İyon kanalları olarak membran proteinleri. Seçici ve seçici olmayan kanallar

İyon kanalları integral membran proteinleri ile temsil edilir. Bu proteinler, belirli etkiler altında, herhangi bir iyonun geçebileceği gözeneklerin açılıp kapanmasını sağlayacak şekilde konformasyonlarını (şekil ve özelliklerini) değiştirme yeteneğine sahiptir. Sodyum, potasyum, kalsiyum ve klor kanalları bilinmektedir; bazen bir kanalın iki iyonu geçebildiği, örneğin sodyum-kalsiyum kanalları bilinmektedir. İyon kanalları aracılığıyla yalnızca iyonların pasif taşınması gerçekleşir. Bu, bir iyonun hareket etmesi için yalnızca açık bir kanalın değil, aynı zamanda o iyon için bir konsantrasyon gradyanının da gerekli olduğu anlamına gelir. Bu durumda iyon, konsantrasyon gradyanı boyunca, daha yüksek konsantrasyonlu bir alandan daha düşük konsantrasyonlu bir alana doğru hareket edecektir. Taşınması da yük tarafından belirlenen iyonlar - yüklü parçacıklardan bahsettiğimiz unutulmamalıdır. Konsantrasyon gradyanı boyunca hareketin bir yöne yönlendirilebildiği ve mevcut yüklerin bu aktarımı engellediği durumlar mümkündür.

İyon kanallarının iki önemli özelliği vardır: 1) seçicilik (seçicilik) belirli iyonlara karşı ve 2) açma (etkinleştirme) ve kapatma yeteneği. Etkinleştirildiğinde kanal açılır ve iyonların geçmesine izin verir (Şekil 8). Bu nedenle, kanalı oluşturan integral protein kompleksi mutlaka iki öğe içermelidir: "kendi" iyonlarını tanıyan ve onun geçmesine izin verebilen yapılar ve bu iyonun ne zaman geçmesine izin vereceğinizi bilmenizi sağlayan yapılar. Kanalın seçiciliği, onu oluşturan proteinler tarafından belirlenir; "kendi" iyonu, boyutu ve yüküyle tanınır.

Kanal aktivasyonu birkaç yolla mümkündür. Birincisi, membran potansiyeli değiştikçe kanallar açılıp kapanabilir. Yükteki değişiklik, protein moleküllerinin yapısında bir değişikliğe yol açar ve kanal, iyona karşı geçirgen hale gelir. Kanalın özelliklerini değiştirmek için membran potansiyelinde hafif bir dalgalanma yeterlidir. Bu tür kanallara denir voltaja bağlı(veya elektrikle kontrol edilir). İkincisi, kanallar, membran reseptörü adı verilen karmaşık bir protein kompleksinin parçası olabilir. Bu durumda kanalın özelliklerindeki değişiklik, reseptörün biyolojik olarak aktif bir madde (hormon, aracı) ile etkileşimi sonucu ortaya çıkan proteinlerin konformasyonel yeniden düzenlenmesinden kaynaklanır. Bu tür kanallara denir kimyasal bağımlı(veya reseptör kapılı ) . Ek olarak, kanallar mekanik etki (basınç, gerilme) altında açılabilir (Şekil 9). Aktivasyonu sağlayan mekanizmaya kanal geçitleme adı verilmektedir. Kanalların açılma ve kapanma hızlarına göre hızlı ve yavaş olarak ikiye ayrılabilirler.

Çoğu kanal (potasyum, kalsiyum, klorür) iki durumda olabilir: açık ve kapalı. Sodyum kanallarının çalışmasında bazı özellikler vardır. Potasyum, kalsiyum ve klorür gibi bu kanallar açık veya kapalı durumda olma eğilimindedir, ancak sodyum kanalı da inaktive edilebilir, bu kanalın kapalı olduğu ve herhangi bir etkiyle açılamadığı bir durumdur ( Şekil 10).

Şekil 8. İyon kanalı durumları

Şekil 9. Reseptör kapılı kanal örneği. ACh – asetilkolin. ACh molekülünün membran reseptörü ile etkileşimi, kapı proteininin konformasyonunu, kanalın iyonların geçmesine izin verecek şekilde değiştirir.

Şekil 10 Potansiyele bağlı kanal örneği

Voltaj kapılı sodyum kanalının aktivasyon ve inaktivasyon kapıları (kapıları) vardır. Aktivasyon ve inaktivasyon kapıları farklı membran potansiyellerinde konformasyonu değiştirir.

Uyarılma mekanizmalarını ele alırken esas olarak sodyum ve potasyum kanallarının çalışmasıyla ilgileneceğiz ancak kalsiyum kanallarının özelliklerine kısaca değinelim, gelecekte bunlara ihtiyacımız olacak. Sodyum ve kalsiyum kanalları özellikleri bakımından farklılık gösterir. Sodyum kanalları hızlı ve yavaştır, kalsiyum kanalları ise yalnızca yavaştır. Sodyum kanallarının aktivasyonu yalnızca depolarizasyona ve LO veya AP oluşumuna yol açar; kalsiyum kanallarının aktivasyonu ayrıca hücrede metabolik değişikliklere neden olabilir. Bu değişiklikler kalsiyumun bu iyona duyarlı özel proteinlere bağlanmasından kaynaklanmaktadır. Kalsiyuma bağlı protein, özelliklerini, örneğin enzimleri aktive etme, kas kasılmasını tetikleme ve aracıları serbest bırakma gibi diğer proteinlerin özelliklerini değiştirebilecek şekilde değiştirir.

Modern kavramlara göre biyolojik zarlar, tüm hayvan hücrelerinin dış kabuğunu oluşturur ve çok sayıda hücre içi organel oluşturur. En karakteristik yapısal özelliği, membranların her zaman kapalı alanlar oluşturmasıdır ve membranların bu mikroyapısal organizasyonu, onların temel işlevleri yerine getirmesine olanak sağlar.

Hücre zarlarının yapısı ve görevleri.

1. Bariyer işlevi, zarın uygun mekanizmaları kullanarak konsantrasyon gradyanlarının oluşturulmasına katılarak serbest difüzyonu önlemesiyle ifade edilir. Bu durumda membran, elektrojenez mekanizmalarında rol alır. Bunlar, dinlenme potansiyeli yaratmaya yönelik mekanizmaları, bir aksiyon potansiyelinin oluşturulmasını, biyoelektrik dürtülerin homojen ve heterojen uyarılabilir yapılar boyunca yayılmasına yönelik mekanizmaları içerir.

2. Hücre zarının düzenleyici işlevi, hücre dışı biyolojik olarak aktif maddelerin alınmasına bağlı olarak hücre içi içeriklerin ve hücre içi reaksiyonların ince bir şekilde düzenlenmesidir; bu, zarın enzim sistemlerinin aktivitesinde değişikliklere ve ikincil mekanizmaların başlatılmasına yol açar. haberciler” (“aracılar”).

3. Elektriksel olmayan dış uyaranların elektrik sinyallerine (reseptörlerde) dönüştürülmesi.

4. Sinaptik sonlanmalarda nörotransmitterlerin salınması.

Modern elektron mikroskobu yöntemleri, hücre zarlarının kalınlığını (6-12 nm) belirledi. Kimyasal analiz, zarların esas olarak lipitlerden ve proteinlerden oluştuğunu ve bunların miktarının farklı hücre tipleri arasında değiştiğini gösterdi. Hücre zarlarının işleyişinin moleküler mekanizmalarını incelemenin zorluğu, hücre zarlarının izole edilmesi ve saflaştırılması sırasında normal işleyişinin bozulmasından kaynaklanmaktadır. Şu anda, aralarında sıvı mozaik modelinin en yaygın olduğu çeşitli hücre zarı modellerinden bahsedebiliriz.

Bu modele göre membran, moleküllerin hidrofobik uçları çift katmanın içine yerleştirilecek ve hidrofilik uçlar sulu faza yönlendirilecek şekilde yönlendirilmiş bir çift fosfolipit molekülü katmanıyla temsil edilir. Bu yapı, iki faz arasında bir ayrımın oluşması için idealdir: hücre dışı ve hücre içi.

Küresel proteinler, polar bölgeleri sulu fazda hidrofilik bir yüzey oluşturan fosfolipid çift katmanına entegre edilir. Bu entegre proteinler, reseptör, enzimatik, iyon kanalları oluşturma, membran pompaları ve iyon ve moleküllerin taşıyıcıları dahil olmak üzere çeşitli işlevleri yerine getirir.

Bazı protein molekülleri lipit tabakası düzleminde serbestçe yayılır; Normal durumda hücre zarının farklı taraflarında ortaya çıkan protein moleküllerinin parçaları konumlarını değiştirmez.

Membranların elektriksel özellikleri:

Kapasitif özellikler temel olarak, hidratlanmış iyonlara karşı geçirimsiz olan ve aynı zamanda yüklerin etkili bir şekilde ayrılmasına ve birikmesine ve katyonlar ile anyonların elektrostatik etkileşimine izin verecek kadar ince (yaklaşık 5 nm) fosfolipit çift katmanı tarafından belirlenir. Ayrıca hücre zarlarının kapasitif özellikleri, hücre zarlarında meydana gelen elektriksel işlemlerin zaman özelliklerini belirleyen nedenlerden biridir.

İletkenlik (g), elektrik direncinin tersidir ve belirli bir iyon için toplam zar ötesi akımın, zar ötesi potansiyel farkını belirleyen değere oranına eşittir.

Çeşitli maddeler fosfolipid çift katmanından yayılabilir ve geçirgenlik derecesi (P), yani hücre zarının bu maddeleri geçme yeteneği, zarın her iki tarafındaki difüzyon maddesinin konsantrasyonlarındaki farka, çözünürlüğüne bağlıdır. Lipidlerde ve hücre zarının özelliklerinde.

Bir zarın iletkenliği onun iyonik geçirgenliğinin bir ölçüsüdür. İletkenlikteki bir artış, membrandan geçen iyonların sayısında bir artış olduğunu gösterir.

İyon kanallarının yapısı ve fonksiyonları. Na+, K+, Ca2+, Cl- iyonları hücre içerisine girip içi sıvı dolu özel kanallardan çıkarlar. Kanal boyutu oldukça küçük.

Tüm iyon kanalları aşağıdaki gruplara ayrılır:

1. Seçiciliğe göre:

a) Seçici, yani. özel. Bu kanallar kesin olarak tanımlanmış iyonlara karşı geçirgendir.

b) Düşük seçici, spesifik olmayan, spesifik iyon seçiciliği olmayan. Membranda az sayıda bulunur.

1. İçinden geçen iyonların niteliğine göre:

a) potasyum

b) sodyum

c) kalsiyum

d) klor

1. İnaktivasyon oranına göre, yani. kapanış:

a) hızla etkisiz hale geliyor, yani. hızla kapalı bir duruma dönüşüyor. MP'de hızla artan bir azalma ve aynı derecede hızlı bir iyileşme sağlarlar.

b) yavaş etkili. Açılmaları MP'de yavaş bir düşüşe ve yavaş iyileşmeye neden olur.

4. Açılma mekanizmalarına göre:

a) potansiyele bağımlı, yani belli bir zar potansiyeli seviyesinde açılanlar.

b) kemo-bağımlı, hücre zarı kemoreseptörleri fizyolojik olarak aktif maddelere (nörotransmiterler, hormonlar vb.) maruz kaldığında açılır.

Artık iyon kanallarının aşağıdaki yapıya sahip olduğu tespit edilmiştir:

1. Kanal ağzında bulunan seçici filtre. Kesin olarak tanımlanmış iyonların kanaldan geçişini sağlar.

2. Belirli bir membran potansiyeli seviyesinde veya karşılık gelen PAS'ın eyleminde açılan aktivasyon kapıları. Potansiyele bağlı kanalların aktivasyon kapılarında, onları belirli bir MP düzeyinde açan bir sensör bulunur.

3. İnaktivasyon kapısı, kanalın kapanmasını ve kanaldan iyon akışının belirli bir MP seviyesinde durmasını sağlar (Şekil).

Spesifik olmayan iyon kanallarının kapısı yoktur.

Seçici iyon kanalları, aktivasyon (m) ve inaktivasyon (h) kapılarının konumuna göre belirlenen üç durumda mevcut olabilir:

1.Aktivasyon olanlar kapalıyken, inaktivasyon olanlar açıkken kapanır.

2. Etkinleştirildi, her iki kapı da açık.

3. Devre dışı bırakıldığında aktivasyon kapısı açık ve inaktivasyon kapısı kapalıdır

İyon kanallarının fonksiyonları:

1. Potasyum (istirahatte) – dinlenme potansiyelinin oluşması

2. Sodyum – aksiyon potansiyelinin oluşması

3. Kalsiyum – yavaş aksiyon üretimi

4. Potasyum (gecikmeli düzeltme) – repolarizasyonun sağlanması

5. Potasyum kalsiyumla aktive edilir – Ca+2 akımının neden olduğu depolarizasyonu sınırlandırır

İyon kanallarının işlevi çeşitli şekillerde incelenmiştir. En yaygın yöntem voltaj kelepçesi veya "voltaj kelepçesi" dir. Yöntemin özü, deney sırasında özel elektronik sistemler yardımıyla membran potansiyelinin değiştirilerek belirli bir seviyede sabitlenmesidir. Bu durumda membrandan akan iyon akımının büyüklüğü ölçülür. Potansiyel fark sabitse, Ohm yasasına göre akımın büyüklüğü iyon kanallarının iletkenliğiyle orantılıdır. Kademeli depolarizasyona yanıt olarak belirli kanallar açılır ve ilgili iyonlar elektrokimyasal bir gradyan boyunca hücreye girer, yani hücreyi depolarize eden bir iyon akımı ortaya çıkar. Bu değişiklik bir kontrol amplifikatörü tarafından tespit edilir ve membrandan, membran iyon akımına eşit büyüklükte fakat zıt yönde bir elektrik akımı geçirilir. Bu durumda transmembran potansiyel farkı değişmez.

Bireysel kanalların fonksiyonunun incelenmesi, "yol kelepçesi" potansiyelinin yerel olarak sabitlenmesi yöntemi kullanılarak mümkündür. Bir cam mikroelektrot (mikropipet) salin solüsyonu ile doldurulur, membran yüzeyine bastırılır ve hafif bir vakum oluşturulur. Bu durumda zarın bir kısmı mikroelektrota emilir. Emme bölgesinde bir iyon kanalı belirirse, tek bir kanalın aktivitesi kaydedilir. Tahriş ve kanal aktivitesinin kaydedilmesi sistemi, voltaj kayıt sisteminden çok az farklıdır.

Tek bir iyon kanalından geçen akım dikdörtgen bir şekle sahiptir ve farklı türdeki kanallar için genlik bakımından aynıdır. Kanalın açık durumda kalma süresi olasılıksaldır ancak membran potansiyelinin değerine bağlıdır. Toplam iyon akımı, her belirli zaman diliminde belirli sayıda kanalın açık durumda olma olasılığı ile belirlenir.

Kanalın dış kısmı çalışma için nispeten erişilebilirdir; iç kısmın incelenmesi ise önemli zorluklar sunmaktadır. P. G. Kostyuk, mikroelektrotlar kullanılmadan iyon kanallarının giriş ve çıkış yapılarının fonksiyonunun incelenmesine olanak tanıyan bir hücre içi diyaliz yöntemi geliştirdi. İyon kanalının hücre dışı boşluğa açık olan kısmının, fonksiyonel özellikleri bakımından kanalın hücre içi ortama bakan kısmından farklı olduğu ortaya çıktı.

Membranın iki önemli özelliğini sağlayan iyon kanallarıdır: seçicilik ve iletkenlik.

Kanalın seçiciliği, yani seçiciliği, özel protein yapısı sayesinde sağlanır. Çoğu kanal elektriksel olarak kontrol edilir, yani iyonları iletme yetenekleri membran potansiyelinin büyüklüğüne bağlıdır. Kanal, işlevsel özellikleri bakımından, özellikle kanalın girişinde ve çıkışında bulunan protein yapıları (kapı mekanizmaları olarak adlandırılan) açısından heterojendir.

Örnek olarak sodyum kanalını kullanarak iyon kanallarının çalışma prensibini ele alalım. Dinlenme sırasında sodyum kanalının kapalı olduğuna inanılmaktadır. Hücre zarı belirli bir seviyeye kadar depolarize olduğunda m-aktivasyon kapısı açılır (aktivasyon) ve Na+ iyonlarının hücreye akışı artar. M-kapısı açıldıktan birkaç milisaniye sonra sodyum kanallarının çıkışında bulunan h-kapısı kapanır (inaktivasyon). İnaktivasyon hücre zarında çok hızlı gelişir ve inaktivasyonun derecesi depolarize edici uyaranın büyüklüğüne ve etki zamanına bağlıdır.

Kalın bir sinir lifinde tek bir aksiyon potansiyeli oluştuğunda, iç ortamdaki Na+ iyonlarının konsantrasyonundaki değişiklik, kalamar devi aksonun iç Na+ iyonu içeriğinin yalnızca 1/100.000'i kadardır.

Sodyumun yanı sıra, hücre zarlarında tek tek iyonlara seçici olarak geçirgen olan başka kanal türleri de bulunur: K+, Ca2+ ve bu iyonlar için çeşitli kanallar vardır.

Hodgkin ve Huxley, membran boyunca sodyum ve potasyum akışının birbirinden bağımsız olduğu, kanalların "bağımsızlığı" ilkesini formüle etti.

Farklı kanalların iletkenlik özellikleri aynı değildir. Özellikle potasyum kanalları için sodyum kanallarında olduğu gibi inaktivasyon işlemi mevcut değildir. Hücre içi kalsiyum konsantrasyonu arttığında ve hücre zarı depolarize olduğunda aktive olan özel potasyum kanalları vardır. Potasyum-kalsiyuma bağımlı kanalların aktivasyonu repolarizasyonu hızlandırır, böylece dinlenme potansiyelinin orijinal değeri geri yüklenir.

Kalsiyum kanalları özellikle ilgi çekicidir. Gelen kalsiyum akımı genellikle hücre zarını normal olarak depolarize edecek kadar büyük değildir. Çoğu zaman hücreye giren kalsiyum bir "haberci" veya ikincil haberci görevi görür. Kalsiyum kanallarının aktivasyonu, hücre zarının depolarizasyonuyla, örneğin gelen sodyum akımıyla sağlanır.

Kalsiyum kanallarının etkisizleştirilmesi süreci oldukça karmaşıktır. Bir yandan hücre içi serbest kalsiyum konsantrasyonundaki artış, kalsiyum kanallarının inaktivasyonuna yol açar. Öte yandan hücrelerin sitoplazmasındaki proteinler kalsiyumu bağlar, bu da kalsiyum akımının düşük seviyede de olsa uzun süre sabit tutulmasını mümkün kılar; bu durumda sodyum akımı tamamen bastırılır. Kalsiyum kanalları kalp hücrelerinde önemli bir rol oynar. Kardiyomiyositlerin elektrogenezi Bölüm 7'de tartışılmaktadır. Hücre zarlarının elektrofizyolojik özellikleri özel yöntemler kullanılarak incelenmiştir.

Canlı dokularda bulunan tüm kanallar ve artık yüzlerce kanal tipini biliyoruz, iki ana tipe ayrılabilir. İlk tür dinlenme kanalları, Herhangi bir dış etki olmadan kendiliğinden açılıp kapanan. Dinlenme membran potansiyelini oluşturmak için önemlidirler. İkinci tip sözde kapı kanalları, veya portal kanalları("kapı" kelimesinden) . Dinlenme halindeyken bu kanallar kapalıdır ve belirli uyaranların etkisi altında açılabilir. Bu tür kanalların bazı türleri, aksiyon potansiyellerinin üretilmesinde rol oynar.

Çoğu iyon kanalı karakterize edilir seçicilik(seçicilik), yani belirli bir kanal türünden yalnızca belirli iyonların geçmesi. Bu özelliğe göre sodyum, potasyum, kalsiyum ve klorür kanalları ayırt edilir. Kanalların seçiciliği gözeneğin boyutuna, iyonun boyutuna ve hidrasyon kabuğuna, iyonun yüküne ve ayrıca kanalın iç yüzeyinin yüküne göre belirlenir. Ancak iki tür iyonu aynı anda geçirebilen seçici olmayan kanallar da vardır: örneğin potasyum ve sodyum. Tüm iyonların ve hatta daha büyük moleküllerin geçebileceği kanallar vardır.

İyon kanallarının bir sınıflandırması vardır: etkinleştirme yöntemi(Şekil 9). Bazı kanallar, nöronun hücre zarındaki fiziksel değişikliklere spesifik olarak yanıt verir. Bu grubun en önemli temsilcileri voltajla etkinleştirilen kanallar. Örnekler arasında aksiyon potansiyelinin oluşumundan sorumlu olan, membran üzerindeki voltaja duyarlı sodyum, potasyum ve kalsiyum iyon kanalları yer alır. Bu kanallar belli bir membran potansiyelinde açılır. Böylece yaklaşık -60 mV potansiyelde sodyum ve potasyum kanalları açılır (zarın iç yüzeyi dış yüzeye göre negatif yüklüdür). Kalsiyum kanalları -30 mV potansiyelde açılır. Fiziksel değişikliklerle etkinleştirilen kanal grubu şunları içerir:

Şekil 9. İyon kanallarını aktive etme yöntemleri

(A) Membran potansiyeli veya membran gerilmesindeki değişikliklerle aktive edilen iyon kanalları. (B) Hücre dışı veya hücre içi taraftan kimyasal ajanlar (ligandlar) tarafından etkinleştirilen iyon kanalları.

Ayrıca mekanosensitif kanallar Mekanik strese (hücre zarının gerilmesi veya deformasyonu) yanıt verenler. Başka bir grup iyon kanalı, kimyasallar kanal molekülü üzerindeki özel reseptör bağlanma bölgelerini aktive ettiğinde açılır. Çok ligandla aktifleşen kanallar Reseptör merkezlerinin hücre içi veya hücre dışı olmasına bağlı olarak iki alt gruba ayrılırlar. Hücre dışı uyaranlara yanıt veren ligandla aktive edilen kanallara da denir. İyonotropik reseptörler. Bu tür kanallar vericilere karşı duyarlıdır ve sinaptik yapılardaki bilgilerin iletilmesinde doğrudan rol oynarlar. Sitoplazmik taraftan etkinleştirilen ligandla etkinleştirilen kanallar, spesifik iyonların konsantrasyonundaki değişikliklere duyarlı olan kanalları içerir. Örneğin, kalsiyumla aktifleşen potasyum kanalları, hücre içi kalsiyum konsantrasyonundaki lokal artışlarla aktive edilir. Bu tür kanallar, aksiyon potansiyelinin sona ermesi sırasında hücre zarının repolarizasyonunda önemli bir rol oynar. Kalsiyum iyonlarına ek olarak hücre içi ligandların tipik temsilcileri siklik nükleotitlerdir. Örneğin siklik GMP, retina çubuklarındaki sodyum kanallarının aktivasyonundan sorumludur. Bu tür kanal görsel analizörün çalışmasında temel bir rol oynar. Hücre içi bir ligandı bağlayarak kanal işleminin ayrı bir modülasyonu, hücre içi enzimlerin (protein kinazları ve protein fosfatazları) etkisi altında protein molekülünün belirli bölümlerinin fosforilasyonu/defosforilasyonudur.

Kanalların aktivasyon yöntemine göre sunulan sınıflandırması büyük ölçüde keyfidir. Bazı iyon kanalları yalnızca birkaç uyaranla etkinleştirilebilir. Örneğin, kalsiyumla etkinleşen potasyum kanalları aynı zamanda potansiyeldeki değişikliklere karşı da duyarlıdır ve bazı voltajla etkinleşen iyon kanalları hücre içi ligandlara karşı duyarlıdır.

Hodgkin-Huxley teorisine göre uyarılabilir membran modeli, iyonların membran boyunca kontrollü taşınmasını varsayar. Bununla birlikte, bir iyonun lipit çift katmanından doğrudan geçişi çok zordur ve bu nedenle iyon akışı küçük olacaktır.

Bu ve diğer bazı hususlar, zarın iletken iyonlar gibi bazı özel yapılar içermesi gerektiğine inanmamıza neden oldu. Bu tür yapılar bulundu ve iyon kanalları olarak adlandırıldı. Benzer kanallar çeşitli nesnelerden izole edilmiştir: hücrelerin plazma zarı, kas hücrelerinin postsinaptik zarı ve diğer nesneler. Antibiyotiklerin oluşturduğu iyon kanalları da bilinmektedir.

İyon kanallarının temel özellikleri:

1) seçicilik;

2) bireysel kanalların işleyişinin bağımsızlığı;

3) iletkenliğin ayrık doğası;

4) kanal parametrelerinin membran potansiyeline bağımlılığı.

Sırasıyla bunlara bakalım.

1. Seçicilik, iyon kanallarının bir tür iyonun geçmesine seçici olarak izin verme yeteneğidir.

Kalamar aksonu üzerinde yapılan ilk deneylerde bile Na+ ve Kt iyonlarının membran potansiyeli üzerinde farklı etkileri olduğu keşfedilmiştir. K+ iyonları dinlenme potansiyelini, Na+ iyonları ise aksiyon potansiyelini değiştirir. Hodgkin-Huxley modeli bunu bağımsız potasyum ve sodyum iyon kanallarını tanıtarak açıklar. İlkinin yalnızca K+ iyonlarının geçmesine izin verdiği, ikincisinin ise yalnızca Na+ iyonlarının içinden geçtiği varsayılmıştır.

Ölçümler, iyon kanallarının katyonlara (katyon seçici kanallar) veya anyonlara (anyon seçici kanallar) karşı mutlak seçiciliğe sahip olduğunu göstermiştir. Aynı zamanda, çeşitli kimyasal elementlerin çeşitli katyonları katyon seçici kanallardan geçebilir, ancak küçük iyon için zarın iletkenliği ve dolayısıyla içinden geçen akım, örneğin Na + kanalı için önemli ölçüde daha düşük olacaktır. içinden geçen potasyum akımı 20 kat daha az olacaktır. Bir iyon kanalının farklı iyonları geçirme yeteneğine göreceli seçicilik denir ve bir seçicilik serisiyle - aynı konsantrasyonda alınan farklı iyonlar için kanal iletkenliklerinin oranı - karakterize edilir. Bu durumda ana iyon için seçicilik 1 olarak alınır. Örneğin Na+ kanalı için bu seri şu şekildedir:

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

2. Bireysel kanalların işleyişinin bağımsızlığı. Tek bir iyon kanalından geçen akım akışı, akımın diğer kanallardan geçip geçmediğinden bağımsızdır. Örneğin K+ kanalları açılıp kapatılabilir ancak Na+ kanallarından geçen akım değişmez. Kanalların birbirleri üzerindeki etkisi dolaylı olarak meydana gelir: bazı kanalların (örneğin sodyum) geçirgenliğindeki bir değişiklik, membran potansiyelini değiştirir ve bu, diğer iyon kanallarının iletkenliğini zaten etkiler.

3. İyon kanallarının iletkenliğinin ayrık doğası. İyon kanalları, zarı kaplayan proteinlerin bir alt birim kompleksidir. Merkezinde iyonların geçebileceği bir tüp vardır. 1 mikron 2 membran yüzeyi başına iyon kanalı sayısı, radyoaktif olarak etiketlenmiş bir sodyum kanalı bloke edici - tetrodotoksin kullanılarak belirlendi. Bir TTX molekülünün yalnızca bir kanala bağlandığı bilinmektedir. Daha sonra bilinen bir alana sahip bir numunenin radyoaktivitesinin ölçülmesi, 1 µm2 kalamar aksonu başına yaklaşık 500 sodyum kanalının bulunduğunu göstermeyi mümkün kıldı.

Geleneksel deneylerde, örneğin 1 cm uzunluğunda ve 1 mm çapında bir kalamar aksonunda, yani 3 * 10 7 μm2'lik bir alanda ölçülen transmembran akımları, toplam tepkiden kaynaklanmaktadır (değişim) iletkenlik) 500 3 10 7 -10 10 iyon kanalının. Bu yanıt, zaman içinde iletkenlikte yumuşak bir değişiklik ile karakterize edilir. Tek bir iyon kanalının tepkisi zamanla temelde farklı bir şekilde değişir: Na+ kanalları için ayrı ayrı, K+- ve Ca2+ kanalları için.

Bu, ilk olarak 1962'de lipit çift katmanlı membranların (BLM'ler) iletkenliği üzerine yapılan çalışmalarda, membranı çevreleyen çözeltiye belirli bir uyarım indükleyici maddenin mikro miktarları eklendiğinde keşfedildi. BLM'ye sabit bir voltaj uygulandı ve akım I(t) kaydedildi. Akım, zaman içinde iki iletken durum arasındaki sıçramalar şeklinde kaydedildi.

İyon kanallarının deneysel incelenmesi için etkili yöntemlerden biri, 80'lerde geliştirilen membran potansiyelinin lokal sabitlenmesi yöntemi (“Patch Clamp”) idi (Şekil 10).

Pirinç. 10. Membran potansiyelinin lokal olarak sabitlenmesi yöntemi. ME - mikroelektrot, IR - iyon kanalı, M - hücre zarı, SFP - potansiyel kelepçe devresi, I - tek kanallı akım

Yöntemin özü, 0,5-1 μm çapında ince uçlu ME mikroelektrotunun (Şekil 10), iyon kanalının iç çapına girecek şekilde membrana emilmesidir. Daha sonra, bir potansiyel kelepçe devresi kullanarak, standart potansiyel kelepçe yöntemini kullanırken olduğu gibi, tüm kanallardan aynı anda değil, yalnızca zarın tek bir kanalından geçen akımları ölçmek mümkündür.

Çeşitli iyon kanalları üzerinde yapılan deneylerin sonuçları, bir iyon kanalının iletkenliğinin ayrık olduğunu ve iki durumda olabileceğini gösterdi: açık veya kapalı. Durumlar arasındaki geçişler rastgele zamanlarda meydana gelir ve istatistiksel yasalara uyar. Belirli bir iyon kanalının tam olarak bu anda açılacağı söylenemez. Sadece belli bir zaman aralığında kanalın açılma ihtimali hakkında açıklama yapabilirsiniz.

4. Kanal parametrelerinin membran potansiyeline bağımlılığı. Sinir lifi iyon kanalları, kalamar aksonunun sodyum ve potasyum kanalları gibi membran potansiyeline duyarlıdır. Bu, membran depolarizasyonunun başlamasından sonra karşılık gelen akımların şu veya bu kinetikle değişmeye başlamasıyla ortaya çıkar. Bu işlem şu şekilde gerçekleşir: İyon seçici kanalın bir sensörü vardır - tasarımının bir kısmı elektrik alanının hareketine duyarlıdır (Şekil 11). Membran potansiyeli değiştiğinde, ona etki eden kuvvetin büyüklüğü değişir, bunun sonucunda iyon kanalının bu kısmı hareket eder ve kapının açılma veya kapanma olasılığını değiştirir - "hepsi veya" göre çalışan bir tür damper. hiçbir şey” yasası. Membran depolarizasyonunun etkisi altında sodyum kanalının iletken duruma geçme olasılığının arttığı deneysel olarak gösterilmiştir. Potansiyel kelepçe ölçümleri sırasında membran boyunca oluşan voltaj dalgalanması çok sayıda kanalın açılmasına neden olur. İçlerinden daha fazla yük geçer, bu da ortalama olarak daha fazla akımın akması anlamına gelir. Kanal iletkenliğini artırma sürecinin, açık kanalın çapındaki bir artışla değil, kanalın açık duruma geçme olasılığındaki bir artışla belirlenmesi önemlidir. Bu, akımın tek bir kanaldan geçiş mekanizmasının modern anlayışıdır.

Büyük membranlar üzerindeki elektriksel ölçümler sırasında kaydedilen akımların düzgün kinetik eğrileri, tek tek kanallardan akan birçok kademeli akımın toplanması nedeniyle elde edilir. Yukarıda gösterildiği gibi bunların toplamı, dalgalanmaları keskin bir şekilde azaltır ve zar ötesi akımın zamana oldukça düzgün bağımlılığını sağlar.

İyon kanalları diğer fiziksel etkilere de duyarlı olabilir: mekanik deformasyon, kimyasalların bağlanması vb. Bu durumda, bunlar sırasıyla mekanoreseptörlerin, kemo-reseptörlerin vb. yapısal temelidir.

Membranlardaki iyon kanallarının incelenmesi modern biyofiziğin önemli görevlerinden biridir.

İyon kanalının yapısı.

İyon seçici kanal aşağıdaki parçalardan oluşur (Şekil 11): bir alt birim yapısına sahip olan protein kısmının çift katmanına daldırılmıştır; birbirlerinden belirli bir mesafede sabit bir şekilde yerleştirilmiş ve belirli bir çaptaki iyonların geçmesine izin veren negatif yüklü oksijen atomlarından oluşan seçici bir filtre; kapı kısmı.

İyon kanalının kapısı, membran potansiyeli tarafından kontrol edilir ve kapalı durumda (kesikli çizgi) veya açık durumda (düz çizgi) olabilir. Sodyum kanalı kapısının normal konumu kapalıdır. Bir elektrik alanının etkisi altında açık durum olasılığı artar, kapı açılır ve hidratlanmış iyonların akışı seçici filtreden geçebilir.

İyon çapı uygunsa hidrasyon kabuğunu atar ve iyon kanalının diğer tarafına atlar. İyonun çapı tetraetilamonyum gibi çok büyükse filtreden geçemez ve membranı geçemez. Aksine, iyon çok küçükse, seçici filtrede zorluklar yaşanır, bu sefer iyonun hidrasyon kabuğunun atılmasının zorluğuyla ilişkilidir.

İyon kanalı blokerleri ya içinden geçemez, filtrede sıkışıp kalır ya da TTX gibi büyük moleküllerse kanalın bazı girişleriyle sterik olarak eşleşirler. Blokerler pozitif yük taşıdıkları için yüklü kısmı sıradan bir katyon gibi seçici filtreye kanala çekilir ve makromolekül onu tıkar.

Böylece uyarılabilir biyomembranların elektriksel özelliklerindeki değişiklikler iyon kanalları kullanılarak gerçekleştirilir. Bunlar, lipit çift katmanına nüfuz eden ve birkaç ayrı durumda bulunabilen protein makromolekülleridir. K + , Na + ve Ca 2 + iyonları için seçici olan kanalların özellikleri, membrandaki aksiyon potansiyelinin dinamiklerini belirleyen membran potansiyeline ve farklı hücrelerin membranlarındaki bu potansiyellerdeki farklılıklara farklı şekilde bağlı olabilir. .

Pirinç. 11. Membranın sodyum iyon kanalının yapısının kesit diyagramı

Geri bildirim.

Çeşitli maddeler ve özellikle mineral iyonları için hücre yaşamında ve özellikle algılama, dönüştürme, sinyallerin hücreden hücreye ve hücre içi yapılara iletilme mekanizmalarında son derece önemlidir.

Hücre zarı geçirgenliği durumunda belirleyici rol, oluşan iyon kanalları tarafından oynanır. kanal oluşturucu proteinler. Bu kanalların açılıp kapanması, zarın dış ve iç yüzeyleri arasındaki potansiyel farkının büyüklüğü, çeşitli sinyal molekülleri (hormonlar, nörotransmiterler, vazoaktif maddeler), hücre içi sinyal iletiminin ikincil habercileri ve mineraller tarafından kontrol edilebilir. iyonlar.

İyon kanalı- İyonların zar boyunca taşınmasını sağlayan birkaç alt birim (her biri bir a-sarmal konfigürasyona sahip olan zar ötesi bölümler içeren integral zar proteinleri).

Pirinç. 1. İyon kanallarının sınıflandırılması

İyon kanallarının yapısının ve fonksiyonunun modern anlayışı, tek iyon kanallarını içeren zarın izole bir bölümünden akan elektrik akımlarını kaydetmeye yönelik yöntemlerin geliştirilmesinin yanı sıra, iyon kanallarını kontrol eden bireysel genlerin izolasyonu ve klonlanması sayesinde mümkün olmuştur. İyon kanalları oluşturabilen protein makromoleküllerinin sentezi. Bu, bu tür moleküllerin yapısını yapay olarak değiştirmeyi, bunları hücre zarlarına entegre etmeyi ve bireysel peptid bölgelerinin kanal fonksiyonlarını yerine getirmedeki rolünü incelemeyi mümkün kıldı. Tüm iyon kanallarının kanal oluşturucu protein moleküllerinin bazı ortak yapısal özelliklere sahip olduğu ve genellikle Molekül kütleleri 250 kDa'nın üzerinde olan büyük transmembran proteinleri ile temsil edilirler..

Birkaç alt birimden oluşurlar. Genellikle en önemlisi kanal özellikleri onların a-alt birim. Bu alt birim, transmembran potansiyel farkının sensör mekanizması olan kanal kapısı olan iyon seçici deliğin oluşumunda rol alır ve eksojen ve endojen ligandlar için bağlanma bölgelerine sahiptir. İyon kanallarının yapısında yer alan diğer alt birimler, kanalların özelliklerini modüle ederek yardımcı rol oynar (Şekil 2).

Kanal oluşturucu protein molekülü, iyon kanallarının alt birimlerini oluşturan zar dışı amino asit halkaları ve zar içi sarmal alan bölgeleri ile temsil edilir. Protein molekülü, birbiriyle temas halindeki alanlar arasında iyon kanalının kendisi oluşturulacak şekilde membran düzleminde katlanır (bkz. Şekil 2, sağ alt).

Kanal oluşturucu protein molekülü sitoplazmik membranda yer alır, böylece üç boyutlu uzaysal yapısı, kanalın membranın dış ve iç taraflarına bakan ağızlarını, suyla dolu bir gözenek ve bir "kapı" oluşturur. İkincisi, konformasyonunu kolayca değiştirebilen ve kanalın açık veya kapalı durumunu belirleyebilen peptid zincirinin bir bölümü tarafından oluşturulur. İyon kanalının seçiciliği ve geçirgenliği gözenek boyutuna ve yüküne bağlıdır. Belirli bir iyon için bir kanalın geçirgenliği aynı zamanda boyutuna, yüküne ve hidrasyon kabuğuna göre de belirlenir.

Pirinç. 2. Hücre zarının Na+-iyon kanalının yapısı: a - hücre zarının iyon kanalının a-biriminin iki boyutlu yapısı; b - solda - bir a-alt birimi ve iki P-alt biriminden oluşan bir sodyum kanalı (yandan görünüm); sağda yukarıdan sodyum kanalı görülüyor. Sayılarla I.II. III. a-alt biriminin IV işaretli alanları

İyon Kanalı Türleri

100'den fazla iyon kanalı türü tanımlanmış ve bunları sınıflandırmak için çeşitli yaklaşımlar kullanılmıştır. Bunlardan biri kanalların yapısındaki ve işleyiş mekanizmalarındaki farklılıkların dikkate alınmasına dayanmaktadır. Bu durumda iyon kanalları birkaç türe ayrılabilir:

• pasif iyon kanalları veya dinlenme kanalları;
• yuva iletişim kanalları;
• durumu (açık veya kapalı), mekanik faktörlerin (mekanosensitif kanallar), membran üzerindeki potansiyel farklılıkların (voltaja bağlı kanallar) veya kanal oluşturucu proteine ​​​​bağlanan ligandların kapı mekanizmaları üzerindeki etkisi ile kontrol edilen kanallar zarın dış veya iç tarafı (ligand kapılı kanallar).

Pasif kanallar

Bu kanalların ayırt edici özelliği, dinlenme halindeki hücrelerde açık (aktif) olabilmeleridir. herhangi bir etkinin yokluğunda. Bu, ikinci adlarını - pasif kanalları - önceden belirler. Tam olarak seçici değildirler ve bunlar aracılığıyla hücre zarı birkaç iyonu, örneğin K+ ve CI+, K+ ve Na+'yı "sızdırabilir". Bu nedenle bu kanallara bazen sızıntı kanalları da denir. Bu özellikleri nedeniyle dinlenme kanalları, bir hücrenin sitoplazmik zarı üzerindeki dinlenme membran potansiyelinin ortaya çıkmasında ve korunmasında önemli bir rol oynar; mekanizmaları ve önemi aşağıda tartışılmıştır. Sinir liflerinin sitoplazmik membranlarında ve uçlarında, çizgili hücrelerde, düz kaslarda, miyokardda ve diğer dokularda pasif kanallar bulunur.

Mekanik duyarlı kanallar

Bu kanalların geçirgenlik durumu, membran üzerindeki mekanik etkiler altında değişerek, membrandaki moleküllerin yapısal paketlenmesinin bozulmasına ve gerilmesine neden olur. Bu kanallar kan damarlarının, iç organların, derinin, çizgili kasların ve düz miyositlerin mekanoreseptörlerinde yaygın olarak temsil edilir.

Gerilime bağlı kanallar

Bu kanalların durumu, zar boyunca potansiyel farkın büyüklüğünün yarattığı elektrik alanı kuvvetleri tarafından kontrol edilir. Gerilim kapılı kanallar, membran boyunca potansiyel farkına bağlı olarak aktivasyon ve inaktivasyon kapılarının konumu tarafından kontrol edilen inaktif (kapalı), aktif (açık) ve inaktive edilmiş durumlarda olabilir.

Dinlenme hücresinde, voltaj kapılı bir kanal genellikle kapalı durumdadır ve buradan açılabilir veya etkinleştirilebilir. Bağımsız olarak açılma olasılığı düşüktür ve istirahat halindeyken zardaki bu kanalların yalnızca küçük bir kısmı açıktır. Transmembran potansiyel farkındaki bir azalma (membran depolarizasyonu), kanalın aktivasyonuna neden olarak açılma olasılığını artırır. Aktivasyon kapısının fonksiyonunun, kanalın ağzına girişi kapatan elektrik yüklü bir amino asit grubu tarafından gerçekleştirildiği varsayılmaktadır. Bu amino asitler zardaki potansiyel farkının sensörüdür; Membran depolarizasyonunun belirli (kritik) bir seviyesine ulaşıldığında, sensör molekülünün yüklü kısmı kanal oluşturucu molekülün lipit mikro ortamına doğru kayar ve kapı, kanalın ağzının girişini açar (Şekil 3).

Kanal, iyonların içinden geçmesi için açık (aktif) hale gelir. Aktivasyon kapısının açılma hızı düşük ya da çok yüksek olabilir. Bu göstergeye göre voltaj kapılı iyon kanalları hızlı (örneğin hızlı voltaj kapılı sodyum kanalları) ve yavaş (örneğin yavaş voltaj kapılı kalsiyum kanalları) olarak ikiye ayrılır. Hızlı kanallar anında (μs) açılır ve ortalama 1 ms açık kalır. Bunların aktivasyonuna, belirli iyonlar için kanalın geçirgenliğinde çığ benzeri hızlı bir artış eşlik eder.

Kanalın diğer ağzının çıkışında yer alan, bir iplik üzerinde yoğun bir top (top) şeklinde bir amino asit dizisi olan peptid zincirinin bir diğer kısmı ise konformasyonunu değiştirme özelliğine sahiptir. Membran üzerindeki yükün işareti değiştiğinde, top ağızdan çıkışı kapatır ve kanal iyon için geçilmez (pasif) hale gelir. Voltaj kapılı iyon kanallarının etkisizleştirilmesi başka mekanizmalar yoluyla gerçekleştirilebilir. İnaktivasyona, kanal boyunca iyon hareketinin durması eşlik eder ve aktivasyon kadar hızlı veya saniyeler, hatta dakikalar boyunca yavaş yavaş gerçekleşebilir.

Pirinç. 3. Voltaj kapılı sodyum (üst) ve potasyum (alt) kanallarının kapı mekanizması

İyon kanallarının inaktivasyonundan sonra orijinal özelliklerini geri yüklemek için, kanal oluşturucu proteinin orijinal uzamsal konformasyonunu ve kapının konumunu geri döndürmek gerekir. Bu, membran potansiyel farkının (repolarizasyon) hücrenin dinlenme durumuna özgü bir seviyeye geri getirilmesiyle veya membran üzerinde güçlü bir etki ile inaktivasyondan bir süre sonra elde edilir. Etkinleşmeme durumundan orijinal (kapalı) duruma geçişe kanalın yeniden etkinleştirilmesi adı verilir. İyon kanalı yeniden etkinleştirildiğinde yeniden açılmaya hazır duruma geri döner. Voltaj kapılı membran kanallarının yeniden aktivasyonu da hızlı veya yavaş olabilir.

Voltaj kapılı iyon kanalları genellikle oldukça seçicidir ve uyarılmanın oluşmasında (aksiyon potansiyellerinin üretilmesi), bilginin elektrik sinyalleri şeklinde sinir lifleri boyunca iletilmesinde ve kas kasılmasının başlatılmasında ve düzenlenmesinde çok önemli bir rol oynar. Bu kanallar, afferent ve efferent sinir liflerinin zarlarında, çizgili ve düz miyositlerin zarlarında yaygın olarak temsil edilir.

Potansiyele bağlı iyon kanalları, diş pulpasını ve ağız mukozasını sinirlendiren duyusal sinirlerin (dendritler) sinir uçlarının zarı içine yerleştirilmiştir; burada açıklıkları, reseptör potansiyelinin bir sinir impulsuna dönüştürülmesini ve ardından afferent sinir boyunca iletilmesini sağlar. lif. Bu dürtülerin yardımıyla kişinin ağız boşluğunda yaşadığı her türlü duyusal duyum (tat, sıcaklık, mekanik basınç, ağrı) hakkındaki bilgiler merkezi sinir sistemine iletilir. Bu tür kanallar, nöronların akson tepeciklerinin zarında sinir uyarılarının ortaya çıkmasını ve bunların efferent sinir lifleri boyunca iletilmesini, postsinaptik potansiyellerin postsinaptik efektör hücrelerin aksiyon potansiyellerine dönüştürülmesini sağlar. Bu tür süreçlerin bir örneği, trigeminal sinir çekirdeğinin motor nöronlarında sinir uyarılarının üretilmesidir; bunlar daha sonra efferent lifleri boyunca çiğneme kaslarına iletilir ve alt çenenin çiğneme hareketlerinin başlatılmasını ve düzenlenmesini sağlar.

Voltaj kapılı iyon kanallarının işleyişinin ince mekanizmaları incelendiğinde, bu kanalların çalışmasını engelleyebilecek maddelerin olduğu ortaya çıktı. Bunlardan ilki, kirpi balığının vücudunda üretilen güçlü bir zehir olan tetrodotoksin maddesiydi. Deneyde, etkisi altında voltaj kapılı sodyum kanallarının bloke olduğu gözlendi ve hayvanların vücuduna verildiğinde hassasiyet kaybı, kas gevşemesi, hareketsizlik, solunum durması ve ölüm kaydedildi. Bu tür maddelere iyon kanalı blokerleri denir. Aralarında lidokain, novokain, prokain - maddeler vücuda küçük dozlarda verildiğinde sinir liflerinin voltaja bağlı sodyum kanallarında blokaj gelişir ve ağrı reseptörlerinden merkezi sinir sistemine sinyal iletimi engellenir. Bu maddeler tıbbi uygulamada lokal anestezik olarak yaygın olarak kullanılmaktadır.

İyonların iyon kanalları boyunca hareketi, yalnızca yüklerin membranlar üzerinde yeniden dağıtılması ve elektriksel potansiyellerin oluşması için temel oluşturmaz, aynı zamanda birçok hücre içi sürecin seyrini de etkileyebilir. Kanal oluşturucu proteinlerin sentezini kontrol eden genlerin ekspresyonu üzerindeki bu etki, yalnızca uyarılabilir dokulardaki hücrelerle sınırlı olmayıp, vücudun tüm hücrelerinde meydana gelir. Sebebi iyon kanallarının yapısının ve fonksiyonunun ihlali olan geniş bir hastalık grubu tespit edilmiştir. Bu tür hastalıklar “kanalopatiler” olarak sınıflandırılır. Açıkçası, iyon kanallarının yapısı ve fonksiyonları hakkında bilgi sahibi olmak, "kanalopatilerin" doğasını anlamak ve spesifik tedavilerini araştırmak için gereklidir.

Ligand kapılı iyon kanalları

Genellikle belirli ligandlar için aynı anda iyon kanalları ve reseptör fonksiyonları olarak görev yapabilen protein makromolekülleri tarafından oluşturulurlar. Aynı makromolekül bu iki işlevi eş zamanlı olarak gerçekleştirebildiği için bunlara farklı isimler verilmiştir; örneğin sinaptik reseptör veya ligand kapılı kanal.

Transmembran potansiyel farkının azalması koşulları altında aktivasyon kapısının yapısı değiştiğinde açılan voltaja bağlı iyon kanalının aksine, ligand bağımlı iyon kanalları, bir proteinin peptit (reseptör) zincirinin etkileşimi üzerine açılır (aktive olur). reseptörün yüksek afiniteye sahip olduğu bir madde olan bir ligandlı molekül ( Şekil 4).

Pirinç. 4. Ligand bağımlı iyon kanalı (nikotine duyarlı asetilkolin reseptörü - n-ChR): a aktif değil; 6 - etkinleştirildi

Ligand kapılı iyon kanalları genellikle sinir hücrelerinin postsinaptik membranlarında ve bunların süreçlerinde ve ayrıca kas liflerinde lokalizedir. Ligand kapılı iyon kanallarının tipik örnekleri, asetilkolin (bkz. Şekil 4), glutamat, aspartat, gama-aminobütirik asit, glisin ve diğer sinaptik nörotransmiterler tarafından aktive edilen postsinaptik membran kanallarıdır. Tipik olarak kanalın (reseptör) adı, doğal koşullar altında ligandı olan nörotransmiterin tipini yansıtır. Dolayısıyla, eğer bunlar nörotransmitter asetilkolinin kullanıldığı nöromüsküler sinaps kanallarıysa, o zaman "asetilkolin reseptörü" terimi kullanılır ve nikotine de duyarlıysa buna nikotine duyarlı veya kısaca n-asetilkolin denir. reseptör (n-kolinerjik reseptör).

Tipik olarak postsinaptik reseptörler (kanallar) seçici olarak yalnızca bir tür nörotransmitere bağlanır. Etkileşen reseptör ve nörotransmitterin türüne ve özelliklerine bağlı olarak kanallar, mineral iyonlarına karşı geçirgenliklerini seçici olarak değiştirir, ancak bunlar tam olarak seçici kanallar değildir. Örneğin ligand kapılı kanallar, Na+ ve K+ katyonlarına veya K+ ve CI+ anyonlarına karşı geçirgenliği değiştirebilir. Ligand bağlanmasındaki bu seçicilik ve iyonik geçirgenlikteki değişiklikler, makromolekülün uzaysal yapısında genetik olarak sabitlenmiştir.

Aracının ve iyon kanalını oluşturan makromolekülün reseptör kısmının etkileşimine doğrudan kanalın geçirgenliğinde bir değişiklik eşlik ediyorsa, bu birkaç milisaniye içinde postsinaptik membranın mineral geçirgenliğinde bir değişikliğe yol açar. iyonlar ve postsinaptik potansiyelin değeri. Bu tür kanallara hızlı denir ve örneğin akso-dendritik uyarıcı sinapsların ve aksosomatik inhibitör sinapsların postsinaptik zarında lokalize edilir.

Yavaş ligand kapılı iyon kanalları vardır. Hızlı kanalların aksine, bunların açılmasına nörotransmiterin reseptör makromolekül ile doğrudan etkileşimi aracılık etmez, ancak G proteininin aktivasyonu, GTP ile etkileşimi, hücre içi iletimde ikincil habercilerin seviyesindeki bir artış dahil olmak üzere bir olaylar zinciri aracılık eder. İyon kanalını fosforile ederek mineral iyonları için geçirgenliğinde bir değişikliğe ve postsinaptik potansiyelin değerinde buna karşılık gelen bir değişikliğe yol açan nörotransmiter sinyalinin değişimi. Tanımlanan olaylar zincirinin tamamı yüzlerce milisaniye içinde gerçekleşir. Kalbin ve düz kasların düzenlenme mekanizmalarını incelerken bu tür yavaş ligand bağımlı iyon kanallarıyla karşılaşacağız.

Özel bir tip, düz kas hücrelerinin endoplazmik retikulumunun zarlarında lokalize olan kanallardır. Ligandları, hücre içi sinyal iletiminin ikinci habercisi olan inositol tri-fosfat-IFZ'dir.

Hem voltaj kapılı hem de ligand kapılı iyon kanallarında bulunan belirli yapısal ve işlevsel özelliklerle karakterize edilen iyon kanalları açıklanmaktadır. Bunlar, kapı mekanizmasının durumu siklik nükleotidler (cAMP ve cGMP) tarafından kontrol edilen, voltaja duyarlı olmayan iyon kanallarıdır. Bu durumda siklik nükleotidler, kanal oluşturucu protein molekülünün hücre içi COOH terminaline bağlanır ve kanalı aktive eder.

Bu kanallar, katyonlar için geçirgenlik konusunda daha az seçicilik ve katyonların birbirlerinin geçirgenliğini etkileme yeteneği ile karakterize edilir. Böylece hücre dışı ortamdan aktif kanallardan giren Ca2+ iyonları, kanalların Na2+ iyonları için geçirgenliğini bloke eder. Bu tür kanalların bir örneği, Ca2+ ve Na2+ iyonlarına geçirgenliği cGMP seviyesi tarafından belirlenen retinanın çubuk iyon kanallarıdır.

Ligand kapılı iyon kanalları, merkezi sinir sistemindeki bir dizi duyusal reseptörden gelen sinyallerin sinaptik iletimini sağlayan membran yapılarında yaygın olarak temsil edilir; sinir sisteminin sinapslarında sinyallerin iletimi; Sinir sistemi sinyallerinin efektör hücrelere iletilmesi.

Komutların sinir sisteminden birçok efektör organa doğrudan iletilmesinin, postsinaptik membranlarda ligand kapılı iyon kanallarını aktive eden nörotransmitterlerin yardımıyla gerçekleştirildiği zaten belirtilmişti. Ancak bunların ligandları (agonistler veya antagonistler), bazı durumlarda tıbbi maddeler olarak kullanılan ekzojen nitelikteki maddeler de olabilir.

Örneğin, yapı olarak nörotransmiter apetilkoline benzeyen diplasin maddesinin vücuda girmesinden sonra, nöromüsküler sinapslarda sinir uyarılarının sinir liflerinden kaslara iletilmesini durduran ligand bağımlı iyon kanallarının uzun süreli bir açılması olacaktır. . Karmaşık cerrahi operasyonlar sırasında gerekli olabilecek vücudun iskelet kaslarında gevşeme meydana gelir. Ligand kapılı iyon kanallarının durumunu değiştirebilen ve nöromüsküler sinapslarda sinyal iletimini bloke edebilen diplacin ve diğer maddelere kas gevşeticiler denir.

Pirinç. 5. Sıkıca temas eden iki hücre arasındaki bağlantı kanalları arasındaki boşluk

Tıbbi uygulamada, çeşitli dokulardaki hücrelerin ligand bağımlı iyon kanallarının durumunu etkileyen birçok başka tıbbi madde kullanılmaktadır.

Hücre boşluğu (sıkı) bağlantı kanalları

Birbirine çok yakın iki komşu hücrenin temas ettiği bölgede boşluk bağlantı kanalları oluşur. Temas eden her hücrenin zarında, konneksin adı verilen altı protein alt birimi, merkezinde bir gözenek veya iyon kanalının (bir konnekson) oluşturulduğu altıgen bir yapı oluşturur (Şekil 5).

Bitişik bir hücrenin zarındaki temas noktasında bir ayna yapısı oluşur ve aralarındaki iyon kanalı ortak hale gelir. Bu tür iyon kanalları aracılığıyla Ca2+ iyonları dahil çeşitli mineral iyonlarının yanı sıra düşük molekül ağırlıklı organik maddeler hücreden hücreye hareket edebilir. Hücrelerin boşluk bağlantı kanalları, miyokard hücreleri, düz kaslar, retina ve sinir sistemi arasında bilgi aktarımını sağlar.

Sodyum kanalları

Voltaja bağımlı, voltajdan bağımsız (liganda bağımlı, mekanosensitif, pasif vb.) sodyum kanalları vücut hücrelerinde yaygın olarak temsil edilir.

Voltaj kapılı sodyum kanalları

Kanalı oluşturan bir a-alt biriminden ve iyon geçirgenliğini ve sodyum kanallarının inaktivasyon kinetiğini modüle eden iki β-alt biriminden oluşurlar (Şekil 6).

Pirinç. Şekil 6. Voltaj kapılı sodyum kanalının α-alt ünitesinin iki boyutlu yapısı. Metindeki açıklama

Olarak Şekil l'de görülebilir. Şekil 6'da, a-alt birimi, amino asit halkaları ile birbirine bağlanan altı sarmal transmembran bölümden oluşan, aynı tipteki dört alanla temsil edilir. 5. ve 6. bölümleri birbirine bağlayan ilmekler kanal gözeneklerini çevreler ve 4. bölüm, membran üzerindeki potansiyel farkının sensörleri olan ve transmembran potansiyelindeki kaymalar sırasında kapı mekanizmasının konumunu kontrol eden pozitif yüklü amino asitleri içerir.

Voltaj kapılı sodyum kanallarında iki kapı mekanizması vardır, bunlardan biri - aktivasyon (4. bölümün katılımıyla), membran depolarizasyonu üzerine kanalın açılmasını (aktivasyonunu) sağlar ve ikincisi (hücre içi döngünün katılımıyla) 3. ve 4. alanlar arasında) - membranın yeniden şarj edilmesi üzerine inaktivasyonu. Bu mekanizmaların her ikisi de kanal kapısının konumunu hızla değiştirdiğinden, voltaj kapılı sodyum kanalları hızlı iyon kanallarıdır ve uyarılabilir dokularda aksiyon potansiyellerinin üretilmesi ve bunların sinir ve kas liflerinin zarları boyunca iletilmesi için kritik öneme sahiptir.

Bu kanallar, nöronların akson tepesinin sitoplazmik zarlarında, dendritlerde ve aksonlarda, nöromüsküler sinapsın perisinaptik bölgesinin zarında, çizgili kas liflerinin ve kasılma miyokardının sarkolemmasında lokalizedir. Bu yapılardaki sodyum kanallarının dağılım yoğunluğu farklıdır. Miyelinli sinir liflerinde esas olarak Ranvier düğümleri bölgesinde yoğunlaşırlar; burada yoğunlukları mikron kare başına yaklaşık 10.000 kanala ulaşır ve miyelinsiz liflerde kanallar kare başına yaklaşık 20 kanal yoğunluğuyla daha eşit bir şekilde dağılır. mikron alan. Bu kanallar, sinir hücresi gövdesinin zarlarının yapısında, doğrudan duyu reseptörlerini oluşturan sinir uçlarının zarında ve efektör hücrelerin postsinaptik zarlarında pratik olarak yoktur.

Voltaj kapılı sodyum kanalları arasında, a-alt birimlerinin özelliklerinde farklılık gösteren, spesifik bir doku bağlantısına sahip olan ve blokerlerin etkisine karşı farklı hassasiyette farklılık gösteren dokuzdan fazla alt tip zaten ayırt edilmiştir. Örneğin, sentezi SCN4A geni tarafından kontrol edilen, kanal oluşturucu bir protein tarafından oluşturulan bir kanalın alt tipi, tamamen farklılaşmış ve innerve edilmiş iskelet kaslarının sarkolemmasında bulunur ve bunun blokerleri tetrodotoksin, saksitoksin ve c-konotoksinlerdir. Çoğu durumda, a-alt birimleri, mikromolar konsantrasyonlarda gözenekleri ve dolayısıyla sodyum kanallarına girişi tıkayan tetrodotoksinin etkisine duyarlıdır.

Sodyum kanallarındaki toksinlerin, bunların inaktivasyon hızını yavaşlattığı bilinmektedir. Örneğin, deniz anemon toksini (ATX) ve akrep a-toksini (ScTX), segment 4'ün S3-S4 halkasının amino asit kalıntılarına bağlanarak inaktivasyonda bir gecikmeye neden olur.

adı verilen maddeler anestezikler (novokain, dikain, lidokain, sovkain, prokain) ve benzeri.). Sodyum kanallarını bloke ettiklerinde anestezi, aferent sinir liflerinde sinir uyarıları üretme olasılığını ortadan kaldırarak ve böylece duyusal ağrı reseptörlerinden sinyallerin merkezi sinir sistemine iletilmesini engelleyerek elde edilir.

Sodyum kanallarının yapısındaki değişikliklerin bir takım hastalıkların gelişmesine yol açabileceği keşfedilmiştir. Örneğin, SCNlb geni tarafından kontrol edilen kanalın yapısındaki bir değişiklik, genelleştirilmiş epilepsi formlarının ve vücut sıcaklığının artmasıyla birlikte nöbetlerin (ateşli nöbetler) gelişmesine yol açar.

Birçok mikroorganizma insan vücudunda toksin oluşturur; bunlar etkilenen hücrelerdeki iyon kanallarını tıkayan maddelerdir ve buna iyon dengesindeki dengesizlik ve hücre ölümü eşlik edebilir. Diğer mikroorganizmalar ise tam tersine, toksinlerini (perforinler) hücre zarında iyon kanalları oluşturmak için kullanırlar. Özellikle, insanlarda özellikle tehlikeli bir enfeksiyona neden olan şarbon basilinin toksini, hücreye saldırır ve zarında, diğer toksinlerin hücreye nüfuz edebileceği yeni gözenekler (kanallar) oluşturur. Bu toksinlerin etkisi, saldırıya uğrayan hücrelerin ölümüne ve bu hastalıkta yüksek ölüm oranına neden olur. Bilim adamları, uzaysal yapı olarak ortaya çıkan kanalın şekline yakın olan bir β-siklodekstrin maddesini sentezlediler. Bu madde, mikroorganizmanın toksinin oluşturduğu kanalları bloke ederek, toksinlerin hücrelere girişini engeller ve şarbonla enfekte olan deney hayvanlarını ölümden kurtarır.

Voltajdan bağımsız sodyum kanalları

Ligand kapılı sodyum kanalları. Genel yapıları ve özellikleri yukarıda ligand kapılı iyon kanallarının açıklamasında tartışılmıştır. Bu tip sodyum kanalları vücutta, nöromüsküler sinapsın postsinaptik zarının nikotine duyarlı kolinerjik reseptörünün sodyum kanalları, merkezi sinir sisteminin internöron sinapsları ve otonom sinir sistemi (preganglionik ve ganglionik nöronlar) tarafından yaygın olarak temsil edilir. Ligand kapılı sodyum kanalları, merkezi sinir sisteminin diğer uyarıcı (glutamat ve aspartaterjik) sinapslarının postsinaptik membranlarında lokalizedir. Sinapslarda uyarıcı postsinaptik potansiyelin üretilmesinde ve nöronlar arasında ve nöronlar ile efektör hücreler arasında sinyallerin iletilmesinde çok önemli bir rol oynarlar.

Postsinaptik membranın ligand kapılı sodyum kanalları tam olarak seçici değildir ve aynı anda birkaç iyona (sodyum ve potasyum, sodyum ve kalsiyum) geçirgen olabilir.

İkinci haberciler tarafından kapılanan, voltajdan bağımsız sodyum kanalları. Bu sodyum kanallarının durumu cGMP (fotoreseptörler), cAMP (koku alma reseptörleri) ve G protein alt birimleri (miyokard) tarafından kontrol edilebilir.

Mekanik duyarlı sodyum kanalları. Kan damarlarının duvarlarındaki mekanoreseptörlerde, kalpte, içi boş iç organlarda, çizgili kasların proprioseptörlerinde ve düz miyositlerin zarında bulunur. Duyusal reseptörlere katılımlarıyla, mekanik etkinin enerjisi, potansiyel farkın (reseptör potansiyeli) salınımına dönüştürülür.

Pasif sodyum halatları. Uyarılabilir hücrelerin sitoplazmik membranlarında bulunur. Bu kanalların Na+ iyonları için geçirgenliği küçüktür, ancak bunlar aracılığıyla Na iyonları bir konsantrasyon gradyanı boyunca hücre dışı boşluklardan hücrelere yayılır ve bir şekilde zarı depolarize eder. Pürüzsüz miyositlerin sitoplazmik zarının sodyum kanalları daha geçirgendir. Bunu çizgili kasların miyositlerinin zarından (dinlenme potansiyeli yaklaşık 90 mV) daha büyük bir miktarda (dinlenme potansiyeli yaklaşık 50 mV) depolarize ederler. Böylece pasif sodyum kanalları dinlenme membran potansiyelinin oluşumunda rol oynar.

Sodyum değiştiriciler. Sodyum-kalsiyum değiştirici veya sodyum-kalsiyum değiştirici daha önce tarif edilmiştir ve kalsiyum iyonlarının kontraktil kardiyomiyositlerden uzaklaştırılmasında önemli bir rol oynar.

Sodyum proton değiştirici. Hücreye giren sodyum iyonları karşılığında hidrojen protonlarını hücre içi boşluklardan uzaklaştıran özel bir kanal oluşturucu protein türüdür. Hücredeki pH düştüğünde protonların uzaklaştırılması aktive olur.

Sodyum değişim kanallarını oluşturan proteinlerin sentezi, NAH1 -NAH5 olarak adlandırılan beş gen tarafından kontrol edilir.

Potasyum kanalları

Voltaja duyarlı ve voltaja duyarlı olmayan potasyum kanalları vardır. İkincisi arasında pasif, ligand bağımlı ve diğer potasyum kanalı türleri ayırt edilir. Kural olarak, sodyum kanalları içeren aynı hücre ve dokuların zarlarında potasyum kanalları bulunur. Bu iyon kanallarının dizilişindeki paralelliğin nedenlerinden biri de Na+ ve K+ iyonlarının en önemli katyonlar olmasıdır; bunların dağılımı ve hareketi, en önemli formlardan biri olan elektriksel potansiyellerin ortaya çıkışını ve değişimini belirler. Vücutta bilgi sinyali iletimi.

Kanalların yapısal özelliklerine, lokalizasyonuna ve özelliklerine göre ayrı ailelere, tiplere ve alt tiplere ayrılan bir potasyum iyon kanalları süper ailesi vardır. Üç düzineden fazla potasyum kanalı tanımlanmış olup bunların ayrıntılı özelliklerini vermek mümkün değildir. Bu nedenle, örnek olarak, öncelikle sinyal yolları ve sinir ve kas süreçlerinin kontrol mekanizmalarıyla ilgili olan iyon kanalı ailelerinin ve türlerinin tanımları verilecektir.

Pasif potasyum kanalları

Dinlenme durumunda, uyarılabilir hücrelerin zarlarının K iyonlarına karşı nispeten geçirgen, Na+ iyonlarına karşı ise zayıf geçirgen olduğu bilinmektedir. Zar ötesi elektrik akımlarının taşıyıcıları iyonlar olduğundan, hücre zarından akan elektrik akımı ölçülerek iyon kanallarının durumu değerlendirilebilir. K iyonlarının hücreden konsantrasyon gradyanı boyunca difüzyonunun neden olduğu zar ötesi elektrik akımının yaklaşık iki pikoamper olduğu ve titreşimli bir karaktere sahip olduğu ve titreşimin ortalama süresinin birkaç milisaniye olduğu ortaya çıktı. Bu gözlemden, dinlenme halindeki bir hücredeki potasyum kanallarının kendiliğinden açılıp kapanabileceği, K iyonlarının hücreden difüzyonu ve membran üzerinde dinlenme potansiyeli oluşumu için koşullar sağladığı sonucuna varıldı.

Voltaj kapılı potasyum kanalları

Uyarılabilen dokuların hücre zarlarında voltaj kapılı potasyum kanallarının varlığı, bunların aktivasyon kinetiklerinin voltaj kapılı sodyum kanallarından farklı olduğu ve ayrıca diğer blokerler tarafından seçici olarak bloke edildiği anlaşıldıktan sonra anlaşılmıştır. Potasyum kanalları, hücre zarı kritik seviyeye kadar depolarize olduğunda sodyum kanalları ile aynı şekilde aktive edilir, ancak aynı zamanda K+ iyonlarının hücreden çıkış hızı, Na+ giriş hızından çok daha yavaş artar. iyonlar hücreye girer.

Potasyum kanalının seçici filtresi, sodyum kanallarındaki benzer filtrenin dış konumunun aksine, gözenek ağzının iç kısmında bulunur (Şekil 7). Bu kanalların Na+ ve K+ katyonlarına ve çeşitli spesifik blokerlere (tetrodotoksin (sodyum için) ve tetraetilamonyum (potasyum için)) göre seçiciliğinin varlığı, bu kanalların farklı yapısını gösterir.

Voltaj kapılı potasyum kanalları tetramerlerdir ve merkezde bir gözenek oluşturan dört alt birimden oluşur.

Voltaj kapılı potasyum kanalları hem uyarılabilen hem de uyarılamayan hücrelerin zarlarında lokalizedir. Membran potansiyelinin depolarizasyonundan sonra iyileşme (repolarizasyon) oranında ve dolayısıyla aksiyon potansiyellerinin oluşumunun şekli ve sıklığının kontrol edilmesinde önemli bir rol oynarlar. Yavaş potasyum kanalları traetilamonyum, 4-aminopiridin, fensiklidin ve 9-aminoakridin tarafından bloke edilir.

Pirinç. 7. Potasyum kanalı: a-alt biriminin a - sol - iki boyutlu yapısı; sağda kanalın bir diyagramı var; b - sitoplazmik membrandaki potasyum kanallarının elektron kırınım diyagramı.

Yavaş potasyum kanallarına ek olarak, açılma kinetiği hızlı voltaj kapılı sodyum kanallarına benzer olan hızlı voltaj kapılı potasyum kanalları da tanımlanmıştır. Bu potasyum kanalları depolarizasyonla birlikte hızla açılır, daha sonra tamamen etkisiz hale gelir ve yeniden aktif hale gelmeleri sadece zarın repolarizasyonunu değil, aynı zamanda bir süre hiperpolarizasyonunu da gerektirir.

Kanal oluşturucu moleküllerin sentezini ve birleştirilmesini kodlayan genlerin adlarına uygun olarak, KCNA A, B, C, E alt tiplerine sahip altı KCN tipi ve bir KCNQ iyon kanalı ailesi ayırt edilir. İkinci ailenin kanalları miyokardda ifade edilir.

Ligand kapılı potasyum kanalları

Çeşitli ligandların etkisine duyarlı çok sayıda kanalla temsil edilirler.

Çok sayıda ligand kapılı potasyum kanalının bir türü, muskarine duyarlı asetilkolin reseptörüne bağlı kanaldır. Bu kanallar asetilkolin tarafından aktive edilir. Kanallar bradikinin ve baryum iyonları tarafından bloke edilebilir. Bu kanalların iki alt tipi vardır: muskarin tarafından inaktive edilenler ve onun tarafından aktive edilenler. İkincisi kalbin kalp pili hücrelerinde lokalizedir.

Liganda bağımlı bir potasyum kanalının özellikleri, nöromüsküler sinapsın postsinaptik membranındaki kanalların ve nikotine duyarlı asetilkolin reseptörlerinin özelliklerini birleştiren seçici olmayan voltajdan bağımsız katyon kanallarına sahiptir. Kanal oluşturucu protein asetilkolin ile etkileşime girdiğinde, Na+ iyonlarının kas hücresine girdiği ve K iyonlarının kas hücresinden çıktığı bu seçici olmayan kanal açılır. Bu iyonların farklı hareket hızları, postsinaptik membranın depolarizasyonunun oluşmasını sağlar, ancak bu, doğrudan bu membran üzerinde bir aksiyon potansiyeline dönüşmez.

ATP'nin etkisiyle inhibe edilen ve aktive edilen ATP'ye duyarlı potasyum kanalları tanımlanmıştır.

Ayrı bir potasyum kanalları ailesi, giriş doğrultucu potasyum kanalları (kapılar) veya giriş doğrultucuları olarak adlandırılanlardan oluşur. (içe doğrudüzeltme; içe doğrudoğrultucu). Doğrultucu potasyum kanalı kapısı mekanizmasında voltaj sensörü yoktur. Bu kanalların işlevsel önemi, kalp pili hücrelerinin, kas hücrelerinin ve nöronların uyarılabilirliği üzerindeki etkilerinde yatmaktadır.

Gelen potasyum kanallarını düzelten aile, onları kodlayan genlerin adlarına göre 15'ten fazla türe ayrılmıştır. Giriş potasyum kanallarının ve özellikle KCNJ kanalları 3, 5, 6 ve 9'un (başka bir Kir kanalı adı) düzeltilmesinin spesifik önemine bir örnek, bu kanalların G ile ilişkilendirilmesi yoluyla kalp atış hızının düzenlenmesindeki özel rolleri olabilir. hücrelerin protein ve muskarine duyarlı asetilkolin reseptörleri - kalp pilleri.

Gerilime duyarlı olmayan sodyumla aktifleştirilen potasyum kanalları bilinmektedir.

Pankreas adacıklarının β hücrelerinde bulunan ve içlerinde bir glikoz sensörü görevi gören, pH değişikliklerine duyarlı, voltaja duyarlı özel potasyum kanalları açıklanmaktadır. Potasyum kanallarının hücre hacmindeki değişikliklere karşı da duyarlı olduğu bilinmektedir.

Kalsiyum kanalları

Kalsiyum kanalı ailesi, sinir ve kas dokusu hücrelerinde yaygın olarak temsil edilir. Lokalizasyonlarının ana yerleri kasların sarkoplazmik ve endoplazmik retikulumunun presinaptik terminallerinin zarları, kardiyomiyositlerin sarkolemması ve diğer doku hücrelerinin zarlarıdır.

Geçirgenliği kontrol etme yöntemlerine dayanarak, kalsiyum kanalları voltaja bağlı, pasif, ligand bağımlı, mekanosensitif vb. Olarak ayrılır.

Kalsiyum kanalları inaktivasyon oranına göre T tipi kanallara bölünür ( geçici- geçici), L tipi (yavaş). Doku bağlantısına ve toksinlere karşı duyarlılığa bağlı olarak B tipi kanallar ayırt edilir. (beyin- beyin), N tipi (nöronal- nöronal), P tipi (purkinjehücre- Purkinje hücresi) ve R tipi (toksinlere dirençli).

Voltaj kapılı kalsiyum kanalları

Genellikle a1, a2, β, y ve δ olmak üzere beş alt birimden oluşan oligomerik bir protein tarafından oluşturulurlar. İyon kanalının kendisi, amino asit bileşimi ve yapısı bakımından voltaj kapılı sodyum ve potasyum kanallarından oluşan benzer bir alt birim ile yüksek derecede benzerliğe sahip olan a-alt birimi tarafından oluşturulur (bkz. Şekil 6, Şekil 7).

Voltaj kapılı kalsiyum kanalı Ca2+ iyonlarına karşı seçici olarak geçirgendir. Seçicilik, seçici bir filtre oluşturan bir gözeneğin varlığıyla sağlanır.

Zamanı geldi a 1 alt ünitesinin segmentleri tarafından oluşturulduğundan, yapısının tek değerlikli katyon kanallarına benzerliği göz önüne alındığında, kalsiyum kanalının Na+ ve K+ iyonlarına karşı geçirgen olması beklenebilir. Bu özellik aslında kalsiyumun hücre dışı ortamdan uzaklaştırılmasıyla ortaya çıkar.

Doğal koşullar altında, kanal gözeneklerinde iki kalsiyum bağlanma bölgesinin bulunmasıyla kanalda kalsiyuma karşı seçicilik sağlanır. Bunlardan biri, bir grup glutamat kalıntısı tarafından oluşturulur ve düşük bir kalsiyum konsantrasyonunda, kanal gözeneklerinin bu bölgesine güçlü bir şekilde bağlanır ve kalsiyum kanalı zayıf bir şekilde geçirgen hale gelir. Kalsiyum konsantrasyonu arttıkça, kalsiyumun ikinci bir bağlanma bölgesini işgal etme olasılığı artar; Ca2+ iyonları arasında ortaya çıkan elektrostatik itme kuvvetleri, iyonların bağlanma bölgelerinde kalma süresini büyük ölçüde azaltır. Salınan kalsiyum, aktive edilmiş kanaldan elektrokimyasal bir gradyan boyunca hücrenin içine yayılır.

Voltaj kapılı kalsiyum kanalları, aktive edildikleri potansiyel fark kaymalarının eşik değerlerinde farklılık gösterir. T tipi kanallar membran üzerindeki küçük voltaj değişimleriyle aktive edilir, L ve P tipleri ise aktivasyonlarına neden olan yüksek voltaj kayma eşikleri ile karakterize edilir.

Voltaj kapılı kalsiyum kanalları vücuttaki birçok hayati süreçte önemli bir rol oynar. Bunların aktivasyonu ve kalsiyumun presinaptik terminale girişi, sinaptik sinyal iletimi için gereklidir.

Kalsiyumun kalsiyum kanalları yoluyla kalp pili hücresine girişi, kalp pili hücrelerinde aksiyon potansiyellerinin oluşması ve ritmik kasılmasının sağlanması için gereklidir. Voltaja bağlı kalsiyum kanalları, kalsiyumun miyokardiyal liflerin, iskelet kaslarının, kan damarlarının ve iç organların düz miyositlerinin sarkoplazmasına akışını düzenler, kasılmaların başlatılmasını, hızını, gücünü, süresini ve dolayısıyla hareketini, pompalama fonksiyonunu kontrol eder. kalp, kan basıncı, solunum ve vücuttaki diğer birçok süreç.

Pasif kalsiyum kanalları

Düz miyositlerin sitoplazmik membranlarında bulunur. İstirahat halindeki kalsiyuma geçirgendirler ve kalsiyum, K+ ve Na+ iyonlarıyla birlikte, düz miyositlerin transmembran potansiyel farkının veya dinlenme potansiyelinin yaratılmasında rol oynar. Bu kanallardan düz miyositlere giren kalsiyum, endoplazmik retikulumdaki rezervlerinin yenilenmesinin kaynağıdır ve hücre içi sinyallerin iletilmesinde ikincil haberci olarak kullanılır.

Dinlenme halindeki kalsiyum, boşluk bağlantı kanalları yoluyla hücreden hücreye hareket edebilir. Bu kanallar kalsiyum için seçici değildir ve diğer iyonların ve küçük moleküler ağırlığa sahip organik maddelerin hücreler arası değişimi aynı anda bunlar aracılığıyla gerçekleşebilir. Hücrelere boşluk bağlantı kanalları yoluyla giren kalsiyum, miyokard, rahim, iç organların sfinkterlerinin kasılmalarının uyarılması, başlatılması ve senkronizasyonunda ve damar tonusunun korunmasında önemli bir rol oynar.

Ligand kapılı kalsiyum kanalları

Miyokard ve düz kas kasılmalarını tetikleme ve düzenleme mekanizmalarını incelerken, bunların hem hücre dışı ortamdan hem de hücre içi depolardan miyositlere kalsiyum sağlanmasına bağlı olduğu ortaya çıktı. Bu durumda, kalsiyumun sarkoplazmaya girişi, sarkolemma üzerindeki potansiyel farktaki bir değişiklik ve voltaja bağlı kalsiyum kanallarının aktivasyonu ve (veya) bir dizi sinyal molekülünün sarkoplazmik retikulum membranı üzerindeki etkisi ile kontrol edilebilir. .

Ligand kapılı kalsiyum kanalları, düz miyositlerin sitoplazmik membranlarında lokalizedir. Reseptörlerinin ligandları hormonlar olabilir: vazopressin, oksitosin, adrenalin; nörotransmitter norepinefrin; sinyal molekülleri: anjiyotensin 2, endotel 1 ve diğer maddeler. Ligandın reseptöre bağlanmasına, kalsiyum kanalının aktivasyonu ve kalsiyumun hücre dışı ortamdan hücreye girişi eşlik eder.

Kardiyomiyositlerde kas kasılmasını başlatmak için, önce T tipi voltaj kapılı kalsiyum kanallarını, ardından açılması hücreye belirli miktarda Ca2+ iyonunun girişini sağlayan L tipini aktive etmek gerekir. . Hücreye giren kalsiyum, kardiyomiyositteki sarkoplazmik retikulumun zarına gömülü kanal oluşturucu bir protein olan ryanodin reseptörünü (RYR) aktive eder. Kanalın aktivasyonu sonucunda kalsiyuma geçirgenliği artar ve kalsiyum konsantrasyon gradyanı boyunca sarkoplazmaya yayılır. Böylece Ca2+ iyonları, ryanodin reseptörlerini ve dolayısıyla kalsiyum kanallarını aktive eden bir tür ligand görevi görür. Sonuç olarak, hücreye giren hücre dışı kalsiyum, kalsiyumun ana hücre içi deposundan salınması için tetikleyici görevi görür.

Kalsiyum kanalları, sitoplazmik membran boyunca potansiyel farklılıklardaki değişikliklere ve ligandların etkisine aynı anda duyarlı olabilir. Örneğin, L tipi voltaj kapılı kalsiyum kanalları dihidropiridin (nifedipin), fenilalkilaminler (verapamil) ve benzotiazepinlere (diltiazem) karşı duyarlıdır. Bu tip kanala genellikle dihidropiridin reseptörü adı verilir. Bu isim, L-kalsiyum kanalının ligand kapılı olduğunu akla getirir, ancak gerçekte voltaj kapılı bir kanaldır.

P tipi kanallar, diğer kalsiyum kanalı türlerinin duyarlı olduğu konogoksinlerin ve ilaçların etkisine karşı dirençlidir.

Voltaj kapılı kalsiyum kanallarının α1 alt birimlerinin fonksiyonel özellikleri, fosforilasyonları yoluyla modüle edilebilir ve böylece örneğin miyokarddaki kalsiyum kanallarının iyon geçirgenliği durumu düzenlenebilir.

Ligand kapılı kalsiyum iyon kanallarının özel bir türü, düz kas hücrelerinin endoplazmik retikulumunun zarlarında lokalize olan, geçirgenlik durumu ikincil haberci IPG'nin hücre içi seviyesi tarafından kontrol edilen kanallardır. Bu kanalları örnek olarak kullanırsak, hedef düz kas hücresinin plazma membranındaki reseptörü aktive eden hücre dışı bir sinyal molekülü-agonistinin, hücre içi sinyal iletiminin inositol fosfat yolunu açtığı ve bunun da hücre içi sinyal iletimi yoluyla gerçekleştiği bir durumla karşılaşırız. IPE'nin etkisi, hücre organelinin zarındaki bir sonraki kanal oluşturucu proteini aktive eder. Tüm bu sinyal iletim olayları zinciri, düz kas hücresi kasılmasının moleküler mekanizmasını tetikleyen ve kontrol eden hücre içi depolardan Ca2+ iyonlarının salınmasıyla sona erer.

Mekanik duyarlı kalsiyum kanalları

Kan damarlarının duvarlarının düz miyositlerinin plazma zarında, iç organların miyoitinde, vasküler endotelde ve bronşiyal epitelde lokalize olurlar. Bu kanallar glikoprotein mekanoreseptörleri ile ilişkili olabilir. Mekanik strese yanıt olarak (örneğin, kan basıncı nedeniyle damar duvarının gerilmesi), Ca2+ iyonlarına geçirgenlik artar. Mekanik duyarlı kanallar yüksek seçiciliğe sahip değildir ve bir dizi katyon için geçirgenliklerini aynı anda değiştirir. Kalsiyum ve sodyumun düz kas hücresine girişi, hücre zarının depolarizasyonuna, voltaj kapılı kalsiyum kanallarının açılmasına, kalsiyum girişinde artışa ve düz miyositin kasılmasına neden olur.

Bu olaylar, damar tonusunun adaptasyonu ve kan akışının, damardaki değişen kan basıncı değerlerine ve kan akış hızına (miyojenik düzenleme) göre düzenlenmesi mekanizmasının bir parçasını oluşturur. Ayrıca mekanosensitif kalsiyum kanalları, kan basıncının uzun süreli artışları sırasında vasküler stres-gevşeme mekanizmalarının uygulanmasında rol oynar.

Klor kanalları

Çoğu hücrenin plazma membranında klorür kanalları bulunur. Dinlenme halindeki bir hücrede transmembran potansiyel farkının korunmasında ve hücrelerin fonksiyonel aktivitesi değiştiğinde bunların değişmesinde önemli bir rol oynarlar. Klorür kanalları, hücre hacminin düzenlenmesinde, maddelerin transepitelyal taşınmasında ve salgı hücreleri tarafından sıvı salgılanmasında rol oynar.

Aktivasyon mekanizmalarına uygun olarak üç klor kanalı süper ailesi ayırt edilir: voltaj kapılı, ligand kapılı ve diğer voltaja duyarlı olmayan klor kanalları.

Potansiyel bağımlı klorür kanalları. Uyarılabilir ve epitelyal hücrelerin zarlarında lokalizedir. Bu kanalların geçirgenlik durumu, transmembran potansiyel farkının büyüklüğü ile kontrol edilir.

Klor kanallarının potansiyele bağlı geçirgenliği farklı dokularda farklılık gösterir. Bu nedenle aksonal membranda, klorür kanallarının geçirgenliğinin potansiyel farkına bağımlılığı önemsizdir ve uyarma sırasında aksiyon potansiyelinin büyüklüğündeki değişikliği önemli ölçüde etkilemez ve iskelet kaslarında klor kanallarının geçirgenliğine bu bağımlılık daha yüksektir.

CLC1 kanalı, iskelet kası sarkolemmal kas lifinin klorür kanallarının tipik bir temsilcisidir. Kanal, dinlenme durumunda transmembran voltajındaki değişikliklerin tüm aralığı boyunca geçirgenlik sergiler, depolarizasyon üzerine etkinleştirilir ve membran hiperpolarizasyonu üzerine etkisiz hale getirilir.

Ligand kapılı klorür kanalları. Ağırlıklı olarak sinir dokusunda ifade edilir. Bu klorür kanallarının geçirgenlik durumu öncelikle hücre dışı ligandlar tarafından kontrol edilir, ancak bunlar hücre içi kalsiyum konsantrasyonlarına duyarlı olabilir ve G proteinleri ve cAMP tarafından aktive edilebilir. Bu tip kanallar postsinaptik membranlarda yaygın olarak dağılmıştır ve postsinaptik inhibisyonu gerçekleştirmek için kullanılır. Kanal geçirgenliğinin durumu, kanalların ligandlarla (inhibitör nörotransmiterler (γ-aminobütirik asit ve glisin) aktive edilmesiyle kontrol edilir.)

Gerilime duyarlı olmayan klor kanalları. Pasif klorür kanallarını, ATP'ye duyarlı kanalları ve interstisyel fibrozis transmembran iletkenlik düzenleyiciyi içerir (kistikfibroziszar ötesiiletkenlikregülatör- CFTR).

CFTR görünüşe göre klor kanalının kendisinden ve özel bir düzenleyici alan (P alanı) tarafından temsil edilen düzenleyici bir kanaldan oluşur. Bu kanalların iyon iletkenliğinin düzenlenmesi, düzenleyici alanın cAMP'ye bağımlı protein kinaz tarafından fosforilasyonuyla gerçekleştirilir. Bu kanalın yapısının ve fonksiyonunun ihlali, birçok dokunun fonksiyon bozukluğunun (interstisyel fibrozis) eşlik ettiği ciddi bir hastalığın gelişmesine yol açar.

Aquaporinler

Aquaporinler(lat. su- su, Yunanca gözenek- kanal, gözenek) - su kanallarını oluşturan ve zarlar arası su transferini sağlayan proteinler. Aquaporinler, monomerinin kütlesi yaklaşık 30 kDa olan integral tetramerik membran proteinleridir. Böylece her aquaporin dört su kanalı oluşturur (Şekil 8).

Bu kanalların özel bir özelliği, içlerindeki su moleküllerinin izoozmotik koşullar altında hareket edebilmesidir. ozmotik gradyan kuvvetlerinden etkilenmediklerinde. AQP kısaltması aquaporinleri belirtmek için kullanılır. Bir dizi akuaporin türü izole edilmiş ve tanımlanmıştır: AQP1 - Henle kulpunun inen kolu olan proksimal renal tübüllerin epitelyal membranlarında; vitreus yapılarında endotel zarlarında ve kan damarlarının düz miyositlerinde; AQP2 - toplama kanallarının epitelyumunun zarlarında. Bu aquaporinin antidiüretik hormonun etkisine duyarlı olduğu bulunmuştur ve bu temelde ligand kapılı bir su kanalı olarak düşünülebilir. Bu aquaporinin sentezini kontrol eden genin ifadesi, antidiüretik hormon tarafından düzenlenir; AQP3 kornea hücrelerinin zarlarında bulunur; AQP4 - beyin hücrelerinde.

Pirinç. 8. AQP1 su kanalının yapısı: a - kanalı oluşturan peptid zincirleri; b - birleştirilmiş kanal: A, B, C, D, E - protein zincirinin bölümleri

AQP1 ve AQP4'ün beyin omurilik sıvısının oluşumunda ve dolaşımında önemli bir rol oynadığı ortaya çıktı. Aquaporinler gastrointestinal sistemin epitelinde bulunur: AQP4 - mide ve ince bağırsakta; AQP5 - tükürük bezlerinde; AQP6 - ince bağırsakta ve pankreasta; AQP7 - ince bağırsakta; AQP8, AQP9 - karaciğerde. Bazı aquaporinler sadece su moleküllerini değil aynı zamanda içinde çözünen organik maddeleri de (oksijen, gliserol, üre) taşır. Dolayısıyla akuaporinler vücuttaki su metabolizmasında önemli bir rol oynar ve işlevlerinin bozulması, beyin ve akciğer ödemi oluşumunun, böbrek ve kalp yetmezliği gelişiminin nedenlerinden biri olabilir.

Membranlardan iyon taşıma mekanizmalarının ve bu taşımayı etkileme yöntemlerinin bilgisi, yalnızca hayati fonksiyonların düzenlenme mekanizmalarının anlaşılması için değil, aynı zamanda çok sayıda hastalığın (hipertansiyon) tedavisinde doğru ilaç seçimi için de vazgeçilmez bir durumdur. , bronşiyal astım, kardiyak aritmiler, su-tuz değişimi bozuklukları vb.).

Vücuttaki fizyolojik süreçlerin düzenlenme mekanizmalarını anlamak için, yalnızca hücre zarlarının çeşitli maddelere yönelik yapısını ve geçirgenliğini değil, aynı zamanda çeşitli kan ve dokular arasında yer alan daha karmaşık yapısal oluşumların yapısını ve geçirgenliğini de bilmek gerekir. organlar.

Tepe

		1 kesinlikle katılmıyorum	2 katılmıyorum	3 bilmiyorum	4 katılıyorum	5 tamamen katılıyorum
	Bu aktivite problem çözme becerilerimi geliştirdi.
	Bu dersi başarıyla tamamlamak için ihtiyacım olan tek şey iyi bir anıydı.
	Bu aktivite takım halinde çalışma yeteneğimi geliştirdi.
	Bu aktivite analitik becerilerimi geliştirdi.
	Bu ders yazma becerilerimi geliştirdi.
	Ders, materyalin derinlemesine anlaşılmasını gerektiriyordu.