papildina daudzu audu disfunkcija - intersticiāla fibroze.

Akvaporīni

Akvaporīni(no lat. aqua- ūdens, grieķu porus- kanāls, poras) - proteīni, kas veido ūdens kanālus un nodrošina transmembrānu ūdens pārnesi. Akvaporīni ir neatņemami, tetramēriski membrānas proteīni, kuru monomēra masa ir aptuveni 30 kDa. Tādējādi katrs akvaporīns veido četrus ūdens kanālus (8. att.).

Šo kanālu īpatnība ir tāda, ka tajos esošās ūdens molekulas var pārvietoties izosmotiskos apstākļos, t.i. kad tos neietekmē osmotiskā gradienta spēki. Saīsinājumu AQP lieto, lai apzīmētu akvaporīnus. Ir izolēti un aprakstīti vairāki akvaporīnu veidi: AQP1 - proksimālo nieru kanāliņu epitēlija membrānās, Henles cilpas lejupejošā ekstremitātē; endotēlija un gludo asinsvadu miocītu membrānās, stiklveida ķermeņa struktūrās; AQP2 - savākšanas kanālu epitēlija membrānās. Tika konstatēts, ka šis akvaporīns ir jutīgs pret antidiurētiskā hormona darbību, un, pamatojoties uz to, to var uzskatīt par ligandu ierobežotu ūdens kanālu. Gēna ekspresiju, kas kontrolē šī akvaporīna sintēzi, regulē antidiurētiskais hormons; AQP3 ir atrodams radzenes šūnu membrānās; AQP4 - smadzeņu šūnās.

Rīsi. 8. AQP1 ūdens kanāla uzbūve: a - kanālu veidojošās peptīdu ķēdes; b — samontēts kanāls: A, B, C, D, E — proteīna ķēdes posmi

Izrādījās, ka AQP1 un AQP4 ir svarīga loma cerebrospinālā šķidruma veidošanā un apritē. Akvaporīni ir atrodami kuņģa-zarnu trakta epitēlijā: AQP4 - kuņģī un tievajās zarnās; AQP5 - siekalu dziedzeros; AQP6 - tievajās zarnās un aizkuņģa dziedzerī; AQP7 - tievajās zarnās; AQP8, AQP9 - aknās. Daži akvaporīni transportē ne tikai ūdens molekulas, bet arī tajā šķīstošās organiskās vielas (skābekli, glicerīnu, urīnvielu). Tādējādi akvaporīniem ir svarīga loma ūdens metabolismā organismā, un to darbības traucējumi var būt viens no iemesliem smadzeņu un plaušu tūskas veidošanās un nieru un sirds mazspējas attīstībai.

Zināšanas par jonu transportēšanas mehānismiem caur membrānām un metodes, kā šo transportu ietekmēt, ir neaizstājams nosacījums ne tikai dzīvības funkciju regulēšanas mehānismu izpratnei, bet arī pareizai zāļu izvēlei daudzu slimību (hipertensijas) ārstēšanā. , bronhiālā astma, sirds aritmijas, ūdens un sāls apmaiņas traucējumi utt.).

Lai izprastu fizioloģisko procesu regulēšanas mehānismus organismā, ir jāzina ne tikai šūnu membrānu struktūra un caurlaidība dažādām vielām, bet arī sarežģītāku strukturālo veidojumu struktūra un caurlaidība, kas atrodas starp dažādu orgānu asinīm un audiem. orgāni.

Tops

		1 pilnīgi nepiekrītu	2 nepiekrītu	3 Es nezinu	4 piekrītu	5 pilnībā piekrītu
	Šī aktivitāte attīstīja manas problēmu risināšanas prasmes.
	Lai veiksmīgi pabeigtu šo nodarbību, man vajadzēja tikai labu atmiņu.
	Šī aktivitāte attīstīja manu spēju strādāt komandā.
	Šī darbība uzlaboja manas analītiskās prasmes.
	Šī nodarbība uzlaboja manas rakstīšanas prasmes.
	Nodarbībai bija nepieciešama dziļa materiāla izpratne.