Membránové proteíny ako iónové kanály. Selektívne a neselektívne kanály

Iónové kanály reprezentované integrálnymi membránovými proteínmi. Tieto proteíny sú schopné za určitých vplyvov zmeniť svoju konformáciu (tvar a vlastnosti) tak, že sa otvorí alebo uzavrie pór, cez ktorý môže prechádzať akýkoľvek ión. Známe sú sodíkové, draselné, vápnikové a chlórové kanály, niekedy môže kanál prechádzať dvoma iónmi, napríklad sú známe sodíkovo-vápenaté kanály. Cez iónové kanály dochádza len k pasívnemu transportu iónov. To znamená, že na to, aby sa ión pohyboval, je potrebný nielen otvorený kanál, ale aj koncentračný gradient pre tento ión. V tomto prípade sa ión bude pohybovať pozdĺž koncentračného gradientu - z oblasti s vyššou koncentráciou do oblasti s nižšou koncentráciou. Je potrebné pripomenúť, že hovoríme o iónoch - nabitých časticiach, ktorých transport je tiež určený nábojom. Sú možné situácie, keď pohyb pozdĺž koncentračného gradientu môže byť nasmerovaný jedným smerom a existujúce náboje pôsobia proti tomuto prenosu.

Iónové kanály majú dve dôležité vlastnosti: 1) selektívnosť (selektivita) voči určitým iónom a 2) schopnosť otvárať (aktivovať) a zatvárať. Po aktivácii sa kanál otvorí a umožní prechod iónov (obr. 8). Komplex integrálnych proteínov, ktoré tvoria kanál, teda musí nevyhnutne zahŕňať dva prvky: štruktúry, ktoré rozpoznávajú „svoj“ ión a sú schopné ho prepustiť, a štruktúry, ktoré vám umožňujú vedieť, kedy tento ión prepustiť. Selektivita kanála je určená proteínmi, ktoré ho tvoria; „vlastný“ ión sa rozpoznáva podľa jeho veľkosti a náboja.

Aktivácia kanála možné niekoľkými spôsobmi. Po prvé, kanály sa môžu otvárať a zatvárať, keď sa mení membránový potenciál. Zmena náboja vedie k zmene konformácie proteínových molekúl a kanál sa stáva priepustným pre ión. Na zmenu vlastností kanála stačí mierne kolísanie membránového potenciálu. Takéto kanály sa nazývajú závislý od napätia(alebo elektricky ovládané). Po druhé, kanály môžu byť súčasťou komplexného proteínového komplexu nazývaného membránový receptor. V tomto prípade je zmena vlastností kanála spôsobená konformačným preskupením proteínov, ku ktorému dochádza v dôsledku interakcie receptora s biologicky aktívnou látkou (hormón, mediátor). Takéto kanály sa nazývajú chemodependentný(alebo receptor-gated ) . Okrem toho sa kanály môžu otvárať mechanickým vplyvom - tlakom, naťahovaním (obr. 9). Mechanizmus, ktorý zabezpečuje aktiváciu, sa nazýva kanálové hradenie. Na základe rýchlosti, ktorou sa kanály otvárajú a zatvárajú, ich možno rozdeliť na rýchle a pomalé.

Väčšina kanálov (draslík, vápnik, chlorid) môže byť v dvoch stavoch: otvorený a zatvorený. Vo fungovaní sodíkových kanálov existujú určité zvláštnosti. Tieto kanály, ako draslík, vápnik a chlorid, majú tendenciu byť v otvorenom alebo uzavretom stave, avšak sodíkový kanál môže byť tiež inaktivovaný, je to stav, v ktorom je kanál uzavretý a nemôže byť otvorený žiadnym vplyvom ( Obr. 10).

Obrázok 8. Stavy iónových kanálov

Obrázok 9. Príklad receptorom riadeného kanála. ACh – acetylcholín. Interakcia molekuly ACh s membránovým receptorom mení konformáciu hradlového proteínu takým spôsobom, že kanál začne prepúšťať ióny.

Obrázok 10 Príklad kanála závislého od potenciálu

Napäťovo riadený sodíkový kanál má aktivačné a inaktivačné brány (brány). Aktivačné a inaktivačné brány menia konformáciu pri rôznych membránových potenciáloch.

Pri zvažovaní mechanizmov excitácie nás bude zaujímať najmä práca sodíkových a draslíkových kanálov, ale krátko sa zastavíme pri vlastnostiach vápnikových kanálov, budeme ich potrebovať v budúcnosti. Sodíkové a vápnikové kanály sa líšia svojimi vlastnosťami. Sodíkové kanály sú rýchle a pomalé, zatiaľ čo vápnikové kanály sú len pomalé. Aktivácia sodíkových kanálov vedie len k depolarizácii a výskyt buď LO alebo AP aktivácia vápnikových kanálov môže navyše spôsobiť metabolické zmeny v bunke. Tieto zmeny sú spôsobené tým, že vápnik sa viaže na špeciálne bielkoviny, ktoré sú citlivé na tento ión. Proteín viazaný na vápnik mení svoje vlastnosti takým spôsobom, že je schopný meniť vlastnosti iných proteínov, napríklad aktivovať enzýmy, spúšťať svalové kontrakcie a uvoľňovať mediátory.

Podľa moderných koncepcií tvoria biologické membrány vonkajší obal všetkých živočíšnych buniek a tvoria početné vnútrobunkové organely. Najcharakteristickejším štrukturálnym znakom je, že membrány vždy tvoria uzavreté priestory a táto mikroštrukturálna organizácia membrán im umožňuje vykonávať základné funkcie.

Štruktúra a funkcie bunkových membrán.

1. Bariérová funkcia je vyjadrená v tom, že membrána sa pomocou vhodných mechanizmov podieľa na vytváraní koncentračných gradientov, brániacich voľnej difúzii. V tomto prípade sa membrána podieľa na mechanizmoch elektrogenézy. Patria sem mechanizmy na vytváranie pokojového potenciálu, generovanie akčného potenciálu, mechanizmy na šírenie bioelektrických impulzov cez homogénne a heterogénne excitabilné štruktúry.

2. Regulačnou funkciou bunkovej membrány je jemná regulácia vnútrobunkového obsahu a vnútrobunkových reakcií v dôsledku príjmu extracelulárnych biologicky aktívnych látok, čo vedie k zmenám v aktivite enzýmových systémov membrány a spusteniu mechanizmov sekundárnych “ poslovia“ („sprostredkovatelia“).

3. Premena vonkajších podnetov neelektrickej povahy na elektrické signály (v receptoroch).

4. Uvoľňovanie neurotransmiterov v synaptických zakončeniach.

Moderné metódy elektrónovej mikroskopie určili hrúbku bunkových membrán (6-12 nm). Chemická analýza ukázala, že membrány sa skladajú hlavne z lipidov a proteínov, ktorých množstvo sa medzi rôznymi typmi buniek líši. Obtiažnosť štúdia molekulárnych mechanizmov fungovania bunkových membrán je spôsobená tým, že pri izolácii a čistení bunkových membrán dochádza k narušeniu ich normálneho fungovania. V súčasnosti môžeme hovoriť o niekoľkých typoch modelov bunkových membrán, medzi ktorými je najrozšírenejší model tekutej mozaiky.

Podľa tohto modelu je membrána reprezentovaná dvojvrstvou fosfolipidových molekúl, orientovaných tak, že hydrofóbne konce molekúl sú umiestnené vo vnútri dvojvrstvy a hydrofilné konce smerujú do vodnej fázy. Táto štruktúra je ideálna na vytvorenie separácie medzi dvoma fázami: extra- a intracelulárnou.

Globulárne proteíny sú integrované do fosfolipidovej dvojvrstvy, ktorej polárne oblasti tvoria vo vodnej fáze hydrofilný povrch. Tieto integrované proteíny vykonávajú rôzne funkcie, vrátane receptorových, enzymatických, tvoria iónové kanály, sú membránovými pumpami a transportérmi iónov a molekúl.

Niektoré proteínové molekuly voľne difundujú v rovine lipidovej vrstvy; v normálnom stave časti proteínových molekúl vznikajúce na rôznych stranách bunkovej membrány nemenia svoju polohu.

Elektrické vlastnosti membrán:

Kapacitné vlastnosti určuje najmä fosfolipidová dvojvrstva, ktorá je nepriepustná pre hydratované ióny a zároveň dostatočne tenká (asi 5 nm), aby umožnila účinnú separáciu a akumuláciu nábojov a elektrostatickú interakciu katiónov a aniónov. Okrem toho sú kapacitné vlastnosti bunkových membrán jedným z dôvodov, ktoré určujú časové charakteristiky elektrických procesov prebiehajúcich na bunkových membránach.

Vodivosť (g) je prevrátená hodnota elektrického odporu a rovná sa pomeru celkového transmembránového prúdu pre daný ión k hodnote, ktorá určila jeho transmembránový potenciálny rozdiel.

Cez fosfolipidovú dvojvrstvu môžu difundovať rôzne látky a stupeň permeability (P), t.j. schopnosť bunkovej membrány prechádzať týmito látkami, závisí od rozdielu koncentrácií difundujúcej látky na oboch stranách membrány, od jej rozpustnosti. v lipidoch a vlastnostiach bunkovej membrány.

Vodivosť membrány je mierou jej iónovej permeability. Zvýšenie vodivosti naznačuje zvýšenie počtu iónov prechádzajúcich cez membránu.

Štruktúra a funkcie iónových kanálov. Ióny Na+, K+, Ca2+, Cl- prenikajú do bunky a vystupujú cez špeciálne kanáliky naplnené tekutinou. Veľkosť kanála je pomerne malá.

Všetky iónové kanály sú rozdelené do nasledujúcich skupín:

1. Podľa selektivity:

a) Selektívne, t.j. konkrétne. Tieto kanály sú priepustné pre presne definované ióny.

b) Nízkoselektívne, nešpecifické, bez špecifickej iónovej selektivity. V membráne je ich malý počet.

1. Podľa povahy prechádzajúcich iónov:

a) draslík

b) sodík

c) vápnik

d) chlór

1. Podľa miery inaktivácie, t.j. zatváranie:

a) rýchlo inaktivujúce, t.j. rýchlo prechádza do uzavretého stavu. Poskytujú rýchlo rastúce zníženie MP a rovnako rýchle zotavenie.

b) pomaly pôsobiace. Ich otváranie spôsobuje pomalý pokles MP a jeho pomalé zotavovanie.

4. Podľa otváracích mechanizmov:

a) potenciálne závislé, t.j. tie, ktoré sa otvárajú pri určitej úrovni membránového potenciálu.

b) chemo-dependentné, otváranie, keď sú chemoreceptory bunkovej membrány vystavené fyziologicky aktívnym látkam (neurotransmitery, hormóny atď.).

Teraz sa zistilo, že iónové kanály majú nasledujúcu štruktúru:

1. Selektívny filter umiestnený pri ústí kanála. Zabezpečuje prechod presne definovaných iónov cez kanál.

2. Aktivačné brány, ktoré sa otvárajú pri určitej úrovni membránového potenciálu alebo pôsobením zodpovedajúceho PAS. Aktivačná brána kanálov závislých od potenciálu má snímač, ktorý ich otvára pri určitej úrovni MP.

3. Inaktivačná brána, ktorá zabezpečuje uzavretie kanála a zastavuje prechod iónov kanálom pri určitej úrovni MP (obr.

Nešpecifické iónové kanály nemajú bránu.

Selektívne iónové kanály môžu existovať v troch stavoch, ktoré sú určené polohou aktivačných (m) a inaktivačných (h) brán:

1.Zatvorené, keď sú aktivačné zatvorené a inaktivačné sú otvorené.

2. Aktivované, obe brány sú otvorené.

3. Deaktivovaná, aktivačná brána je otvorená a inaktivačná brána je zatvorená

Funkcie iónových kanálov:

1. Draslík (v pokoji) – generovanie pokojového potenciálu

2. Sodík - generovanie akčného potenciálu

3. Vápnik – pomalá tvorba

4. Draslík (oneskorená rektifikácia) – zabezpečenie repolarizácie

5. Draslík vápnikom aktivovaný – obmedzujúca depolarizácia spôsobená Ca+2 prúdom

Funkcia iónových kanálov sa študuje rôznymi spôsobmi. Najbežnejšou metódou je napäťová svorka alebo „napäťová svorka“. Podstatou metódy je, že pomocou špeciálnych elektronických systémov sa membránový potenciál počas experimentu mení a fixuje na určitej úrovni. V tomto prípade sa meria veľkosť iónového prúdu pretekajúceho cez membránu. Ak je potenciálny rozdiel konštantný, potom v súlade s Ohmovým zákonom je veľkosť prúdu úmerná vodivosti iónových kanálov. V reakcii na postupnú depolarizáciu sa otvárajú určité kanály a zodpovedajúce ióny vstupujú do bunky pozdĺž elektrochemického gradientu, t.j. vzniká iónový prúd, ktorý depolarizuje bunku. Táto zmena je detekovaná riadiacim zosilňovačom a cez membránu prechádza elektrický prúd rovnakej veľkosti, ale opačného smeru ako membránový iónový prúd. V tomto prípade sa transmembránový potenciálny rozdiel nemení.

Štúdium funkcie jednotlivých kanálov je možné pomocou metódy lokálnej fixácie potenciálu „path-clamp“. Sklenená mikroelektróda (mikropipeta) sa naplní soľným roztokom, pritlačí sa na povrch membrány a vytvorí sa mierne vákuum. V tomto prípade je časť membrány nasávaná k mikroelektróde. Ak sa v nasávacej zóne objaví iónový kanál, zaznamená sa aktivita jedného kanála. Systém dráždenia a zaznamenávania aktivity kanála sa len málo líši od systému zaznamenávania napätia.

Prúd cez jeden iónový kanál má obdĺžnikový tvar a má rovnakú amplitúdu pre kanály rôznych typov. Trvanie zotrvania kanála v otvorenom stave je pravdepodobnostné, ale závisí od hodnoty membránového potenciálu. Celkový iónový prúd je určený pravdepodobnosťou, že určitý počet kanálov bude v otvorenom stave v každom špecifickom časovom období.

Vonkajšia časť kanála je relatívne prístupná pre štúdium vnútornej časti. P. G. Kostyuk vyvinul metódu intracelulárnej dialýzy, ktorá umožňuje študovať funkciu vstupných a výstupných štruktúr iónových kanálov bez použitia mikroelektród. Ukázalo sa, že časť iónového kanála otvorená do extracelulárneho priestoru sa svojimi funkčnými vlastnosťami líši od časti kanála smerujúcej do vnútrobunkového prostredia.

Sú to iónové kanály, ktoré poskytujú dve dôležité vlastnosti membrány: selektivitu a vodivosť.

Selektivita alebo selektivita kanála je zabezpečená jeho špeciálnou proteínovou štruktúrou. Väčšina kanálov je riadená elektricky, to znamená, že ich schopnosť viesť ióny závisí od veľkosti membránového potenciálu. Kanál je heterogénny vo svojich funkčných charakteristikách, najmä s ohľadom na proteínové štruktúry umiestnené na vstupe do kanála a na jeho výstupe (tzv. hradlové mechanizmy).

Uvažujme ako príklad princíp fungovania iónových kanálov pomocou sodíkového kanála. Predpokladá sa, že sodíkový kanál je v pokoji uzavretý. Keď je bunková membrána depolarizovaná na určitú úroveň, otvorí sa m-aktivačná brána (aktivácia) a zvýši sa tok iónov Na+ do bunky. Niekoľko milisekúnd po otvorení m-brány sa h-brána umiestnená na výstupe sodíkových kanálov zatvorí (inaktivácia). Inaktivácia sa v bunkovej membráne vyvíja veľmi rýchlo a stupeň inaktivácie závisí od veľkosti a času pôsobenia depolarizujúceho stimulu.

Keď sa v hrubom nervovom vlákne vytvorí jediný akčný potenciál, zmena koncentrácie iónov Na+ vo vnútornom prostredí je iba 1/100 000 vnútorného obsahu iónov Na+ v axóne chobotnice.

Okrem sodíka sú v bunkových membránach inštalované ďalšie typy kanálov, ktoré sú selektívne priepustné pre jednotlivé ióny: K+, Ca2+ a pre tieto ióny existujú rôzne kanály.

Hodgkin a Huxley formulovali princíp „nezávislosti“ kanálov, podľa ktorého je tok sodíka a draslíka cez membránu navzájom nezávislý.

Vlastnosti vodivosti rôznych kanálov nie sú rovnaké. Najmä pre draslíkové kanály neexistuje proces inaktivácie, ako pre sodíkové kanály. Existujú špeciálne draslíkové kanály, ktoré sa aktivujú, keď sa zvýši intracelulárna koncentrácia vápnika a bunková membrána sa depolarizuje. Aktivácia kanálov závislých od draslíka a vápnika urýchľuje repolarizáciu, čím sa obnovuje pôvodná hodnota pokojového potenciálu.

Zvlášť zaujímavé sú vápnikové kanály. Prichádzajúci prúd vápnika zvyčajne nie je dostatočne veľký na to, aby normálne depolarizoval bunkovú membránu. Vápnik vstupujúci do bunky najčastejšie pôsobí ako „posol“ alebo sekundárny posol. Aktivácia vápnikových kanálov sa dosiahne depolarizáciou bunkovej membrány, napríklad prichádzajúcim sodíkovým prúdom.

Proces inaktivácie vápnikových kanálov je pomerne zložitý. Na jednej strane zvýšenie intracelulárnej koncentrácie voľného vápnika vedie k inaktivácii vápnikových kanálov. Na druhej strane bielkoviny v cytoplazme buniek viažu vápnik, čo umožňuje udržiavať stabilný prúd vápnika po dlhú dobu, aj keď na nízkej úrovni; v tomto prípade je sodíkový prúd úplne potlačený. Vápnikové kanály hrajú zásadnú úlohu v srdcových bunkách. Elektrogenéza kardiomyocytov je diskutovaná v kapitole 7. Elektrofyziologické charakteristiky bunkových membrán sú študované pomocou špeciálnych metód.

Všetky kanály prítomné v živých tkanivách, a teraz poznáme niekoľko stoviek typov kanálov, možno rozdeliť do dvoch hlavných typov. Prvý typ je oddychové kanály, ktoré sa samovoľne otvárajú a zatvárajú bez akýchkoľvek vonkajších vplyvov. Sú dôležité pre generovanie pokojového membránového potenciálu. Druhým typom je tzv vstupné kanály, alebo portálové kanály(od slova "brána") . V pokoji sú tieto kanály uzavreté a môžu sa otvoriť pod vplyvom určitých stimulov. Niektoré typy takýchto kanálov sa podieľajú na vytváraní akčných potenciálov.

Väčšina iónových kanálov je charakterizovaná selektívnosť(selektivita), to znamená, že iba určité ióny prechádzajú určitým typom kanála. Na základe tejto vlastnosti sa rozlišujú sodíkové, draselné, vápnikové a chloridové kanály. Selektivita kanálov je určená veľkosťou pórov, veľkosťou iónu a jeho hydratačného obalu, nábojom iónu, ako aj nábojom vnútorného povrchu kanála. Existujú však aj neselektívne kanály, ktoré môžu prepúšťať dva typy iónov naraz: napríklad draslík a sodík. Existujú kanály, cez ktoré môžu prechádzať všetky ióny a dokonca aj väčšie molekuly.

Existuje klasifikácia iónových kanálov podľa spôsob aktivácie(obr. 9). Niektoré kanály špecificky reagujú na fyzikálne zmeny v bunkovej membráne neurónu. Najvýraznejšími predstaviteľmi tejto skupiny sú napäťovo aktivované kanály. Príklady zahŕňajú potenciálne citlivé sodíkové, draselné a vápenaté iónové kanály na membráne, ktoré sú zodpovedné za tvorbu akčného potenciálu. Tieto kanály sa otvárajú pri určitom membránovom potenciáli. Sodíkové a draslíkové kanály sa teda otvárajú pri potenciáli asi -60 mV (vnútorný povrch membrány je v porovnaní s vonkajším povrchom záporne nabitý). Vápnikové kanály sa otvárajú pri potenciáli -30 mV. Skupina kanálov aktivovaných fyzickými zmenami zahŕňa

Obrázok 9. Spôsoby aktivácie iónových kanálov

(A) Iónové kanály aktivované zmenami membránového potenciálu alebo natiahnutím membrány. (B) Iónové kanály aktivované chemickými činidlami (ligandy) z extracelulárnej alebo intracelulárnej strany.

Tiež mechanosenzitívne kanály ktoré reagujú na mechanické namáhanie (natiahnutie alebo deformácia bunkovej membrány). Ďalšia skupina iónových kanálov sa otvára, keď chemikálie aktivujú špeciálne receptorové väzbové miesta na molekule kanála. Takéto ligandom aktivované kanály sa delia na dve podskupiny podľa toho, či sú ich receptorové centrá intracelulárne alebo extracelulárne. Ligandom aktivované kanály, ktoré reagujú na extracelulárne stimuly, sa tiež nazývajú ionotropné receptory. Takéto kanály sú citlivé na vysielače a priamo sa podieľajú na prenose informácií v synaptických štruktúrach. Ligandom aktivované kanály, aktivované z cytoplazmatickej strany, zahŕňajú kanály, ktoré sú citlivé na zmeny v koncentrácii špecifických iónov. Napríklad vápnikom aktivované draslíkové kanály sú aktivované lokálnym zvýšením intracelulárnej koncentrácie vápnika. Takéto kanály hrajú dôležitú úlohu pri repolarizácii bunkovej membrány počas ukončenia akčného potenciálu. Typickými predstaviteľmi vnútrobunkových ligandov sú okrem vápnikových iónov cyklické nukleotidy. Cyklický GMP je napríklad zodpovedný za aktiváciu sodíkových kanálov v tyčinkách sietnice. Tento typ kanála hrá základnú úlohu pri prevádzke vizuálneho analyzátora. Samostatným typom modulácie činnosti kanála väzbou intracelulárneho ligandu je fosforylácia/defosforylácia určitých úsekov jeho proteínovej molekuly pôsobením intracelulárnych enzýmov - proteínkináz a proteínových fosfatáz.

Predložená klasifikácia kanálov podľa spôsobu aktivácie je do značnej miery ľubovoľná. Niektoré iónové kanály môžu byť aktivované iba niekoľkými stimulmi. Napríklad vápnikom aktivované draslíkové kanály sú tiež citlivé na zmeny potenciálu a niektoré napäťovo aktivované iónové kanály sú citlivé na intracelulárne ligandy.

Model excitovateľnej membrány podľa Hodgkin-Huxleyho teórie predpokladá riadený transport iónov cez membránu. Priamy prechod iónu cez lipidovú dvojvrstvu je však veľmi ťažký, a preto by tok iónov bol malý.

Toto a množstvo ďalších úvah dávalo dôvod domnievať sa, že membrána musí obsahovať nejaké špeciálne štruktúry – vodivé ióny. Takéto štruktúry boli nájdené a nazývané iónové kanály. Podobné kanály boli izolované z rôznych objektov: plazmatická membrána buniek, postsynaptická membrána svalových buniek a iné objekty. Známe sú aj iónové kanály tvorené antibiotikami.

Základné vlastnosti iónových kanálov:

1) selektivita;

2) nezávislosť prevádzky jednotlivých kanálov;

3) diskrétna povaha vodivosti;

4) závislosť parametrov kanála od membránového potenciálu.

Pozrime sa na ne v poradí.

1. Selektivita je schopnosť iónových kanálov selektívne umožniť prechod iónov jedného typu.

Už pri prvých pokusoch na axóne chobotnice sa zistilo, že ióny Na+ a Kt majú rozdielne účinky na membránový potenciál. Ióny K+ menia pokojový potenciál a ióny Na+ menia akčný potenciál. Hodgkin-Huxleyho model to opisuje zavedením nezávislých draslíkových a sodíkových iónových kanálov. Predpokladalo sa, že prvé prepúšťajú iba ióny K+ a druhé prechádzajú iba iónmi Na+.

Merania ukázali, že iónové kanály majú absolútnu selektivitu voči katiónom (katiónovo selektívne kanály) alebo aniónom (aniónovo selektívne kanály). Súčasne môžu cez katiónovo selektívne kanály prechádzať rôzne katióny rôznych chemických prvkov, ale vodivosť membrány pre minoritný ión, a teda aj prúd cez ňu, bude výrazne nižšia, napríklad pre Na + kanál. , prúd draslíka cez ňu bude 20-krát menší. Schopnosť iónového kanála prechádzať rôznymi iónmi sa nazýva relatívna selektivita a je charakterizovaná sériou selektivity - pomerom vodivosti kanála pre rôzne ióny odobraté pri rovnakej koncentrácii. V tomto prípade sa pre hlavný ión selektivita berie ako 1. Napríklad pre Na+ kanál má tento rad tvar:

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

2. Nezávislosť prevádzky jednotlivých kanálov. Tok prúdu cez individuálny iónový kanál je nezávislý od toho, či prúd tečie cez iné kanály. Napríklad K + kanály je možné zapnúť alebo vypnúť, ale prúd cez Na + kanály sa nemení. Vplyv kanálov na seba sa vyskytuje nepriamo: zmena permeability niektorých kanálov (napríklad sodíka) mení membránový potenciál, čo už ovplyvňuje vodivosť iných iónových kanálov.

3. Diskrétny charakter vodivosti iónových kanálov. Iónové kanály sú podjednotkový komplex proteínov, ktoré preklenujú membránu. V jeho strede je trubica, cez ktorú môžu prechádzať ióny. Počet iónových kanálov na 1 μm 2 povrchu membrány bol stanovený pomocou rádioaktívne značeného blokátora sodíkových kanálov - tetrodotoxínu. Je známe, že jedna molekula TTX sa viaže len na jeden kanál. Potom meranie rádioaktivity vzorky so známou plochou umožnilo ukázať, že na 1 µm2 axónu kalmára je asi 500 sodíkových kanálov.

Tie transmembránové prúdy, ktoré sa merajú v konvenčných experimentoch, napríklad na axóne chobotnice s dĺžkou 1 cm a priemerom 1 mm, to znamená s plochou 3 x 10 7 μm 2, sú spôsobené celkovou odozvou (zmena v vodivosť) 500 3 10 7 -10 10 iónových kanálov. Táto odozva je charakterizovaná plynulou zmenou vodivosti v priebehu času. Odozva jedného iónového kanála sa v priebehu času mení zásadne odlišným spôsobom: diskrétne pre Na+ kanály a pre K+- a pre Ca2+ kanály.

Prvýkrát to bolo objavené v roku 1962 pri štúdiách vodivosti lipidových dvojvrstvových membrán (BLM), keď sa do roztoku obklopujúceho membránu pridali mikromnožstvá určitej látky vyvolávajúcej excitáciu. Na BLM sa aplikovalo konštantné napätie a zaznamenával sa prúd I(t). Prúd bol časom zaznamenaný vo forme skokov medzi dvoma vodivými stavmi.

Jednou z účinných metód experimentálneho štúdia iónových kanálov bola metóda lokálnej fixácie membránového potenciálu („Patch Clamp“) vyvinutá v 80. rokoch (obr. 10).

Ryža. 10. Spôsob lokálnej fixácie membránového potenciálu. ME - mikroelektróda, IR - iónový kanál, M - bunková membrána, SFP - potenciálový svorkový obvod, I - jednokanálový prúd

Podstatou metódy je, že ME mikroelektróda (obr. 10) s tenkým koncom s priemerom 0,5-1 μm je nasávaná k membráne tak, že iónový kanál vstupuje do jej vnútorného priemeru. Potom pomocou obvodu potenciálovej svorky je možné merať prúdy, ktoré prechádzajú iba jedným kanálom membrány a nie všetkými kanálmi súčasne, ako sa to stáva pri použití štandardnej metódy potenciálovej svorky.

Výsledky experimentov uskutočnených na rôznych iónových kanáloch ukázali, že vodivosť iónového kanála je diskrétna a môže byť v dvoch stavoch: otvorený alebo zatvorený. Prechody medzi stavmi sa vyskytujú v náhodných časoch a riadia sa štatistickými zákonmi. Nedá sa povedať, že daný iónový kanál sa otvorí presne v tomto okamihu. Môžete urobiť iba vyhlásenie o pravdepodobnosti otvorenia kanála v určitom časovom intervale.

4. Závislosť parametrov kanála od membránového potenciálu. Iónové kanály nervových vlákien sú citlivé na membránový potenciál, ako sú sodíkové a draselné kanály axónu chobotnice. To sa prejavuje v tom, že po začiatku depolarizácie membrány sa zodpovedajúce prúdy začnú meniť s jednou alebo druhou kinetikou. Tento proces prebieha nasledovne: Iónovo selektívny kanál má senzor - nejaký prvok jeho konštrukcie, ktorý je citlivý na pôsobenie elektrického poľa (obr. 11). Keď sa zmení membránový potenciál, zmení sa veľkosť sily, ktorá naň pôsobí, v dôsledku toho sa táto časť iónového kanála pohybuje a mení pravdepodobnosť otvorenia alebo zatvorenia brány - druh tlmiča, ktorý funguje podľa „všetkých resp. nič“ zákon. Experimentálne sa ukázalo, že pod vplyvom depolarizácie membrány sa zvyšuje pravdepodobnosť prechodu sodíkového kanála do vodivého stavu. Napäťový ráz cez membránu vytvorený počas meraní potenciálnej svorky spôsobí otvorenie veľkého počtu kanálov. Prejde nimi viac nábojov, čo znamená v priemere väčší prúd. Je dôležité, že proces zvyšovania vodivosti kanála je určený zvýšením pravdepodobnosti prechodu kanála do otvoreného stavu, a nie zvýšením priemeru otvoreného kanála. Toto je moderné chápanie mechanizmu prechodu prúdu cez jeden kanál.

Hladké kinetické krivky prúdov zaznamenaných počas elektrických meraní na veľkých membránach sa získajú vďaka súčtu mnohých stupňovitých prúdov pretekajúcich jednotlivými kanálmi. Ich súčet, ako je uvedené vyššie, výrazne znižuje výkyvy a poskytuje pomerne hladké časové závislosti transmembránového prúdu.

Iónové kanály môžu byť citlivé aj na iné fyzikálne vplyvy: mechanickú deformáciu, viazanie chemikálií atď. V tomto prípade sú štrukturálnym základom mechanoreceptorov, chemoreceptorov atď.

Štúdium iónových kanálov v membránach je jednou z dôležitých úloh modernej biofyziky.

Štruktúra iónového kanála.

Iónovo selektívny kanál pozostáva z nasledujúcich častí (obr. 11): ponorený do dvojvrstvy proteínovej časti, ktorá má podjednotkovú štruktúru; selektívny filter tvorený záporne nabitými atómami kyslíka, ktoré sú pevne umiestnené v určitej vzdialenosti od seba a umožňujú prechod iónov s určitým priemerom; časť brány.

Brána iónového kanála je riadená membránovým potenciálom a môže byť buď v uzavretom stave (prerušovaná čiara) alebo v otvorenom stave (plná čiara). Normálna poloha brány sodíkového kanála je zatvorená. Pod vplyvom elektrického poľa sa zvyšuje pravdepodobnosť otvoreného stavu, brána sa otvorí a tok hydratovaných iónov je schopný prejsť cez selektívny filter.

Ak sa ión zmestí do priemeru, odhodí svoj hydratačný obal a preskočí na druhú stranu iónového kanála. Ak má ión príliš veľký priemer, ako napríklad tetraetylamónium, nemôže prejsť cez filter a nemôže prejsť cez membránu. Ak je naopak ión príliš malý, potom má ťažkosti v selektívnom filtri, tentoraz spojené s ťažkosťami pri odstraňovaní hydratačného obalu iónu.

Blokátory iónových kanálov ním buď nemôžu prejsť, uviaznu vo filtri, alebo ak sú to veľké molekuly ako TTX, stericky sa zhodujú s niektorým vstupom do kanála. Keďže blokátory nesú kladný náboj, ich nabitá časť je vtiahnutá do kanála k selektívnemu filtru ako obyčajný katión a makromolekula ho upchá.

Zmeny v elektrických vlastnostiach excitovateľných biomembrán sa teda uskutočňujú pomocou iónových kanálov. Sú to proteínové makromolekuly, ktoré prenikajú cez lipidovú dvojvrstvu a môžu existovať v niekoľkých diskrétnych stavoch. Vlastnosti kanálov selektívnych pre ióny K+, Na+ a Ca2+ môžu rôzne závisieť od membránového potenciálu, ktorý určuje dynamiku akčného potenciálu v membráne, ako aj od rozdielov v týchto potenciáloch v membránach rôznych buniek. .

Ryža. 11. Schéma prierezu štruktúry sodíkového iónového kanála membrány

Spätná väzba.

Pre rôzne látky a najmä pre ióny minerálov je mimoriadne dôležitý v živote bunky a najmä v mechanizmoch vnímania, transformácie, prenosu signálov z bunky do bunky a do vnútrobunkových štruktúr.

Určujúcu úlohu v stave priepustnosti bunkovej membrány zohrávajú ich iónové kanály, ktoré sa tvoria proteíny tvoriace kanály. Otváranie a zatváranie týchto kanálov môže byť riadené veľkosťou potenciálneho rozdielu medzi vonkajším a vnútorným povrchom membrány, rôznymi signálnymi molekulami (hormóny, neurotransmitery, vazoaktívne látky), sekundárnymi posly prenosu intracelulárnych signálov a minerálmi. ióny.

Iónový kanál- niekoľko podjednotiek (integrálne membránové proteíny obsahujúce transmembránové segmenty, z ktorých každý má α-helikálnu konfiguráciu), ktoré zabezpečujú transport iónov cez membránu.

Ryža. 1. Klasifikácia iónových kanálov

Moderné pochopenie štruktúry a funkcie iónových kanálov je možné vďaka vývoju metód na zaznamenávanie elektrických prúdov pretekajúcich cez izolovanú časť membrány obsahujúcej jednotlivé iónové kanály, ako aj vďaka izolácii a klonovaniu jednotlivých génov, ktoré riadia syntéza proteínových makromolekúl schopných vytvárať iónové kanály. To umožnilo umelo modifikovať štruktúru takýchto molekúl, integrovať ich do bunkových membrán a študovať úlohu jednotlivých peptidových oblastí pri vykonávaní kanálových funkcií. Ukázalo sa, že proteínové molekuly tvoriace kanál všetkých iónových kanálov majú niektoré spoločné štruktúrne znaky a zvyčajne sú reprezentované veľkými transmembránovými proteínmi s molekulovými hmotnosťami nad 250 kDa.

Skladajú sa z niekoľkých podjednotiek. Zvyčajne to najdôležitejšie vlastnosti kanála ich a-podjednotka. Táto podjednotka sa podieľa na tvorbe iónovo selektívnej diery, senzorového mechanizmu transmembránového potenciálového rozdielu - brány kanála a má väzbové miesta pre exogénne a endogénne ligandy. Ďalšie podjednotky zahrnuté v štruktúre iónových kanálov hrajú pomocnú úlohu, modulujú vlastnosti kanálov (obr. 2).

Proteínová molekula tvoriaca kanál je reprezentovaná extramembránovými aminokyselinovými slučkami a intramembránovými oblasťami helikálnej domény, ktoré tvoria podjednotky iónových kanálov. Molekula proteínu sa zloží v rovine membrány tak, že medzi doménami, ktoré sú vo vzájomnom kontakte, sa vytvorí samotný iónový kanál (pozri obr. 2 vpravo dole).

Proteínová molekula tvoriaca kanál je umiestnená v cytoplazmatickej membráne tak, že jej trojrozmerná priestorová štruktúra tvorí ústie kanála smerujúce k vonkajšej a vnútornej strane membrány, pór naplnený vodou a „bránu“. Posledne menované sú tvorené úsekom peptidového reťazca, ktorý môže ľahko zmeniť svoju konformáciu a určiť otvorený alebo uzavretý stav kanála. Selektivita a permeabilita iónového kanála závisí od veľkosti póru a jeho náboja. Priepustnosť kanála pre daný ión je tiež určená jeho veľkosťou, nábojom a hydratačným obalom.

Ryža. 2. Štruktúra Na+ -iónového kanála bunkovej membrány: a - dvojrozmerná štruktúra α-jednotky iónového kanála bunkovej membrány; b - vľavo - sodíkový kanál pozostávajúci z a-podjednotky a dvoch P-podjednotiek (bočný pohľad); vpravo je hore sodíkový kanál. V číslach I. II. III. IV označené domény a-podjednotky

Typy iónových kanálov

Bolo popísaných viac ako 100 typov iónových kanálov a na ich klasifikáciu sa používajú rôzne prístupy. Jeden z nich je založený na zohľadnení rozdielov v štruktúre kanálov a funkčných mechanizmoch. V tomto prípade možno iónové kanály rozdeliť do niekoľkých typov:

• pasívne iónové kanály alebo pokojové kanály;
• štrbinové kontaktné kanály;
• kanálov, ktorých stav (otvorený alebo zatvorený) je riadený vplyvom mechanických faktorov na ich hradlový mechanizmus (mechanosenzitívne kanály), potenciálových rozdielov na membráne (napäťovo závislé kanály) alebo ligandov, ktoré sa viažu na kanálotvorný proteín na vonkajšia alebo vnútorná strana membrány (ligand-gated channel).

Pasívne kanály

Charakteristickým znakom týchto kanálov je, že môžu byť otvorené (aktívne) v pokojových bunkách, t.j. pri absencii akéhokoľvek vplyvu. To predurčuje ich druhé meno - pasívne kanály. Nie sú prísne selektívne a cez ne môže bunková membrána „unikať“ niekoľko iónov, napríklad K+ a CI+ K+ a Na+. Preto sa tieto kanály niekedy nazývajú únikové kanály. Vďaka uvedeným vlastnostiam hrajú pokojové kanály dôležitú úlohu pri vzniku a udržiavaní pokojového membránového potenciálu na cytoplazmatickej membráne bunky, ktorých mechanizmy a význam sú diskutované nižšie. Pasívne kanály sú prítomné v cytoplazmatických membránach nervových vlákien a ich zakončeniach, priečne pruhovaných bunkách, hladkých svaloch, myokarde a iných tkanivách.

Mechanocitlivé kanály

Stav priepustnosti týchto kanálikov sa mení pod mechanickými vplyvmi na membránu, čo spôsobuje narušenie štruktúrneho balenia molekúl v membráne a jej natiahnutie. Tieto kanály sú široko zastúpené v mechanoreceptoroch krvných ciev, vnútorných orgánov, kože, priečne pruhovaných svalov a hladkých myocytov.

Kanály závislé od napätia

Stav týchto kanálov je riadený silami elektrického poľa vytváraného veľkosťou rozdielu potenciálov na membráne. Napäťovo riadené kanály môžu byť v neaktívnych (uzavretých), aktívnych (otvorených) a deaktivovaných stavoch, ktoré sú riadené polohou aktivačných a inaktivačných brán v závislosti od rozdielu potenciálov na membráne.

V pokojovej bunke je napäťovo riadený kanál zvyčajne v uzavretom stave, z ktorého môže byť otvorený alebo aktivovaný. Pravdepodobnosť jeho nezávislého otvorenia je nízka a v pokoji je otvorených len malý počet týchto kanálov v membráne. Zníženie rozdielu transmembránového potenciálu (depolarizácia membrány) spôsobuje aktiváciu kanála, čím sa zvyšuje pravdepodobnosť jeho otvorenia. Predpokladá sa, že funkciu aktivačnej brány vykonáva elektricky nabitá aminokyselinová skupina, ktorá uzatvára vstup do ústia kanála. Tieto aminokyseliny sú senzorom rozdielu potenciálov na membráne; pri dosiahnutí určitej (kritickej) úrovne depolarizácie membrány sa nabitá časť molekuly senzora posunie smerom k lipidovému mikroprostrediu kanálotvornej molekuly a brána otvorí vstup do ústia kanála (obr. 3).

Kanál sa stáva otvoreným (aktívnym) pre pohyb iónov. Rýchlosť otvárania aktivačnej brány môže byť nízka alebo veľmi vysoká. Podľa tohto indikátora sú napäťovo riadené iónové kanály rozdelené na rýchle (napríklad rýchle napäťovo riadené sodíkové kanály) a pomalé (napríklad pomalé napäťovo riadené vápnikové kanály). Rýchle kanály sa otvárajú okamžite (μs) a zostávajú otvorené v priemere 1 ms. Ich aktivácia je sprevádzaná rýchlym lavínovitým zvýšením priepustnosti kanála pre určité ióny.

Ďalšia časť peptidového reťazca, ktorou je aminokyselinová sekvencia vo forme hustej guľôčky (guličky) na závite, ktorá sa nachádza na výstupe z druhého ústia kanála, má schopnosť meniť svoju konformáciu. Keď sa znamienko náboja na membráne zmení, gulička uzavrie výstup z úst a kanál sa stane pre ión nepreniknuteľný (inaktivovaný). Inaktivácia napäťovo riadených iónových kanálov môže byť uskutočnená inými mechanizmami. Inaktivácia je sprevádzaná zastavením pohybu iónov cez kanál a môže nastať tak rýchlo ako aktivácia, alebo pomaly - v priebehu niekoľkých sekúnd alebo dokonca minút.

Ryža. 3. Hradlový mechanizmus napäťovo riadených sodíkových (hore) a draslíkových (dolných) kanálov

Na obnovenie pôvodných vlastností iónových kanálov po ich inaktivácii je potrebné vrátiť pôvodnú priestorovú konformáciu kanálotvorného proteínu a polohu brány. To sa dosiahne obnovením rozdielu membránového potenciálu (repolarizácia) na úroveň charakteristickú pre pokojový stav bunky alebo nejaký čas po inaktivácii so silným účinkom na membránu. Prechod z inaktivačného stavu do pôvodného (uzavretého) stavu sa nazýva reaktivácia kanála. Po reaktivácii sa iónový kanál vráti do stavu pripravenosti na opätovné otvorenie. Reaktivácia napäťovo riadených membránových kanálov môže byť tiež rýchla alebo pomalá.

Napäťovo riadené iónové kanály sú zvyčajne vysoko selektívne a zohrávajú kľúčovú úlohu pri výskyte excitácie (vytváranie akčných potenciálov), prenose informácií pozdĺž nervových vlákien vo forme elektrických signálov a pri iniciácii a regulácii svalovej kontrakcie. Tieto kanály sú široko zastúpené v membránach aferentných a eferentných nervových vlákien, v membránach pruhovaných a hladkých myocytov.

Potenciálne závislé iónové kanály sú zabudované do membrány nervových zakončení senzorických nervov (dendritov) inervujúcich zubnú dreň a ústnu sliznicu, kde ich otvorenie zabezpečuje premenu receptorového potenciálu na nervový impulz a jeho následný prenos po aferentnom nervu. vláknina. Pomocou týchto impulzov sa do centrálneho nervového systému prenášajú informácie o všetkých typoch zmyslových vnemov, ktoré človek zažíva v ústnej dutine (chuť, teplota, mechanický tlak, bolesť). Takéto kanály zabezpečujú vznik nervových impulzov na membráne axónového kopca neurónov a ich prenos po eferentných nervových vláknach, premenu postsynaptických potenciálov na akčné potenciály postsynaptických efektorových buniek. Príkladom takýchto procesov je generovanie nervových impulzov v motorických neurónoch jadra trigeminálneho nervu, ktoré sa potom prenášajú pozdĺž jeho eferentných vlákien do žuvacích svalov a zabezpečujú iniciáciu a reguláciu žuvacích pohybov dolnej čeľuste.

Pri štúdiu jemných mechanizmov fungovania napäťovo riadených iónových kanálov sa zistilo, že existujú látky, ktoré môžu blokovať činnosť týchto kanálov. Jednou z prvých z nich, ktorá bola popísaná, bola látka tetrodotoxín, silný jed produkovaný v tele chmeľových rýb. Pod jeho vplyvom bola v experimente pozorovaná blokáda napäťovo riadených sodíkových kanálov a pri jeho zavedení do tela zvierat bola zaznamenaná strata citlivosti, svalová relaxácia, nehybnosť, zástava dýchania a smrť. Takéto látky sa nazývajú blokátory iónových kanálov. Medzi nimi lidokaín, novokaín, prokaín - látky, keď sa do tela dostanú v malých dávkach, vzniká blokáda napäťovo závislých sodíkových kanálov nervových vlákien a je blokovaný prenos signálov z receptorov bolesti do centrálneho nervového systému. Tieto látky sú široko používané v lekárskej praxi ako lokálne anestetiká.

Pohyb iónov cez iónové kanály nie je len základom pre prerozdelenie nábojov na membránach a tvorbu elektrických potenciálov, ale môže ovplyvniť aj priebeh mnohých vnútrobunkových procesov. Tento účinok na expresiu génov, ktoré riadia syntézu proteínov tvoriacich kanál, nie je obmedzený len na bunky excitabilných tkanív, ale vyskytuje sa vo všetkých bunkách tela. Bola identifikovaná veľká skupina chorôb, ktorých príčinou je porušenie štruktúry a funkcie iónových kanálov. Takéto ochorenia sú klasifikované ako „channelopatie“. Je zrejmé, že znalosť štruktúry a funkcií iónových kanálov je nevyhnutná na pochopenie podstaty „channelopatií“ a hľadanie ich špecifickej terapie.

Ligandom riadené iónové kanály

Zvyčajne sú tvorené proteínovými makromolekulami, ktoré môžu súčasne slúžiť ako iónové kanály a receptorové funkcie pre určité ligandy. Keďže tá istá makromolekula môže súčasne vykonávať tieto dve funkcie, boli im priradené rôzne názvy - napríklad synaptický receptor alebo kanál s ligandom.

Na rozdiel od napäťovo závislého iónového kanála, ktorý sa otvára, keď sa konformácia aktivačnej brány mení v podmienkach zníženia rozdielu transmembránového potenciálu, ligandovo závislé iónové kanály sa otvárajú (aktivujú) po interakcii peptidového (receptorového) reťazca proteínu. molekula s ligandom, látkou, ku ktorej má receptor vysokú afinitu (obr. 4).

Ryža. 4. Ligand-dependentný iónový kanál (nikotín-senzitívny acetylcholínový receptor - n-ChR): a neaktívny; 6 - aktivované

Ligandom riadené iónové kanály sú zvyčajne lokalizované v postsynaptických membránach nervových buniek a ich výbežkoch, ako aj svalových vláknach. Typickými príkladmi ligandom riadených iónových kanálov sú postsynaptické membránové kanály aktivované acetylcholínom (pozri obr. 4), glutamátom, aspartátom, kyselinou gama-aminomaslovou, glycínom a inými synaptickými neurotransmitermi. Názov kanála (receptora) zvyčajne odráža typ neurotransmitera, ktorý je jeho ligandom v prirodzených podmienkach. Takže, ak sú to kanály neuromuskulárnej synapsie, v ktorých sa používa neurotransmiter acetylcholín, potom sa používa termín „acetylcholínový receptor“ a ak je citlivý aj na nikotín, potom sa nazýva citlivý na nikotín alebo jednoducho n-acetylcholín. receptor (n-cholinergný receptor).

Postsynaptické receptory (kanály) sa zvyčajne selektívne viažu iba na jeden typ neurotransmiteru. V závislosti od typu a vlastností interagujúceho receptora a neurotransmitera kanály selektívne menia svoju permeabilitu pre minerálne ióny, ale nie sú to striktne selektívne kanály. Napríklad kanáliky riadené ligandom môžu zmeniť permeabilitu pre katióny Na+ a K+ alebo anióny K+ a CI+. Táto selektivita väzby ligandu a zmeny iónovej permeability sú geneticky fixované v priestorovej štruktúre makromolekuly.

Ak je interakcia mediátora a receptorovej časti makromolekuly, ktorá tvorí iónový kanál, priamo sprevádzaná zmenou permeability kanála, potom to v priebehu niekoľkých milisekúnd vedie k zmene permeability postsynaptickej membrány pre minerálne látky. iónov a hodnotu postsynaptického potenciálu. Takéto kanály sa nazývajú rýchle a sú lokalizované napríklad v postsynaptickej membráne axo-dendritických excitačných synapsií a axosomatických inhibičných synapsií.

Existujú pomalé iónové kanály riadené ligandom. Na rozdiel od rýchlych kanálov nie je ich otvorenie sprostredkované priamou interakciou neurotransmiteru s makromolekulou receptora, ale reťazou udalostí vrátane aktivácie G proteínu, jeho interakcie s GTP, zvýšenie hladiny sekundárnych poslov pri intracelulárnom prenose signálu neurotransmiteru, ktoré fosforyláciou iónového kanála vedú k zmene jeho permeability pre minerálne ióny a zodpovedajúcej zmene hodnoty postsynaptického potenciálu. Celý opísaný reťazec udalostí sa odohráva v stovkách milisekúnd. S takýmito pomalými iónovými kanálmi závislými od ligandu sa stretneme pri štúdiu mechanizmov regulácie srdca a hladkého svalstva.

Špeciálnym typom sú kanály lokalizované v membránach endoplazmatického retikula buniek hladkého svalstva. Ich ligandom je druhý posol transdukcie intracelulárneho signálu, inozitoltrifosfát-IFZ.

Sú opísané iónové kanály, ktoré sa vyznačujú určitými štrukturálnymi a funkčnými vlastnosťami, ktoré sú vlastné iónovým kanálom riadeným napätím aj ligandom. Sú to napäťovo necitlivé iónové kanály, ktorých stav hradlového mechanizmu je riadený cyklickými nukleotidmi (cAMP a cGMP). V tomto prípade sa cyklické nukleotidy viažu na intracelulárny COOH terminál proteínovej molekuly tvoriacej kanál a aktivujú kanál.

Tieto kanály sa vyznačujú menšou selektivitou permeability pre katióny a schopnosťou katiónov navzájom ovplyvňovať svoju permeabilitu. Ióny Ca2+, ktoré vstupujú cez aktivované kanály z extracelulárneho prostredia, teda blokujú priepustnosť kanálov pre ióny Na2+. Jedným príkladom takýchto kanálov sú tyčinkové iónové kanály sietnice, ktorých priepustnosť pre ióny Ca2+ a Na2+ je určená hladinou cGMP.

Ligandom riadené iónové kanály sú široko zastúpené v membránových štruktúrach, ktoré poskytujú synaptický prenos signálov z množstva senzorických receptorov v centrálnom nervovom systéme; prenos signálov na synapsiách nervového systému; prenos signálov nervového systému do efektorových buniek.

Už bolo poznamenané, že priamy prenos príkazov z nervového systému do mnohých efektorových orgánov sa uskutočňuje pomocou neurotransmiterov, ktoré aktivujú ligandom riadené iónové kanály v postsynaptických membránach. Ich ligandami (agonistami alebo antagonistami) však môžu byť aj látky exogénnej povahy, ktoré sa v niektorých prípadoch používajú ako liečivé látky.

Napríklad po zavedení látky diplacín do tela, ktorá je štruktúrou podobná neurotransmiteru apetylcholínu, dôjde k predĺženému otvoreniu iónových kanálov závislých od ligandu na neuromuskulárnych synapsiách, ktoré prestanú prenášať nervové impulzy z nervových vlákien do svalov. . Uvoľňujú sa kostrové svaly tela, čo môže byť nevyhnutné pri zložitých chirurgických operáciách. Diplacín a ďalšie látky, ktoré môžu meniť stav ligandom riadených iónových kanálov a blokovať prenos signálu na neuromuskulárnych synapsiách, sa nazývajú svalové relaxanciá.

Ryža. 5. Medzerové spojovacie kanály medzi dvoma tesne priliehajúcimi bunkami

V lekárskej praxi sa používa mnoho ďalších liečivých látok, ktoré ovplyvňujú stav ligandovo závislých iónových kanálov buniek rôznych tkanív.

Bunkové medzery (tesné) spojovacie kanály

Gap junction kanály sú vytvorené v oblasti kontaktu medzi dvoma susednými bunkami, ktoré sú veľmi blízko seba. V membráne každej kontaktujúcej bunky tvorí šesť proteínových podjednotiek, nazývaných konexíny, hexagonálnu štruktúru, v strede ktorej je vytvorený pór alebo iónový kanál - konexón (obr. 5).

V mieste kontaktu v membráne susednej bunky sa vytvorí zrkadlová štruktúra a iónový kanál medzi nimi sa stáva spoločným. Prostredníctvom takýchto iónových kanálov sa môžu rôzne minerálne ióny, vrátane iónov Ca2+, ako aj organické látky s nízkou molekulovou hmotnosťou, pohybovať z bunky do bunky. Kanály medzerových spojení buniek zabezpečujú prenos informácií medzi bunkami myokardu, hladkého svalstva, sietnice a nervového systému.

Sodíkové kanály

V bunkách tela sú široko zastúpené sodíkové kanály závislé od napätia, nezávislé od napätia (závislé od ligandu, mechanosenzitívne, pasívne atď.).

Napäťovo riadené sodíkové kanály

Pozostávajú z jednej α-podjednotky, ktorá tvorí kanál, a dvoch β-podjednotiek, ktoré modulujú iónovú permeabilitu a kinetiku inaktivácie sodíkových kanálov (obr. 6).

Ryža. 6. Dvojrozmerná štruktúra α-podjednotky napäťovo riadeného sodíkového kanála. Popis v texte

Ako je možné vidieť z obr. 6 je a-podjednotka reprezentovaná štyrmi doménami rovnakého typu, ktoré pozostávajú zo šiestich helikálnych transmembránových segmentov spojených aminokyselinovými slučkami. Slučky spájajúce 5. a 6. segment obklopujú pór kanála a 4. segment obsahuje kladne nabité aminokyseliny, ktoré sú senzormi rozdielu potenciálov na membráne a riadia polohu hradlového mechanizmu pri posunoch transmembránového potenciálu.

V napäťovo riadených sodíkových kanáloch existujú dva hradlové mechanizmy, jeden z nich - aktivácia (za účasti 4. segmentu) zabezpečuje otvorenie (aktiváciu) kanála pri depolarizácii membrány a druhý (za účasti intracelulárnej slučky medzi 3. a 4. doménou) - jeho inaktivácia pri prebití membrány. Pretože oba tieto mechanizmy rýchlo menia polohu brány kanála, napäťovo riadené sodíkové kanály sú rýchle iónové kanály a sú rozhodujúce pre tvorbu akčných potenciálov v excitabilných tkanivách a pre ich vedenie cez membrány nervových a svalových vlákien.

Tieto kanály sú lokalizované v cytoplazmatických membránach axónového kopca neurónov, v dendritoch a axónoch, v membráne perisynaptickej oblasti neuromuskulárnej synapsie, v sarkoléme vlákien priečne pruhovaných svalov a kontraktilného myokardu. Hustota distribúcie sodíkových kanálov v týchto štruktúrach je odlišná. V myelinizovaných nervových vláknach sú sústredené hlavne v oblasti uzlov Ranvier, kde ich hustota dosahuje okolo 10 000 kanálikov na štvorcový mikrón plochy a v nemyelinizovaných vláknach sú kanály rovnomernejšie rozložené s hustotou okolo 20 kanálov na štvorcový mikrón plochy. Tieto kanály prakticky chýbajú v štruktúre membrán tela nervových buniek, v membráne nervových zakončení, ktoré priamo tvoria senzorické receptory, a v postsynaptických membránach efektorových buniek.

Medzi napäťovo riadenými sodíkovými kanálmi sa už rozlišuje viac ako deväť podtypov, ktoré sa líšia vlastnosťami α-podjednotiek, majú špecifickú tkanivovú príslušnosť a líšia sa rôznou citlivosťou na pôsobenie blokátorov. Napríklad podtyp kanálika tvorený proteínom tvoriacim kanál, ktorého syntéza je riadená génom SCN4A, je prítomný v sarkoléme plne diferencovaných a inervovaných kostrových svalov a jeho blokátory sú tetrodotoxín, saxitoxín a c-konotoxíny. Vo väčšine prípadov sú α-podjednotky citlivé na pôsobenie tetrodotoxínu, ktorý v mikromolárnych koncentráciách blokuje póry a tým aj vstup do sodíkových kanálov.

Je známe, že toxíny sodíkových kanálov spomaľujú rýchlosť ich inaktivácie. Napríklad toxín morskej sasanky (ATX) a a-toxín škorpióna (ScTX) spôsobujú oneskorenie inaktivácie väzbou na aminokyselinové zvyšky slučky S3-S4 segmentu 4.

Látky tzv anestetiká (novokaín, dikaín, lidokaín, sovkaín, prokaín atď.). Anestézia, keď blokujú sodíkové kanály, sa dosiahne elimináciou možnosti generovania nervových impulzov v aferentných nervových vláknach, a tým blokovaním prenosu signálov zo senzorických receptorov bolesti do centrálneho nervového systému.

Zistilo sa, že zmeny v štruktúre sodíkových kanálov môžu viesť k rozvoju mnohých chorôb. Napríklad zmena v štruktúre kanála riadeného génom SCNlb vedie k rozvoju generalizovaných foriem epilepsie a záchvatov so zvýšenou telesnou teplotou (febrilné kŕče).

Mnohé mikroorganizmy tvoria v ľudskom tele toxíny – látky, ktoré blokujú iónové kanály v postihnutých bunkách, čo môže byť sprevádzané nerovnováhou v iónovej rovnováhe a bunkovou smrťou. Iné mikroorganizmy, naopak, využívajú svoje toxíny (perforíny) na vytváranie iónových kanálov v bunkovej membráne. Najmä toxín bacila antraxu, ktorý spôsobuje u ľudí obzvlášť nebezpečnú infekciu, napáda bunku a vytvára v jej membráne nové póry (kanály), cez ktoré do bunky prenikajú ďalšie toxíny. Pôsobenie týchto toxínov spôsobuje smrť napadnutých buniek a vysokú úmrtnosť pri tomto ochorení. Vedci syntetizovali látku β-cyklodextrín, ktorá sa priestorovou štruktúrou približuje tvaru výsledného kanála. Táto látka blokuje kanály tvorené toxínom mikroorganizmu, zabraňuje vstupu toxínov do buniek a zachraňuje pokusné zvieratá infikované antraxom pred smrťou.

Napäťovo nezávislé sodíkové kanály

Ligandom riadené sodíkové kanály. Ich všeobecná štruktúra a vlastnosti sú diskutované vyššie v popise ligandom riadených iónových kanálov. Tento typ sodíkových kanálov je v tele široko zastúpený sodíkovými kanálmi cholinergného receptora citlivého na nikotín postsynaptickej membrány neuromuskulárnej synapsie, interneurónových synapsií centrálneho nervového systému a autonómneho nervového systému (pregangliové a gangliové neuróny). Ligandom riadené sodíkové kanály sú lokalizované v postsynaptických membránach iných excitačných (glutamátových a aspartátergných) synapsií centrálneho nervového systému. Hrajú kľúčovú úlohu pri vytváraní excitačného postsynaptického potenciálu na synapsiách a pri prenose signálov medzi neurónmi a medzi neurónmi a efektorovými bunkami.

Ligandom riadené sodíkové kanály postsynaptickej membrány nie sú prísne selektívne a môžu byť súčasne priepustné pre niekoľko iónov: sodík a draslík, sodík a vápnik.

Napäťovo nezávislé sodíkové kanály hradlované druhými posly. Stav týchto sodíkových kanálov môže byť kontrolovaný cGMP (fotoreceptory), cAMP (čuchové receptory) a G proteínovými podjednotkami (myokard).

Mechanosenzitívne sodíkové kanály. Prítomný v mechanoreceptoroch stien krvných ciev, srdca, dutých vnútorných orgánov, proprioceptorov priečne pruhovaných svalov a membrány hladkých myocytov. S ich účasťou na senzorických receptoroch sa energia mechanického pôsobenia premieňa na osciláciu rozdielu potenciálov - receptorového potenciálu.

Pasívne sodíkové laná. Obsiahnuté v cytoplazmatických membránach excitabilných buniek. Priepustnosť týchto kanálov pre ióny Na+ je malá, ale cez ne ióny Na difundujú pozdĺž koncentračného gradientu z extracelulárnych priestorov do buniek a trochu depolarizujú membránu. Sodíkové kanály cytoplazmatickej membrány hladkých myocytov sú priepustnejšie. Depolarizujú ho vo väčšom množstve (kľudový potenciál asi 50 mV) ako membrána myocytov priečne pruhovaných svalov (kľudový potenciál asi 90 mV). Pasívne sodíkové kanály sa teda podieľajú na tvorbe pokojového membránového potenciálu.

Výmenníky sodíka. Sodno-vápenatý výmenník alebo sodíkovo-vápenatý výmenník už bol opísaný a hrá dôležitú úlohu pri odstraňovaní vápenatých iónov z kontraktilných kardiomyocytov.

Sodíkový výmenník protónov. Ide o špeciálny typ proteínu tvoriaci kanál, ktorý odstraňuje vodíkové protóny z vnútrobunkových priestorov výmenou za sodíkové ióny vstupujúce do bunky. Odstránenie protónov sa aktivuje, keď sa pH v bunke zníži.

Syntéza proteínov, ktoré tvoria sodíkové výmenné kanály, je riadená piatimi génmi, označenými NAH1-NAH5.

Draslíkové kanály

Existujú napäťovo riadené a napäťovo necitlivé draslíkové kanály. Medzi poslednými sa rozlišujú pasívne, ligandovo závislé a iné typy draslíkových kanálov. Draslíkové kanály sa spravidla nachádzajú v membránach tých istých buniek a tkanív, ktoré obsahujú sodíkové kanály. Jedným z dôvodov takejto paralelnosti v usporiadaní týchto iónových kanálov je, že ióny Na+ a K+ sú najdôležitejšími katiónmi, ktorých povaha distribúcie a pohybu určuje vznik a zmenu elektrických potenciálov ako jednej z najdôležitejších foriem. prenosu informačného signálu v tele.

Existuje celá nadrodina draslíkových iónových kanálov, ktoré sú rozdelené podľa štruktúrnych znakov, lokalizácie a vlastností kanálov do samostatných rodín, typov a podtypov. Bolo popísaných viac ako tri tucty draslíkových kanálov a nie je možné poskytnúť ich podrobné charakteristiky. Preto budú ako príklady uvedené opisy tých rodín a typov iónových kanálov, ktoré primárne súvisia so signálnymi dráhami a riadiacimi mechanizmami nervových a svalových procesov.

Pasívne draslíkové kanály

Je známe, že v kľudovom stave sú membrány excitabilných buniek relatívne priepustné pre ióny K a slabo priepustné pre ióny Na+. Keďže nosičmi transmembránových elektrických prúdov sú ióny, meraním elektrického prúdu pretekajúceho cez bunkovú membránu je možné posúdiť stav iónových kanálov. Ukázalo sa, že transmembránový elektrický prúd, spôsobený difúziou iónov K pozdĺž koncentračného gradientu z bunky, má asi dva pikoampéry a má pulzujúci charakter a priemerné trvanie pulzácie je niekoľko milisekúnd. Z tohto pozorovania sa dospelo k záveru, že draslíkové kanály v pokojovej bunke sa môžu spontánne otvárať a zatvárať, čo poskytuje podmienky pre difúziu iónov K cez ne z bunky a vytváranie pokojového potenciálu na membráne.

Napäťovo riadené draslíkové kanály

Existencia napäťovo riadených draslíkových kanálov v bunkových membránach excitabilných tkanív sa stala známou po tom, čo sa zistilo, že ich aktivačná kinetika sa líši od kinetiky napäťovo riadených sodíkových kanálov a navyše sú selektívne blokované inými blokátormi. Draslíkové kanály sa aktivujú rovnakým spôsobom ako sodíkové kanály, keď je bunková membrána depolarizovaná na kritickú úroveň, ale zároveň sa rýchlosť výstupu iónov K+ z bunky zvyšuje oveľa pomalšie ako rýchlosť vstupu Na+ ióny do bunky.

Selektívny filter draslíkového kanála je umiestnený na vnútornej strane ústia pórov, na rozdiel od vonkajšieho umiestnenia podobného filtra v sodíkových kanáloch (obr. 7). Existencia selektivity týchto kanálov vo vzťahu k katiónom Na+ a K+ a rôznym špecifickým blokátorom - tetrodotoxínu (pre sodík) a tetraetylamónia (pre draslík) - naznačuje odlišnú štruktúru týchto kanálov.

Napäťovo riadené draslíkové kanály sú tetraméry a pozostávajú zo štyroch podjednotiek tvoriacich pór v strede.

Napäťovo riadené draslíkové kanály sú lokalizované v membránach excitabilných aj neexcitabilných buniek. Zohrávajú dôležitú úlohu v rýchlosti obnovy (repolarizácie) membránového potenciálu po jeho depolarizácii a tým pri riadení tvaru a frekvencie generovania akčných potenciálov. Pomalé draslíkové kanály sú blokované traetylamóniom, 4-aminopyridínom, fencyklidínom a 9-aminoakridínom.

Ryža. 7. Draslíkový kanál: a - ľavý - dvojrozmerná štruktúra a-podjednotky; vpravo je schéma kanála; b - diagram elektrónovej difrakcie draslíkových kanálov v cytoplazmatickej membráne.

Okrem pomalých draslíkových kanálov boli opísané rýchle napäťovo riadené draslíkové kanály, ktorých kinetika otvárania je podobná kinetike rýchlych napäťovo riadených sodíkových kanálov. Tieto draslíkové kanály sa po depolarizácii rýchlo otvárajú, potom sú úplne inaktivované a ich reaktivácia vyžaduje nielen repolarizáciu membrány, ale aj hyperpolarizáciu na chvíľu.

V súlade s názvami génov kódujúcich syntézu a zostavenie molekúl tvoriacich kanál sa rozlišuje šesť typov KCN s podtypmi KCN A, B, C, E a jedna rodina iónových kanálov KCNQ. Kanály druhej rodiny sú vyjadrené v myokarde.

Ligandom riadené draslíkové kanály

Sú reprezentované veľkým počtom kanálov citlivých na pôsobenie rôznych ligandov.

Jedným typom mnohých draslíkových kanálov riadených ligandom je kanál spojený s acetylcholínovým receptorom citlivým na muskarín. Tieto kanály sú aktivované acetylcholínom. Kanály môžu byť blokované bradykinínom a iónmi bária. Existujú dva podtypy týchto kanálov: kanály inaktivované muskarínom a kanály aktivované muskarínom. Ten je lokalizovaný v bunkách kardiostimulátora srdca.

Vlastnosti draslíkového kanála závislého od ligandu majú neselektívne napäťovo nezávislé katiónové kanály, ktoré kombinujú charakteristiky kanálov a acetylcholínových receptorov citlivých na nikotín postsynaptickej membrány neuromuskulárnej synapsie. Keď proteín tvoriaci kanál interaguje s acetylcholínom, otvorí sa tento neselektívny kanál, cez ktorý ióny Na+ vstupujú do svalovej bunky a ióny K z nej vystupujú. Rôzne rýchlosti pohybu týchto iónov zabezpečujú výskyt depolarizácie postsynaptickej membrány, ktorá sa nevyvinie do akčného potenciálu priamo na tejto membráne.

Boli identifikované draslíkové kanály citlivé na ATP, ktoré sú inhibované a aktivované pôsobením ATP.

Samostatnú rodinu draslíkových kanálov tvoria takzvané vstupné usmerňovacie draslíkové kanály (brány) alebo vstupné usmerňovače. (dovnútrausmerňujúci; dovnútrausmerňovač). V rektifikačnom mechanizme brány draslíkového kanála nie je žiadny snímač napätia. Funkčný význam týchto kanálov spočíva v ich vplyve na excitabilitu kardiostimulátorových buniek, svalových buniek a neurónov.

Rodina usmerňujúcich prichádzajúcich draslíkových kanálov sa podľa názvov génov, ktoré ich kódujú, delí na viac ako 15 typov. Príkladom špecifického významu rektifikácie vstupných draslíkových kanálov a najmä KCNJ kanálov 3, 5, 6 a 9 (iné označenie Kir kanály) môže byť ich špecifická úloha v regulácii srdcovej frekvencie prostredníctvom spojenia týchto kanálov s G. proteínové a muskarínové citlivé acetylcholínové receptory buniek – kardiostimulátory.

Sú známe draslíkové kanály aktivované sodíkom, necitlivé na napätie.

Sú opísané špeciálne napäťovo necitlivé draslíkové kanály, citlivé na zmeny pH, ktoré sú prítomné v β-bunkách pankreatických ostrovčekov a pôsobia v nich ako glukózový senzor. Je tiež známe, že draslíkové kanály sú citlivé na zmeny objemu buniek.

Vápnikové kanály

Rodina vápnikových kanálov je široko zastúpená v bunkách nervového a svalového tkaniva. Hlavnými miestami ich lokalizácie sú membrány presynaptických zakončení sarkoplazmatického a endoplazmatického retikula svalov, sarkolema kardiomyocytov a membrány buniek iných tkanív.

Na základe metód riadenia permeability sa vápnikové kanály delia na napäťovo závislé, pasívne, ligandovo závislé, mechanosenzitívne atď.

Vápnikové kanály sú rozdelené podľa rýchlosti inaktivácie na kanály typu T ( prechodný- prechodné), typu L (pomalé). V závislosti od príslušnosti k tkanivu a citlivosti na toxíny sa rozlišujú kanály typu B (mozog- mozog), N-typ (neurónové- neurónový), typu P (purkinjebunka- Purkyňove bunky) a R-typu (odolné voči toxínom).

Napäťovo riadené vápnikové kanály

Sú tvorené oligomérnym proteínom, ktorý sa zvyčajne skladá z piatich podjednotiek a1, a2, β, y a δ. Samotný iónový kanál je tvorený α-podjednotkou, ktorá má vysoký stupeň podobnosti v zložení a štruktúre aminokyselín s podobnou podjednotkou napäťovo riadených sodíkových a draslíkových kanálov (pozri obr. 6, obr. 7).

Napäťovo riadený vápnikový kanál je selektívne priepustný pre ióny Ca2+. Selektivita je zabezpečená prítomnosťou póru, ktorý tvorí selektívny filter.

Je čas tvorené segmentmi podjednotky a1, preto by sa vzhľadom na podobnosť jeho štruktúry so štruktúrou monovalentných katiónových kanálov dalo očakávať, že vápnikový kanál by mal byť priepustný pre ióny Na+ a K+. Táto vlastnosť v skutočnosti nastáva, keď je vápnik odstránený z extracelulárneho prostredia.

V prirodzených podmienkach je selektivita voči vápniku v kanáli zabezpečená prítomnosťou dvoch miest viažucich vápnik v póroch kanála. Jeden z nich je tvorený skupinou glutamátových zvyškov a pri nízkej koncentrácii vápnika sa silne viaže na toto miesto póru kanála a kanálik pre vápnik sa stáva slabo priepustným. Keď sa koncentrácia vápnika zvyšuje, zvyšuje sa pravdepodobnosť, že vápnik obsadí druhé väzbové miesto; výsledné elektrostatické odpudzujúce sily medzi iónmi Ca2+ značne skracujú dobu zotrvania iónov na väzbových miestach. Uvoľnený vápnik difunduje cez aktivovaný kanál do bunky pozdĺž elektrochemického gradientu.

Napäťovo riadené vápnikové kanály sa líšia v prahových hodnotách posunov potenciálneho rozdielu, pri ktorých sú aktivované. Kanály typu T sú aktivované malými posunmi napätia na membráne, typy L a P sa vyznačujú vysokými prahmi posunu napätia, ktoré spôsobujú ich aktiváciu.

Napäťovo riadené vápnikové kanály hrajú dôležitú úlohu v množstve životne dôležitých procesov v tele. Ich aktivácia a vstup vápnika do presynaptického zakončenia sú nevyhnutné pre prenos synaptického signálu.

Vstup vápnika cez vápnikové kanály do bunky kardiostimulátora je nevyhnutný na vytvorenie akčného potenciálu v bunkách kardiostimulátora srdca a na zabezpečenie jeho rytmickej kontrakcie. Napäťovo závislé vápnikové kanály regulujú tok vápnika do sarkoplazmy vlákien myokardu, kostrových svalov, hladkých myocytov krvných ciev a vnútorných orgánov, riadia spustenie, rýchlosť, silu, trvanie ich kontrakcie a tým aj pohyb, pumpovaciu funkciu srdce, krvný tlak, dýchanie a mnoho ďalších procesov v tele.

Pasívne vápnikové kanály

Nachádza sa v cytoplazmatických membránach hladkých myocytov. V pokoji sú priepustné pre vápnik a vápnik sa spolu s iónmi K+ a Na+ podieľa na vytváraní transmembránového potenciálu rozdielu alebo pokojového potenciálu hladkých myocytov. Vápnik vstupujúci cez tieto kanály do hladkého myocytu je zdrojom doplňovania jeho zásob v endoplazmatickom retikule a využíva sa ako sekundárny posol pri prenose intracelulárnych signálov.

Pokojový vápnik sa môže presúvať z bunky do bunky cez medzerové spojovacie kanály. Tieto kanály nie sú selektívne pre vápnik a súčasne cez ne môže prebiehať medzibunková výmena iných iónov a organických látok s malou molekulovou hmotnosťou. Vápnik vstupujúci do buniek cez gap junction kanály hrá dôležitú úlohu pri výskyte excitácie, iniciácie a synchronizácie kontrakcií myokardu, maternice, zvieračov vnútorných orgánov a udržiavaní cievneho tonusu.

Ligandom riadené vápnikové kanály

Pri štúdiu mechanizmov spúšťania a regulácie kontrakcií myokardu a hladkého svalstva sa ukázalo, že závisia od prísunu vápnika do myocytu tak z extracelulárneho prostredia, ako aj z jeho vnútrobunkových zásob. V tomto prípade môže byť vstup vápnika do sarkoplazmy riadený zmenou rozdielu potenciálov na sarkoléme a aktiváciou napäťovo závislých vápnikových kanálov a (alebo) pôsobením množstva signálnych molekúl na membránu sarkoplazmatického retikula. .

Ligandom riadené vápnikové kanály sú lokalizované v cytoplazmatických membránach hladkých myocytov. Ligandy ich receptorov môžu byť hormóny: vazopresín, oxytocín, adrenalín; neurotransmiter norepinefrín; signálne molekuly: angiotenzín 2, endotel 1 a ďalšie látky. Väzba ligandu na receptor je sprevádzaná aktiváciou vápnikového kanála a vstupom vápnika do bunky z extracelulárneho prostredia.

V kardiomyocytoch je na spustenie svalovej kontrakcie potrebné najskôr aktivovať napäťovo riadené vápnikové kanály typu T, potom typu L, ktorých otvorenie zabezpečuje vstup určitého množstva iónov Ca 2+ do bunky. . Vápnik vstupujúci do bunky aktivuje ryanodinový receptor (RYR), proteín tvoriaci kanál zabudovaný v membráne sarkoplazmatického retikula kardiomyocytu. V dôsledku aktivácie kanála sa zvyšuje jeho permeabilita pre vápnik a ten difunduje do sarkoplazmy pozdĺž koncentračného gradientu. Ca2+ ióny teda pôsobia ako druh ligandov, ktoré aktivujú ryanodínové receptory a tým aj vápnikové kanály. Výsledkom je, že extracelulárny vápnik vstupujúci do bunky pôsobí ako spúšťač uvoľňovania vápnika z jeho hlavného intracelulárneho zásobníka.

Vápnikové kanály môžu byť súčasne citlivé na zmeny potenciálnych rozdielov cez cytoplazmatickú membránu a na pôsobenie ligandov. Napríklad napäťovo riadené vápnikové kanály typu L sú citlivé na dihydropyridín (nifedipín), fenylalkylamíny (verapamil) a benzotiazepíny (diltiazem). Tento typ kanála sa často nazýva dihydropyridínový receptor. Tento názov naznačuje, že L-vápnikový kanál je riadený ligandom, hoci v skutočnosti ide o kanál s napäťovým riadením.

Kanály typu P sú odolné voči pôsobeniu konogoxínov a liečiv, na ktoré sú citlivé iné typy vápnikových kanálov.

Funkčné vlastnosti al podjednotiek napäťovo riadených vápnikových kanálov možno modulovať ich fosforyláciou, a tak možno regulovať stav iónovej permeability vápnikových kanálov, napríklad v myokarde.

Špeciálnym typom ligandom riadených vápnikových iónových kanálov sú kanály lokalizované v membránach endoplazmatického retikula buniek hladkého svalstva, ktorých stav permeability je riadený intracelulárnou úrovňou sekundárneho posla, IPG. Ak použijeme tieto kanály ako príklad, stretávame sa s prípadom, keď agonista extracelulárnej signálnej molekuly, aktivujúci receptor plazmatickej membrány cieľovej bunky hladkého svalstva, zapne inozitolfosfátovú dráhu intracelulárneho prenosu signálu, ktorá zase cez pôsobením IPE, aktivuje ďalší kanál tvoriaci proteín v membráne bunkovej organely. Celý tento reťazec udalostí prenosu signálu končí uvoľnením iónov Ca 2+ z vnútrobunkových zásob, ktoré spúšťajú a riadia molekulárny mechanizmus kontrakcie buniek hladkého svalstva.

Mechanosenzitívne vápnikové kanály

Sú lokalizované v plazmatickej membráne hladkých myocytov stien krvných ciev, myoitídy vnútorných orgánov, vaskulárneho endotelu a bronchiálneho epitelu. Tieto kanály môžu byť spojené s glykoproteínovými mechanoreceptormi. V reakcii na mechanické namáhanie (napríklad natiahnutie steny cievy krvným tlakom) sa zvyšuje priepustnosť pre ióny Ca 2+. Mechanosenzitívne kanály nemajú vysokú selektivitu a menia svoju permeabilitu súčasne pre množstvo katiónov. Vstup vápnika a sodíka do bunky hladkého svalstva spôsobuje depolarizáciu jej membrány, otvorenie napäťovo riadených vápnikových kanálov, zvýšenie vstupu vápnika a kontrakciu hladkého myocytu.

Tieto deje sú súčasťou mechanizmu prispôsobovania cievneho tonusu a regulácie prietoku krvi meniacim sa hodnotám krvného tlaku v cieve a rýchlosti prietoku krvi (myogénna regulácia). Okrem toho sa mechanosenzitívne vápnikové kanály podieľajú na realizácii mechanizmov vaskulárneho stresu-relaxácie počas dlhotrvajúceho zvýšenia krvného tlaku.

Chlórové kanály

Chloridové kanály sú prítomné v plazmatických membránach väčšiny buniek. Hrajú dôležitú úlohu pri udržiavaní transmembránového potenciálu rozdielu v kľudovej bunke a ich posunov pri zmene funkčnej aktivity buniek. Chloridové kanály sa podieľajú na regulácii objemu buniek, transepiteliálnom transporte látok a sekrécii tekutín sekrečnými bunkami.

V súlade s mechanizmami aktivácie sa rozlišujú tri nadrodiny chlórových kanálov: napäťovo riadené, ligandovo riadené a iné napäťovo necitlivé chlórové kanály.

Potenciálne závislé chloridové kanály. Lokalizované v membránach excitabilných a epitelových buniek. Stav priepustnosti týchto kanálov je riadený veľkosťou rozdielu transmembránového potenciálu.

Potenciálna závislá permeabilita chloridových kanálov sa v rôznych tkanivách líši. V axonálnej membráne je teda závislosť permeability chloridových kanálov od rozdielu potenciálov nevýznamná a významne neovplyvňuje zmenu veľkosti akčného potenciálu počas excitácie a v kostrových svaloch táto závislosť permeability chloridových kanálov je vyššia.

Kanál CLC1 je typickým predstaviteľom chloridových kanálov sarkolemálneho svalového vlákna kostrového svalstva. Kanál vykazuje permeabilitu v celom rozsahu zmien transmembránového napätia v pokoji, je aktivovaný pri depolarizácii a inaktivovaný pri hyperpolarizácii membrány.

Ligandom riadené chloridové kanály. Prevažne exprimovaný v nervovom tkanive. Stav permeability týchto chloridových kanálov je riadený primárne extracelulárnymi ligandami, ale môžu byť citlivé na intracelulárne koncentrácie vápnika a aktivované G proteínmi a cAMP. Kanály tohto typu sú široko distribuované v postsynaptických membránach a používajú sa na vykonávanie postsynaptickej inhibície. Stav priepustnosti kanálov je riadený aktiváciou kanálov pomocou ligandov – inhibičných neurotransmiterov (kyselina γ-aminomaslová a glycín).

Chlórové kanály necitlivé na napätie. Zahŕňa pasívne chloridové kanály, kanály citlivé na ATP a regulátor transmembránovej vodivosti intersticiálnej fibrózy (cystickáfibrózatransmembránovývodivosťregulátora- CFTR).

CFTR zjavne pozostáva zo samotného chlórového kanála a regulačného kanála reprezentovaného špeciálnou regulačnou doménou (P-doménou). Regulácia iónovej vodivosti týchto kanálov sa uskutočňuje fosforyláciou regulačnej domény proteínkinázou závislou od cAMP. Porušenie štruktúry a funkcie tohto kanála vedie k rozvoju vážneho ochorenia sprevádzaného dysfunkciou mnohých tkanív - intersticiálna fibróza.

Aquaporíny

Aquaporíny(z lat. aqua- voda, grécky porus- kanál, pór) - proteíny, ktoré tvoria vodné kanály a zabezpečujú transmembránový prenos vody. Aquaporíny sú integrálne, tetramérne membránové proteíny, ktorých monomér má hmotnosť približne 30 kDa. Každý akvaporín teda tvorí štyri vodné kanály (obr. 8).

Zvláštnosťou týchto kanálov je, že molekuly vody sa v nich môžu pohybovať za izozmotických podmienok, t.j. keď na ne nepôsobia sily osmotického gradientu. Skratka AQP sa používa na označenie akvaporínov. Bol izolovaný a opísaný celý rad typov akvaporínov: AQP1 - v epiteliálnych membránach proximálnych renálnych tubulov, zostupná časť Henleho kľučky; v membránach endotelu a hladkých myocytoch krvných ciev, v štruktúrach sklovca; AQP2 - v membránach epitelu zberných kanálikov. Tento akvaporín bol citlivý na pôsobenie antidiuretického hormónu a na základe toho ho možno považovať za vodný kanál s ligandom. Expresia génu, ktorý riadi syntézu tohto akvaporínu, je regulovaná antidiuretickým hormónom; AQP3 sa nachádza v membránach buniek rohovky; AQP4 - v mozgových bunkách.

Ryža. 8. Štruktúra vodného kanála AQP1: a - peptidové reťazce tvoriace kanál; b – zostavený kanál: A, B, C, D, E – úseky proteínového reťazca

Ukázalo sa, že AQP1 a AQP4 hrajú dôležitú úlohu pri tvorbe a cirkulácii mozgovomiechového moku. Aquaporíny sa nachádzajú v epiteli gastrointestinálneho traktu: AQP4 - v žalúdku a tenkom čreve; AQP5 - v slinných žľazách; AQP6 - v tenkom čreve a pankrease; AQP7 - v tenkom čreve; AQP8, AQP9 - v pečeni. Niektoré akvaporíny transportujú nielen molekuly vody, ale aj organické látky v nej rozpustné (kyslík, glycerol, močovina). Akvaporíny teda zohrávajú dôležitú úlohu v metabolizme vody v organizme a narušenie ich funkcie môže byť jednou z príčin vzniku mozgového a pľúcneho edému a rozvoja zlyhania obličiek a srdca.

Znalosť mechanizmov transportu iónov cez membrány a spôsobov ovplyvňovania tohto transportu je nevyhnutnou podmienkou nielen pre pochopenie mechanizmov regulácie životných funkcií, ale aj pre správny výber liekov pri liečbe veľkého množstva ochorení (hypertenzia , bronchiálna astma, srdcové arytmie, poruchy výmeny vody a soli atď.).

Na pochopenie mechanizmov regulácie fyziologických procesov v organizme je potrebné poznať nielen štruktúru a priepustnosť bunkových membrán pre rôzne látky, ale aj štruktúru a priepustnosť zložitejších štruktúrnych útvarov nachádzajúcich sa medzi krvou a tkanivami rôznych orgánov.

Hore

		1 úplne nesúhlasím	2 nesúhlasím	3 neviem	4 súhlasím	5 úplne súhlasím
	Táto aktivita rozvinula moje zručnosti pri riešení problémov.
	Na úspešné absolvovanie tejto lekcie som potrebovala len dobrú pamäť.
	Táto aktivita rozvinula moju schopnosť pracovať v tíme.
	Táto aktivita zlepšila moje analytické schopnosti.
	Táto lekcia zlepšila moje písanie.
	Trieda si vyžadovala hlboké pochopenie látky.