Мембранні білки, як іонні канали. Селективні та неселективні канали

Іонні каналипредставлені інтегральними білками мембрани. Ці білки здатні, при певних впливах, змінювати свою конформацію (форму і властивості) таким чином, що час, через який може пройти будь-який іон відкривається або закривається. Відомі натрієві, калієві, кальцієві, хлорні канали, іноді канал може пропускати два іони, наприклад, відомі натрій - кальцієві канали. Через іонні канали здійснюється лише пасивний транспорт іонів.Це означає, що з переміщення іона необхідний як відкритий канал, а й градієнт концентрації цього иона. У цьому випадку буде рух іона по градієнту концентрації – з області з більшою концентрацією в область з меншою концентрацією. Необхідно пам'ятати, що ми говоримо про іони – заряджені частинки, транспорт яких обумовлений ще й зарядом. Можливі ситуації, коли рух градієнтом концентрації може бути спрямований в один бік, а існуючі заряди протидіють цьому переносу.

Іонні канали мають дві найважливіші властивості: 1) вибірковістю (селективністю) по відношенню до певних іонів та 2) здатністю відкриватися (активуватися) та закриватися. При активації канал відкривається та пропускає іони (рис. 8). Таким чином, до комплексу інтегральних білків, що формують канал, повинні обов'язково входити два елементи: структури, які розпізнають «свій» іон і здатні його пропустити, і структури, які дозволяють дізнатися коли пропускати цей іон. Селективність каналу визначається тими білками, які його утворюють, «свій» іон розпізнається за розмірами та зарядом.

Активація каналівможлива кількома шляхами. По-перше, канали можуть відкриватися та закриватися при зміні потенціалу мембрани. Зміна заряду призводить до зміни конформації білкових молекул і канал стає проникним для іона. Для зміни властивостей каналу досить мізерного коливання потенціалу мембрани. Такі канали називаються потенціал-залежні(або електрокеровані). По-друге, канали можуть бути складовою частиною білкового комплексу, який називається мембранний рецептор. У цьому випадку зміна властивостей каналу обумовлена ​​конформаційною перебудовою білків, яка відбувається в результаті взаємодії рецептора з біологічно активною речовиною (гормоном, медіатором). Такі канали називаються хемозалежні(або рецептор-керовані ) . Крім того, канали можуть відкриватися при механічному впливі – тиск, розтяг (рис.9). Механізм, що забезпечує активацію, називається воротами каналу. За швидкістю, з якою відкриваються і закриваються канали їх можна розділити на швидкі та повільні.

Більшість каналів (калієві, кальцієві, хлорні) можуть перебувати у двох станах: відкритому та закритому. У роботі натрієвих каналів є деякі особливості. Цим каналам, як і калієвим, кальцієвим, хлорним властиво перебувати або у відкритому, або в закритому стані, однак, натрієвий канал може бути інактивований, цей стан, в якому канал закритий і не може бути відкритий ніяким впливом (рис.10).

Рисунок 8. Стану іонних каналів

Рисунок 9. Приклад роботи рецептор-керованого каналу. АЦХ – ацетилхолін. Взаємодія молекули АЦХ з мембранним рецептором змінює конформацію ворітного білка таким чином, що канал починає пропускати іони.

Рисунок 10 Приклад потенціал-залежного каналу

У потенціал-залежному натрієвому каналі є активаційні та інактиваційні ворота (заслінки). Активаційні та інактиваційні заслінки змінюють конформацію при різному мембранному потенціалі.

При розгляді механізмів збудження нас буде цікавити переважно робота натрієвих і калієвих каналів, проте, зупинимося коротко на особливостях кальцієвих каналів, вони нам знадобляться надалі. Натрієві та кальцієві канали відрізняються за своїми властивостями. Натрієві канали бувають швидкі та повільні, а кальцієві – лише повільні. Активація натрієвих каналів призводить тільки до деполяризації та виникнення або ЛВ, або ПД, активація кальцієвих може додатково викликати метаболічні зміни в клітині. Ці зміни обумовлені тим, що кальцій зв'язується зі спеціальними чутливими до цього іону білками. Пов'язаний із кальцієм білок змінює властивості таким чином, що стає здатним змінити властивості інших білків, наприклад, активувати ферменти, запустити скорочення м'яза, виділення медіаторів.

Згідно з сучасними уявленнями, біологічні мембрани утворюють зовнішню оболонку всіх тварин клітин та формують численні внутрішньоклітинні органели. Найбільш характерною структурною ознакою є те, що мембрани завжди утворюють замкнуті простори і така мікроструктурна організація мембран дозволяє їм виконувати найважливіші функції.

Будова та функції клітинних мембран.

1. Бар'єрна функція виявляється у тому, що мембрана з допомогою відповідних механізмів бере участь у створенні концентраційних градієнтів, перешкоджаючи вільної дифузії. У цьому мембрана бере участь у механізмах електрогенезу. До них відносяться механізми створення потенціалу спокою, генерація потенціалу дії, механізми поширення біоелектричних імпульсів за однорідною та неоднорідною збудливими структурами.

2. Регуляторна функція клітинної мембрани полягає в тонкій регуляції внутрішньоклітинного вмісту та внутрішньоклітинних реакцій за рахунок рецепції позаклітинних біологічно активних речовин, що призводить до зміни активності ферментних систем мембрани та запуску механізмів вторинних «месенджерів» («посередників»).

3. Перетворення зовнішніх стимулів неелектричної природи на електричні сигнали (в рецепторах).

4. Вивільнення нейромедіаторів у синаптичних закінченнях.

Сучасними методами електронної мікроскопії було визначено товщину клітинних мембран (6-12 нм). Хімічний аналіз показав, що мембрани в основному складаються з ліпідів та білків, кількість яких неоднакова у різних типів клітин. Складність вивчення молекулярних механізмів функціонування клітинних мембран зумовлена ​​тим, що при виділенні та очищенні клітинних мембран порушується їхнє нормальне функціонування. В даний час можна говорити про декілька видів моделей клітинної мембрани, серед яких найбільшого поширення набула рідинно-мозаїчна модель.

Згідно з цією моделлю, мембрана представлена ​​бислоем фосфоліпідних молекул, орієнтованих таким чином, що гідрофобні кінці молекул знаходяться всередині бислоя, а гідрофільні направлені у водну фазу. Така структура ідеально підходить для утворення поділу двох фаз: поза- та внутрішньоклітинної.

У фосфоліпідному бішарі інтегровані глобулярні білки, полярні ділянки яких утворюють гідрофільну поверхню у водній фазі. Ці інтегровані білки виконують різні функції, у тому числі рецепторну, ферментативну, утворюють іонні канали, є мембранними насосами та переносниками іонів та молекул.

Деякі білкові молекули вільно дифундують у площині ліпідного шару; у звичайному стані частини білкових молекул, що виходять з різних боків клітинної мембрани, не змінюють свого становища.

Електричні характеристики мембран:

Ємнісні властивості в основному визначаються фосфоліпідним біслоєм, який непроникний для гідратованих іонів і в той же час досить тонкий (близько 5 нм), щоб забезпечувати ефективний поділ і накопичення зарядів та електростатичну взаємодію катіонів та аніонів. Крім того, ємнісні властивості клітинних мембран є однією з причин, що визначають часові характеристики електричних процесів, що протікають на клітинних мембранах.

Провідність (g) - величина, зворотна електричному опору і дорівнює відношенню величини загального трансмембранного струму для іона до величини, що зумовила його трансмембранної різниці потенціалів.

Через фосфоліпідний бислой можуть дифундувати різні речовини, причому ступінь проникності (Р), тобто здатність клітинної мембрани пропускати ці речовини, залежить від різниці концентрацій дифузної речовини по обидва боки мембрани, його розчинності в ліпідах та властивостей клітинної мембрани.

Провідність мембрани є мірою її іонної проникності. Збільшення провідності свідчить збільшення кількості іонів, які проходять через мембрану.

Будова та функції іонних каналів. Іони Na+, K+, Са2+, Сl- проникають усередину клітини і виходять назовні через спеціальні, заповнені рідиною канали. Розмір каналів досить малий.

Усі іонні канали поділяються на такі групи:

1. За вибірковістю:

a) селективні, тобто. специфічні. Ці канали проникні для певних іонів.

b) Малоселективні, неспецифічні, які мають певної іонної вибірковості. Їх у мембрані невелика кількість.

1. За характером іонів, що пропускаються:

a) калієві

b) натрієві

c) кальцеві

d) хлорні

1. За швидкістю інактивації, тобто. закривання:

a) що швидко інактивуються, тобто. швидко переходять у закритий стан. Вони забезпечують швидко наростаюче зниження МП і таке ж швидке відновлення.

b) повільноінактивовані. Їх відкривання викликає повільне зниження МП та повільне його відновлення.

4. За механізмами відкривання:

a) потенціалзалежні, тобто. ті, що відкриваються при певному рівні потенціалу мембрани.

b) хемозалежні мембрани, що відкриваються при впливі на хеморецептори, клітини фізіологічно активних речовин (нейромедіаторів, гормонів тощо).

В даний час встановлено, що іонні канали мають таку будову:

1.Селективний фільтр, розташований у гирлі каналу. Він забезпечує проходження через канал строго певних іонів.

2.Активаційні ворота, які відчиняються при певному рівні мембранного потенціалу або дії відповідного ФАВ. Активаційні ворота потенціалзалежних каналів є сенсором, який відкриває їх на певному рівні МП.

3.Інактиваційні ворота, що забезпечують закривання каналу та припинення проведення іонів каналом на певному рівні МП.(Мал.).

Неспецифічні іонні канали немає воріт.

Селективні іонні канали можуть перебувати в трьох станах, які визначаються положенням активаційних (м) та інактиваційних (h) воріт:

1.Закрито, коли активаційні закриті, а інактиваційні відкриті.

2.Активовані, і ті та інші ворота відкриті.

3.Інактивовані, активаційні ворота відкриті, а інактиваційні закриті

Функції іонних каналів:

1. Калієвий (у спокої) – генерація потенціалу спокою

2. Натрієвий – генерація потенціалу дії

3. Кальцієвий – генерація повільних дій

4. Калієвий (затримане випрямлення) – забезпечення реполяризації

5. Калієвий кальцій-активований – обмеження деполяризації, обумовленої струмом Са+2

Функцію іонних каналів вивчають у різний спосіб. Найбільш поширеним є метод фіксації напруги, або "voltage-clamp". Сутність методу у тому, що з допомогою спеціальних електронних систем у процесі досвіду змінюють і фіксують певному рівні мембранний потенціал. При цьому вимірюють величину іонного струму, що протікає через мембрану. Якщо різниця потенціалів стала, то відповідно до закону Ома величина струму пропорційна провідності іонних каналів. У відповідь на ступінчасту деполяризацію відкриваються ті чи інші канали, відповідні іони входять у клітину електрохімічним градієнтом, тобто виникає іонний струм, який деполяризує клітину. Ця зміна реєструється за допомогою керуючого підсилювача і через мембрану пропускається електричний струм, що дорівнює за величиною, але протилежний у напрямку мембранного іонного струму. При цьому трансмембранна різниця потенціалів не змінюється.

Вивчення функції окремих каналів можливе методом локальної фіксації потенціалу path-clamp. Скляний мікроелектрод (мікропіпетка) заповнюють сольовим розчином, притискають до поверхні мембрани та створюють невелике розрідження. При цьому частина мембрани підсмоктується до мікроелектрод. Якщо в зоні присмоктування виявляється іонний канал, реєструють активність одиночного каналу. Система подразнення та реєстрації активності каналу мало відрізняється від системи фіксації напруги.

Струм через одиночний іонний канал має прямокутну форму і однаковий амплітудою для каналів різних типів. Тривалість перебування каналу у відкритому стані має імовірнісний характер, але залежить від величини мембранного потенціалу. Сумарний іонний струм визначається ймовірністю знаходження у відкритому стані у кожний конкретний період часу певної кількості каналів.

Зовнішня частина каналу порівняно доступна вивчення, вивчення внутрішньої частини становить значні труднощі. П. Г. Костюком було розроблено метод внутрішньоклітинного діалізу, який дозволяє вивчати функцію вхідних та вихідних структур іонних каналів без застосування мікроелектродів. Виявилося, що частина іонного каналу, відкрита у позаклітинний простір, за своїми функціональними властивостями відрізняється від частини каналу, зверненої у внутрішньоклітинне середовище.

Саме іонні канали забезпечують дві важливі властивості мембрани: селективність та провідність.

Селективність або вибірковість каналу забезпечується його особливою білковою структурою. Більшість каналів є електрокерованими, тобто їхня здатність проводити іони залежить від величини мембранного потенціалу. Канал неоднорідний за своїми функціональними характеристиками, особливо це стосується білкових структур, що знаходяться біля входу в канал і його виходу (так звані воротні механізми).

Розглянемо принцип роботи іонних каналів з прикладу натрієвого каналу. Вважають, що в стані спокою натрієвий канал закритий. При деполяризації клітинної мембрани до певного рівня відбувається відкриття m-активаційних воріт (активація) та посилення надходження іонів Na+ усередину клітини. Через кілька мілісекунд після відкриття m-воріт відбувається закриття h-воріт, розташованих біля виходу натрієвих каналів (інактивація). Інактивація розвивається в клітинній мембрані дуже швидко і ступінь інактивації залежить від величини та часу дії стимулю, що деполяризує.

При генерації одиночного потенціалу дії в товстому нервовому волокні зміна концентрації іонів Na+ у внутрішньому середовищі становить лише 1/100000 від внутрішнього вмісту іонів Na гігантського кальмара аксона.

Крім натрієвих, у клітинних мембранах встановлені інші види каналів, вибірково проникних окремих іонів: До+, Са2+, причому існують різновиду каналів цих іонів.

Ходжкін і Хакслі сформулювали принцип «незалежності» каналів, згідно з яким потоки натрію та калію через мембрану незалежні один від одного.

Властивість провідності різних каналів неоднакова. Зокрема, для калієвих каналів процес інактивації як для натрієвих каналів не існує. Є спеціальні калієві канали, що активуються при підвищенні внутрішньоклітинної концентрації кальцію та деполяризації клітинної мембрани. Активація калій-кальційзалежних каналів прискорює реполяризацію, тим самим відновлюючи вихідне значення потенціалу спокою.

Особливий інтерес становлять кальцієві канали. Вхідний кальцієвий струм, як правило, недостатньо великий, щоб нормально деполяризувати клітинну мембрану. Найчастіше кальцій, що надходить у клітину, виступає в ролі «месенджера», або вторинного посередника. Активація кальцієвих каналів забезпечується деполяризацією клітинної мембрани, наприклад, вхідним натрієвим струмом.

Процес інактивації кальцієвих каналів є досить складним. З одного боку, підвищення внутрішньоклітинної концентрації вільного кальцію призводить до інактивації кальцієвих каналів. З іншого боку, білки цитоплазми клітин зв'язують кальцій, що дозволяє тривалий час підтримувати стабільну величину кальцієвого струму, хоча і на низькому рівні; при цьому натрієвий струм повністю пригнічується. Кальцієві канали грають істотну роль клітинах серця. Електрогенез кардіоміоцитів у главі 7. Електрофізіологічні характеристики клітинних мембран досліджують з допомогою спеціальних методів.

Всі канали, які є в живих тканинах, а зараз ми знаємо кілька сотень різновидів каналів, можна розділити на два основні типи. Перший тип – це канали спокою,які спонтанно відкриваються та закриваються без будь-яких зовнішніх впливів. Вони важливі для створення мембранного потенціалу спокою. Другий тип – це так звані gate-канали,або ворітні канали(Від слова "ворота") . У спокої ці канали закриті можуть відкриватися під впливом тих чи інших подразників. Деякі різновиди таких каналів беруть участь у генерації потенціалів дії.

Більшість іонних каналів характеризуються вибірковістю(Селективністю), тобто через певний вид каналів проходять тільки певні іони. За цією ознакою розрізняють натрієві, калієві, кальцієві, хлорні канали. Селективність каналів визначається розмірами пори, розмірами іона та його гідратної оболонки, зарядом іона, а також зарядом внутрішньої поверхні каналу. Однак зустрічаються і неселективні канали, які можуть пропускати одразу два види іонів: наприклад, калій та натрій. Є канали, якими можуть проходити всі іони і навіть більші молекули.

Існує класифікація іонних каналів за способу активації(Рис. 9). Деякі канали специфічно відповідають фізичні зміни у клітинній мембрані нейрона. Найбільш яскравими представниками цієї групи є потенціал-активовані канали. Прикладами можуть бути чутливі до потенціалу на мембрані натрієві, калієві, кальцієві іонні канали, які відповідають формування потенціалу дії. Ці канали відкриваються за певного потенціалу на мембрані. Так, натрієві та калієві канали відкриваються при потенціалі близько -60 мВ (внутрішня поверхня мембрани заряджена негативно порівняно із зовнішньою поверхнею). Кальцієві канали відкриваються при потенціалі -30 мВ. До групи каналів, що активуються фізичними змінами, відносяться

Рис. 9. Способи активації іонних каналів

(А) Іонні канали, що активуються зміною мембранного потенціалу або розтягуванням мембрани. (Б) Іонні канали, що активуються хімічними агентами (лігандами) з позаклітинної або внутрішньоклітинної сторони.

також механо-чутливі каналиякі відповідають на механічні впливи (розтягування або деформація клітинної мембрани). Іонні канали іншої групи відкриваються тоді, коли хімічні речовини активують спеціальні рецепторні центри зв'язування на молекулі каналу. Такі ліганд-активовані каналиподіляються на дві підгрупи, залежно від того, чи є їх рецепторні центри внутрішньоклітинними чи позаклітинними. Ліганд-активовані канали, що відповідають на позаклітинні стимули, також називають іонотропними рецепторами.Такі канали чутливі до медіаторів і беруть безпосередню участь у передачі інформації у синаптичних структурах. До ліганд-активованих каналів, що активуються з цитоплазматичної сторони, відносяться канали, чутливі до змін концентрації специфічних іонів. Наприклад, кальцій-активовані калієві канали активуються локальним підвищенням концентрації внутрішньоклітинного кальцію. Такі канали відіграють важливу роль реполяризації клітинної мембрани під час завершення потенціалу дії. Крім іонів кальцію, типовими представниками внутрішньоклітинних лігандів є циклічні нуклеотиди. Циклічний ГМФ, наприклад, відповідає за активацію натрієвих каналів у паличках сітківки. Такий тип каналу грає важливу роль роботі зорового аналізатора. Окремим видом модуляції роботи каналу шляхом зв'язування внутрішньоклітинного ліганду є фосфорилювання/дефосфорилювання певних ділянок його білкової молекули під дією внутрішньоклітинних ферментів – протеїнкіназ та протеїнфосфатаз.

Подана класифікація каналів за способом активації значною мірою умовна. Деякі іонні канали можуть активуватися лише за кількох впливів. Наприклад, кальцій-активовані калієві канали чутливі також до зміни потенціалу, а деякі потенціал-активовані іонні канали чутливі до внутрішньоклітинних лігандів.

Модель збудливої ​​мембрани з теорії Ходжкіна-Хакслі передбачає регульоване перенесення іонів через мембрану. Однак безпосередній перехід іона через ліпідний бислой дуже утруднений, отже, був би малий і потік іонів.

Це і ряд інших міркувань дали підставу вважати, що в мембрані повинні бути деякі спеціальні структури - іони, що проводять. Такі структури було знайдено та названо іонними каналами. Подібні канали виділені з різних об'єктів: плазматичної мембрани клітин, постсинаптичної мембрани м'язових клітин та інших об'єктів. Відомі також іонні канали, утворені антибіотиками.

Основні властивості іонних каналів:

1) селективність;

2) незалежність роботи окремих каналів;

3) дискретний характер провідності;

4) залежність властивостей каналів від мембранного потенціалу.

Розглянемо їх у порядку.

1. Селективністю називають здатність іонних каналів вибірково пропускати іони будь-якого одного типу.

Ще в перших дослідах на аксоні кальмара було виявлено, що іони Na+ та Кт по-різному впливають на мембранний потенціал. Іони К+ змінюють потенціал спокою, а іони Na+ – потенціал дії. У моделі Ходжкіна-Хакслі це описується шляхом введення незалежних калієвих та натрієвих іонних каналів. Передбачалося, перші пропускають лише іони До+, а другі - лише іони Na+.

Вимірювання показали, що іонні канали мають абсолютну селективність по відношенню до катіонів (катіон-селективні канали) або до аніонів (аніон-селективні канали). У той же час через катіон-селективні канали здатні проходити різні катіони різних хімічних елементів, але провідність мембрани для неосновного іона, а значить, і струм через неї, буде істотно нижчим, наприклад, для Na + -каналу калієвий струм через нього буде в 20 разів менше. Здатність іонного каналу пропускати різні іони називається відносною селективністю і характеризується рядом селективності - співвідношенням провідностей каналу різних іонів, взятих за однієї концентрації. При цьому для основного іона селективність приймають за 1. Наприклад, для Na+-каналу цей ряд має вигляд:

Na + : К + = 1: 0,05.

2. Незалежність роботи окремих каналів. Проходження струму через окремий іонний канал не залежить від того, чи йде струм через інші канали. Наприклад, К + -канали можуть бути включені або вимкнені, але струм через Nа + -канали не змінюється. Вплив каналів один на одного відбувається опосередковано: зміна проникності будь-яких каналів (наприклад, натрієвих) змінює мембранний потенціал, а він впливає на провідності інших іонних каналів.

3. Дискретний характер провідності іонних каналів. Іонні канали є субодиничний комплекс білків, що пронизує мембрану. У центрі його є трубка, крізь яку можуть проходити іони. Кількість іонних каналів на 1 мкм 2 поверхні мембрани визначали за допомогою радіоактивно міченого блокатора натрієвих каналів - тетродотоксин. Відомо, що одна молекула ТТХ зв'язується лише з одним каналом. Тоді вимірювання радіоактивності зразка з відомою площею дозволило показати, що 1 мкм 2 аксона кальмара знаходиться близько 500 натрієвих каналів.

Ті трансмембранні струми, які вимірюють у звичайних експериментах, наприклад, на аксоні кальмара довжиною 1 см і діаметром 1 мм, тобто площею 3*10 7 мкм 2 обумовлені сумарною відповіддю (зміною провідності) 500 3 10 7 -10 10 іонних каналів. Для такої відповіді характерна плавна в часі зміна провідності. Відповідь одиночного іонного каналу змінюється у часі іншим чином: дискретно й у Nа+-каналів, і До+- , і Са 2+ -каналів.

Вперше це було виявлено в 1962 р. у дослідженнях провідності бислойных ліпідних мембран (БЛМ) при додаванні в розчин, що омиває мембрану, мікрокількості деякої речовини, що індукувало збудження. На БЛМ подавали постійну напругу та реєстрували струм I(t). Запис струму в часі мав вигляд стрибків між двома провідними станами.

Одним із ефективних методів експериментального дослідження іонних каналів став розроблений у 80-ті роки метод локальної фіксації потенціалу мембрани ("Patch Clamp"), (рис. 10).

Мал. 10. Метод локальної фіксації потенціалу мембрани. МЕ – мікроелектрод, ІЧ – іонний канал, М – мембрана клітини, СФП – схема фіксації потенціалу, I – струм одиночного каналу

Суть методу полягає в тому, що мікроелектрод МЕ (рис. 10) тонким кінцем, що має діаметр 0,5-1 мкм, присмоктується до мембрани таким чином, щоб у його внутрішній діаметр потрапив іонний канал. Тоді, використовуючи схему фіксації потенціалу, можна вимірювати струми, які проходять через одиночний канал мембрани, а не через всі канали одночасно, як це відбувається при використанні стандартного методу фіксації потенціалу.

Результати експериментів, виконаних різних іонних каналах, показали, що провідність іонного каналу дискретна і може перебувати у двох станах: відкритому чи закритому. Переходи між станами відбуваються у випадкові моменти часу та підпорядковуються статистичним закономірностям. Не можна сказати, що цей іонний канал відкриється саме в цей час. Можна лише зробити твердження про можливість відкривання каналу у певному інтервалі часу.

4. Залежність властивостей каналу від мембранного потенціалу. Іонні канали нервових волокон чутливі до мембранного потенціалу, наприклад, натрієвий і калієвий канали аксона кальмара. Це проявляється в тому, що після початку деполяризації мембрани відповідні струми починають змінюватись з тією чи іншою кінетикою. Цей процес відбувається так: Іон-селективний канал має сенсор - деякий елемент своєї конструкції, чутливий до дії електричного поля (рис. 11). При зміні мембранного потенціалу змінюється величина сили, що діє на нього, в результаті ця частина іонного каналу переміщається і змінює ймовірність відкривання або закривання воріт - своєрідних заслінок, що діють за законом "все або нічого". Експериментально показано, що під дією деполяризації мембрани збільшується ймовірність переходу натрієвого каналу у провідний стан. Стрибок напруги на мембрані, створюваний при вимірах методом фіксації потенціалу, призводить до того, що велика кількість каналів відкривається. Через них проходить більше зарядів, а отже, в середньому протікає більший струм. Істотно, що зростання провідності каналу визначається збільшенням ймовірності переходу каналу у відкритий стан, а чи не збільшенням діаметра відкритого каналу. Таким є сучасне уявлення про механізм проходження струму через одиночний канал.

Плавні кінетичні криві струмів, що реєструються при електричних вимірах на великих мембранах, виходять внаслідок сумування багатьох стрибкоподібних струмів, що протікають через окремі канали. Їхнє підсумовування, як показано вище, різко зменшує флуктуації і дає досить гладкі залежності трансмембранного струму від часу.

Іонні канали можуть бути чутливі до інших фізичних впливів: механічних деформацій, зв'язування хімічних речовин і т.д. У цьому випадку вони є структурною основою відповідно механорецепторів, хеморецепторів і т.д.

Вивчення іонних каналів у мембранах є одним із важливих завдань сучасної біофізики.

Структура іонного каналу.

Іон-селективний канал складається з наступних частин (рис. 11): зануреної в бислой білкової частини, що має субодиничну будову; селективного фільтра, утвореного негативно зарядженими атомами кисню, які жорстко розташовані на певній відстані один від одного та пропускають іони тільки певного діаметра; комірної частини.

Ворота іонного каналу управляються мембранним потенціалом і можуть бути як у закритому стані (штрихова лінія), так і у відкритому стані (суцільна лінія). Нормальне положення воріт натрієвого каналу – закрите. Під дією електричного поля збільшується ймовірність відкритого стану, ворота відкриваються і потік іонів гідратованих отримує можливість проходити крізь селективний фільтр.

Якщо іон підходить по діаметру, він скидає гідратну оболонку і проскакує в інший бік іонного каналу. Якщо ж іон занадто великий по діаметру, як, наприклад, тетраетиламмоній, він не може пролізти крізь фільтр і не може перетнути мембрану. Якщо ж, навпаки, іон занадто малий, то у нього виникають складності в селективному фільтрі, цього разу пов'язані з трудом скидання гідратної оболонки іона.

Блокатори іонних каналів або не можуть пройти крізь нього, застряючи у фільтрі, або якщо це великі молекули, як ТТХ, вони стерично відповідають якомусь входу в канал. Оскільки блокатори несуть позитивний заряд, їхня заряджена частина втягується в канал до селективного фільтра як звичайний катіон, а макромолекула закупорює його.

Таким чином, зміни електричних властивостей збудливих біомембран здійснюється за допомогою іонних каналів. Це білкові макромолекули, що пронизують ліпідний бішар, які можуть перебувати в кількох дискретних станах. Властивості каналів, селективних для іонів К + , Na + і Са 2+ можуть по-різному залежати від мембранного потенціалу, що і визначає динаміку потенціалу дії в мембрані, а також відмінності таких потенціалів в мембранах різних клітин.

Мал. 11. Схема будови натрієвого іонного каналу мембрани у розрізі

Зворотній зв'язок.

Для різних речовин і, зокрема, для мінеральних іонів має винятково важливе значення у життєдіяльності клітини і особливо у механізмах сприйняття, перетворення, передачі сигналів від клітини до клітини та на внутрішньоклітинні структури.

Визначальну роль у стані проникності мембран клітини мають їх іонні канали, що формуються каналоутворюючими білками. Відкриття та закриття цих каналів можуть контролюватись величиною різниці потенціалів між зовнішньою та внутрішньою поверхнями мембрани, безліччю сигнальних молекул (гормонів, нейромедіаторів, судиноактивних речовин) вторинними посередниками передачі внутрішньоклітинних сигналів, мінеральними іонами.

Іонний канал- кілька субодиниць (інтегральних мембранних білків, що містять трансмембранні сегменти, кожен з яких має аспіральну конфігурацію), що забезпечують перенесення іонів через мембрану.

Мал. 1. Класифікація іонних каналів

Сучасні уявлення про будову та функції іонних каналів стали можливими завдяки розробці методів реєстрації електричних струмів, що протікають через ізольовану ділянку мембрани, що містить одиночні іонні канали, а також завдяки виділенню та клонуванню окремих генів, що контролюють синтез білкових макромолекул, здатних формувати іонні канали. Це дозволило штучно модифікувати структуру таких молекул, вбудовувати їх у мембрани клітин та вивчати роль окремих пептидних ділянок для виконання функцій каналів. Виявилося, що каналоутворюючі білкові молекули всіх іонних каналів мають деякі загальні ознаки будови і зазвичай представлені великими трансмембранними білками з молекулярними масами понад 250 кД.

Вони складаються з кількох субодиниць. Зазвичай найважливіші властивості каналіввизначаються їх а-суб'єднаніший. Ця субодиниця бере участь у формуванні іоноселективної нори, сенсорного механізму трансмембранної різниці потенціалів – воріт каналу та має місця зв'язування для екзогенних та ендогенних лігандів. Інші субодиниці, що входять до структури іонних каналів, відіграють допоміжну роль, яка модулює властивості каналів (рис. 2).

Каналоутворююча білкова молекула представлена ​​позанемембранними амінокислотними петлями і внутрішньомембранними спіралізованими ділянками-доменами, що утворюють субодиниці іонних каналів. Білкова молекула згортається в площині мембрани так, що між доменами, що контактують один з одним, і формується власне іонний канал (див. рис. 2, внизу праворуч).

Каналоутворююча молекула білка розташовується в цитоплазматичній мембрані так, що її тривимірна просторова структура формує гирла каналу, звернені до зовнішньої та внутрішньої сторін меморани, пору, заповнену водою, та «ворота». Останні утворюються ділянкою пептидного ланцюга, який може легко змінювати свою конформацію та визначати відкритий чи закритий стан каналу. Від розмірів пори та її заряду залежать селективність та проникність іонного каналу. Проникність каналу для даного іона визначається також його розмірами, величиною заряду та гідратною оболонкою.

Мал. 2. Будова Na+-іонного каналу клітинної мембрани: а - двомірна будова а-еуб'єдиниці іонного каналу клітинної.мембрани; б - ліворуч - натрієвий канал, що складається з а-субодинці і двох Р-субоднання (вид збоку); праворуч - вил натрієвого каналу зверху. Цифрами І. ІІ. ІІІ. IV відзначені домени а-субодиниці

Типи іонних каналів

Описано понад сто різновидів іонних каналів, для класифікації яких використовують різні підходи. Один із них заснований на обліку відмінностей у будові каналів та в механізмах функціонування. При цьому іонні канали можна розділити на кілька типів:

• пасивні іонні канали, чи канали спокою;
• канали щілинних контактів;
• канали, стан яких (відкритий або закритий) контролюється впливом на їх ворітний механізм механічних факторів (механочутливі канали), різниці потенціалів на мембрані (потенціалзалежні канали) або лігандів, що зв'язуються з каналоутворюючим білком на зовнішній або внутрішній стороні мембрани (лігандзалежні канали).

Пасивні канали

Відмінною особливістю цих каналів є те, що вони можуть бути відкритими (активними) у клітинах, що покоїться, тобто. відсутність будь-яких впливів. Це зумовлює їхню другу назву — пасивні канали. Вони не є строго селективними, і через них мембрана клітини може «протікати» для декількох іонів, наприклад, К+ і CI+, К+ і Na+. Тому ці канали іноді називають каналами витоку. Завдяки перерахованим властивостям канали спокою відіграють важливу роль у виникненні та підтримці на цитоплазматичній мембрані клітини мембранного потенціалу спокою, механізми та значення якого обговорюються далі. Пасивні канали представлені в цитоплазматичних мембранах нервових волокон та їх закінчень, клітин поперечно-смугастої, гладкої мускулатури, міокарда та інших тканин.

Механочутливі канали

Стан проникності цих каналів змінюється при механічних впливах на мембрану, що викликають порушення структурної упаковки молекул у мембрані та її розтягування. Ці канали широко представлені в механорецепторах судин, внутрішніх органів, шкіри, поперечно-смугастих м'язів, гладких міоцитів.

Потенціалзалежні канали

Стан цих каналів управляється силами електричного поля, створюваного величиною різниці потенціалів на мембрані. Потенціалзалежні канали можуть знаходитися в неактивному (закритому), активному (відкритому) та інактивованому станах, які контролюються положенням активаційних та інактиваційних воріт, що залежать від різниці потенціалів на мембрані.

У клітині, що покоїться, потенціалзалежний канал знаходиться зазвичай у закритому стані, з якого він може бути відкритий або активований. Імовірність його самостійного відкриття невисока, і в стані спокою лише невелика кількість цих каналів у мембрані відкрита. Зменшення трансмембранної різниці потенціалів (деполяризація мембрани) викликає активацію каналу, підвищуючи можливість його відкриття. Передбачається, що функцію активаційних воріт виконує електрично заряджена амінокислотна група, що закриває вхід у гирлі каналу. Ці амінокислоти є сенсором різниці потенціалів на мембрані; при досягненні певного (критичного) рівня деполяризації мембрани заряджена частина молекули сенсора зміщується у бік ліпідного мікрооточення каналоутворюючої молекули та ворота відкривають вхід у гирлі каналу (рис. 3).

Канал стає відкритим (активним) для переміщення через нього іонів. Швидкість відкриття активаційних воріт може бути низькою та дуже високою. За цим показником потенціалзалежні іонні канали ділять на швидкі (наприклад, швидкі потенціалзалежні натрієві канали) і повільні (наприклад, повільні потенціалзалежні кальцієві канали). Швидкі канали відкриваються миттєво (мкс) та залишаються відкритими в середньому протягом 1 мс. Їхня активація супроводжується швидким лавиноподібним зростанням проникності каналу для певних іонів.

Здатністю змінювати свою конформацію має інша частина пептидної ланцюга, що являє собою амінокислотну послідовність у вигляді щільної кульки (клубка) на нитки, що знаходиться біля виходу іншого гирла каналу. При зміні знака заряду на мембрані кулька закриває вихід з гирла, канал стає непроникним (інактивованим) для іона. Інактивація потенціалзалежних іонних каналів може здійснюватися за допомогою інших механізмів. Інактивація супроводжується припиненням переміщення іонів через канал і може протікати так само швидко, як активація, або повільно протягом секунд і навіть хвилин.

Мал. 3. Воротний механізм потенціалозалежних натрієвих (вгорі) та калієвих (внизу) каналів

Для відновлення вихідних властивостей іонних каналів після їх інактивації необхідно повернути вихідну просторову конформацію каналоутворюючого білка та положення воріт. Це досягається при відновленні різниці потенціалів мембрани (реполяризації) до рівня, характерного стану спокою клітини або через деякий час після інактивації при сильному впливі на мембрану. Перехід із стану інактивації у вихідний (закритий) стан отримав назву реактивації каналу. Будучи реактивованим, іонний канал знову повертається до готовності до його повторного відкриття. Реактивація потенціалзалежних каналів мембрани також може бути швидкою та повільною.

Потенціалзалежні іонні канали зазвичай є високоселективними і відіграють вирішальну роль у виникненні збудження (генерації потенціалів дії), передачі інформації з нервових волокон у вигляді електричних сигналів, ініціювання та регулювання скорочення м'язів. Ці канали широко представлені в мембранах аферентних, еферентних нервових волокон, мембранах поперечно-смугастих і гладких міоцитів.

Потенціапзалежні іонні канали вбудовані в мембрану нервових закінчень чутливих нервів (дендритів), що іннервують пульпу зуба, слизову оболонку ротової порожнини, де їх відкриття забезпечує перетворення рецепторного потенціалу в нервовий імпульс і його подальше проведення по аферентному нервовому волокну. За допомогою цих імпульсів у ЦНС передається інформація про всі види сенсорних відчуттів, що виникли у людини в ротовій порожнині (смак, температура, механічні тиски, біль). Подібні канали забезпечують виникнення нервових імпульсів на мембрані аксонного горбка нейронів та його проведення по еферентних нервових волокнах, перетворення постсинаптичних потенціалів на потенціали дії постсинаптичних ефекторних клітин. Прикладом таких процесів може бути генерація нервових імпульсів у моторних нейронах ядра трійчастого нерва, які потім передаються його еферентним волокнам до жувальних м'язів і забезпечують ініціювання і регуляцію жувальних рухів нижньої щелепи.

При дослідженні тонких механізмів функціонування потенціалзалежних іонних каналів було виявлено, що є речовини, здатні блокувати роботу цих каналів. Одним із перших серед них було описано речовину тетродотоксин - найсильніша отрута, що утворюється в організмі риби фугу. Під його дією спостерігалася блокада потенціалзалежних натрієвих каналів в експерименті, а при його введенні в організм тварин відзначалися втрата чутливості, розслаблення м'язів, знерухомленість, зупинка дихання та смерть. Такі речовини одержали назву блокаторів іонних каналів. Серед них лідокаїн, новокаїн, прокаїнречовини, при введенні яких в організм у невеликих дозах розвивається блокада потенціазалежних натрієвих каналів нервових волокон і блокується передача в ЦНС сигналів від больових рецепторів. Ці речовини широко використовуються в медичній практиці як місцеві знеболювальні засоби.

Переміщення іонів через іонні канали є основою перерозподілу зарядів на мембранах і формування електричних потенціалів, а й може впливати на перебіг багатьох внутрішньоклітинних процесів. Такий вплив на експресію генів, що контролюють синтез каналоутворюючих білків, не обмежений лише клітинами збудливих тканин, але має місце у всіх клітинах організму. Ідентифіковано велику групу захворювань, причиною яких є порушення структури та функції іонних каналів. Такі захворювання віднесено до групи "каналопатій". Очевидно, що знання будови та функцій іонних каналів необхідне для розуміння природи «каналопатій» та пошуку їхньої специфічної терапії.

Лігандзалежні іонні канали

Вони зазвичай формуються білковими макромолекулами, які можуть одночасно виконувати функцію іонних каналів та рецепторну функцію по відношенню до певних лігандів. Оскільки одна й та сама макромолекула може одночасно виконувати ці дві функції, то за ними закріпилися різні назви, наприклад, синаптичний рецептор або лігандзалежний канал.

На відміну від потенціалзалежного іонного каналу, відкриття якого здійснюється при зміні конформації активаційних воріт в умовах зниження трансмембранної різниці потенціалів, лігандзалежні іонні канали відкриваються (активуються) при взаємодії пептидного (рецепторного) ланцюга білкової молекули з лігандом - речовиною, до якої рецептор має високу спорідненість. 4).

Мал. 4. Лігандзалежний іонний канал (нікотинчутливий ацетилхоліновий рецептор - н-ХР): а неактивний; 6 - активований

Лігандзалежні іонні канали зазвичай локалізовані в постсинаптичних мембранах нервових клітин та їх відростків, а також м'язових волокон. Типовими прикладами лігандзалежних іонних каналів є канали постсинаптичних мембран, що активуються ацетилхоліном (див. рис. 4), глутаматом, аспартатом, гамма-аміномасляною кислотою, гліцином та іншими синаптичними нейромедіаторами. Зазвичай назва каналу (рецептора) відображає тип нейромедіатора, який у природних умовах є його лігандом. Так, якщо це канали нервово-м'язового синапсу, в якому використовується нейромедіатор ацетилхолін, то використовується термін «ацетилхоліновий рецептор», а якщо він є до того ж чутливим до нікотину, його називають нікотинчутливим, або просто н-ацетилхоліновим, рецептором (н- холінорецептор).

Зазвичай, постсинаптичні рецептори (канали) вибірково зв'язуються тільки з одним типом нейромедіатора. Залежно від типу та властивостей взаємодіючих рецепторів і нейромедіаторів канали вибірково змінюють свою проникність для мінеральних іонів, але при цьому вони не є строго селективними каналами. Наприклад, лигандзависимые канали можуть змінювати проникність для катіонів Na+ і К+ або К+ і аніонів СI+. Така вибірковість зв'язування ліганду та зміни іонної проникності генетично закріплена у просторовій структурі макромолекули.

Якщо взаємодія медіатора та рецепторної частини макромолекули, що формує іонний канал, безпосередньо супроводжується зміною проникності каналу, то протягом кількох мілісекунд це призводить до зміни проникності постсинаптичної мембрани для мінеральних іонів та величини постсинаптичного потенціалу. Такі канали названі швидкими та локалізуються, наприклад, у постсинаптичній мембрані аксо-дендритних збуджуючих синапсів та аксосоматичних гальмівних синапсів.

Існують повільні лігандзалежні іонні канали. На відміну від швидких каналів, їх відкриття опосередковано не прямою взаємодією нейромедіатора з макромолекулою-рецептором, а ланцюжком подій, що включають активацію G-білка, його взаємодію з GTP, підвищення рівня вторинних посередників у внутрішньоклітинній передачі сигналу нейромедіатора, які, фосфорилуючи іонний канал, зміни його проникності для мінеральних іонів та відповідної зміни величини постсинаптичного потенціалу. Весь описаний ланцюжок подій здійснюється вже за сотні мілісекунд. З такими повільними лігандзалежними іонними каналами ми зустрінемося щодо механізмів регуляції роботи серця, гладких м'язів.

Особливим типом є канали, локалізовані в мембранах ендоплазматичного ретикулуму гладком'язової клітини. Їх лігандом є вторинний посередник внутрішньоклітинної передачі сигналу інозитол-три-фосфат-ІФЗ.

Описані іонні канали, які характеризуються деякими структурними та функціональними властивостями, властивими як потенціалзалежним, так і лігандзалежним іонним каналам. Вони є потенційно чутливими іонними каналами, стан комірного механізму яких контролюється циклічними нуклеотидами (цАМФ та цГМФ). При цьому циклічні нуклеотиди зв'язуються з внутрішньоклітинної СООН-термінали каналоутворюючої молекули білка і активують канал.

Ці канали характеризуються меншою вибірковістю проникності для катіонів та здатністю останніх впливати на проникність один одного. Так, іони Са 2+ поступаючи через активовані канали з позаклітинного середовища, блокують проникність каналів для іонів Na 2+ . Одним із прикладів таких каналів є іонні канали паличок сітківки ока, проникність яких для іонів Са 2+ та Na 2+ визначається рівнем цГМФ.

Лігандзалежні іонні канали широко представлені в мембранних структурах, що забезпечують синаптичну передачу сигналів від ряду сенсорних рецепторів ЦНС; передачу сигналів у синапсах нервової системи; передачу сигналів нервової системи до ефекторних клітин.

Вже зазначалося, що безпосередня передача команд нервової системи до багатьох ефекторних органів здійснюється за допомогою нейромедіаторів, що активують ліганд залежні іонні канали постсинаптичних мембранах. Однак їх лігандами (агоністами або антагоністами) можуть бути речовини екзогенної природи, які в ряді випадків використовуються як лікарські речовини.

Наприклад, після введення в організм речовини диплацину, подібного за своєю структурою з нейромедіатором апетилхолін, піде тривале відкриття лігандзалежних іонних каналів нервово-м'язових синапсів, які перестають передавати нервові імпульси з нервових волокон до м'язів. Настає релаксація кістякових м'язів організму, яка може знадобитися під час проведення складних хірургічних операцій. Диплацин та інші речовини, здатні змінювати стан лігандзалежних іонних каналів та блокувати передачу сигналів у нервово-м'язових синапсах, отримали назву міорелаксантів.

Мал. 5. Канали щілинних контактів між двома щільно контактуючими клітинами

У медичній практиці використовуються багато інших лікарських речовин, що впливають на стан лігандзалежних іонних каналів клітин різних тканин.

Канали щілинних (щільних) контактів клітин

Канали щілинних контактів формуються області контакту двох сусідніх клітин, дуже близько прилеглих друг до друга. У мембрані кожної клітини, що контактує, шість білкових субодиниць, що отримали назву коннексини, формують гексагональну структуру, в центрі якої утворюється пора або іонний канал — коннексон (рис. 5).

Дзеркальна структура утворюється у місці контакту в мембрані сусідньої клітини, і іонний канал між ними стає загальним. Через такі іонні канали з клітини в клітину можуть переміщатися різні мінеральні іони, у тому числі іони Са 2+ і низькомолекулярні органічні речовини. Канали щілинних контактів клітин забезпечують передачу інформації між клітинами міокарда, гладких м'язів, сітківки ока, нервової системи.

Натрієві канали

У клітинах організму широко представлені потенціалзалежні, потенціалнезалежні (лігандзалежні, механочутливі, пасивні та ін) натрієві канали.

Потенціалзалежні натрієві канали

Вони складаються з однієї а-субодиниці, що формує канал, і двох β-субодиниць, що модулюють іонну проникність і кінетику інактивації натрієвих каналів (рис. 6).

Мал. 6. Двовимірна структура а-субодиниці потенціал-залежного натрієвого каналу. Опис у тексті

Як видно із рис. 6 а-субодиниця представлена ​​чотирма однотипними доменами, що складаються з шести спіралізованих трансмембранних сегментів, з'єднаних амінокислотними петлями. Петлі, що з'єднують 5-й та 6-й сегменти, оточують пору каналу, а у складі 4-го сегмента містяться позитивно заряджені амінокислоти, які є сенсорами різниці потенціалів на мембрані та керують положенням комірного механізму при зсувах трансмембранного потенціалу.

У потенціалзалежних натрієвих каналах є два воротні механізми, один з них - активаційний (за участю 4-го сегмента) забезпечує відкриття (активацію) каналу при деполяризації мембрани, а другий (за участю внутрішньоклітинної петлі між 3-м і 4-м доменами) - його інактивацію при перезарядженні мембрани. Оскільки обидва ці механізми швидко змінюють положення воріт каналу, то потенціалзалежні натрієві канали є швидкими іонними каналами і мають визначальне значення для генерації потенціалів дії в тканинах збудливих і для їх проведення по мембранах нервових і м'язових волокон.

Ці канали локалізуються в цитоплазматичних мембранах аксонного горбка нейронів, у дендритах та аксонах, у мембрані навколосинаптичської області нервово-м'язового синапсу, у сарколеммі волокон поперечно-смугастих м'язів та скорочувального міокарда. Щільність розподілу натрієвих каналів у цих структурах різна. У мієлінізованих нервових волокнах вони зосереджені головним чином області перехоплень Ранв'є, де їх щільність досягає близько 10 000 каналів на квадратний мікрон площі, а в немиелинизированных волокнах канали розподілені більш рівномірно з щільністю близько 20 каналів на ту ж площу. Ці канали практично відсутні в структурі мембран тіла нервової клітини, в мембрані нервових закінчень, які безпосередньо формують сенсорні рецептори, і в постсинаптичних мембранах ефекторних клітин.

Серед потенційнозалежних натрієвих каналів розрізняють вже більше дев'яти підтипів, що відрізняються властивостями а-субодиниць, що мають певну тканинну приналежність і відрізняються різною чутливістю до дії блокаторів. Так, наприклад, підтип каналу, утвореного каналоутворюючим білком, синтез якого контролюється геном SCN4A, є в сарколеммі повністю диференційованих та іннервованих скелетних м'язів і його блокагор є тетродотоксин, сакситоксин і ц-конотоксини. У більшості випадків а-субодиниці чутливі до дії тетродотоксину, який у мікромолярних концентраціях блокує пори і тим самим вхід у натрієві канали.

Відомі токсини натрієвих каналів, що викликають уповільнення швидкості інактивації. Наприклад, токсин морської анемони (АТХ) та а-токсин скорпіону (ScTX) викликають уповільнення інактивації, зв'язуючись з амінокислотними залишками петлі S3-S4 4-го сегмента.

Синтезовані та широко використовуються в медицині для блокади швидких потенціалзалежних натрієвих каналів речовини, що отримали назву анестетиків (новокаїн, дикаїн, лідокаїн, совкаїн, прокаїн)та ін.). Анестезія при блокаді ними натрієвих каналів досягається за рахунок усунення можливості генерації нервових імпульсів в аферентних нервових волокнах і тим самим блокади проведення сигналів від сенсорних рецепторів больових в ЦНС.

Виявлено, що зміна структури натрієвих каналів може призвести до розвитку низки захворювань. Так, наприклад, зміна структури каналу, контрольованого геном SCNlb, веде до розвитку генералізованих форм епілепсії та судом при підвищенні температури тіла (фебрильних судом).

Багато мікроорганізмів утворюють в організмі людини токсини — речовини, під дією яких у клітинах, що уражаються, блокуються іонні канали, що може супроводжуватися порушенням іонного балансу і загибеллю клітини. Інші мікроорганізми, навпаки, своїми токсинами (перфоринами) формують у мембрані клітини іонні канали. Зокрема, токсин палички сибірки, що викликає у людини особливо небезпечну інфекцію, атакуючи клітину, утворює в її мембрані нові пори (канали), через які в клітину проникають інші токсини. Дія цих токсинів обумовлена ​​загибель атакованих клітин і висока смертність при цьому захворюванні. Вченими синтезовано речовину β-циклодекстрин, близьку за просторовою структурою до форми каналу, що утворюється. Ця речовина блокує канали, що утворюються токсином мікроорганізму, запобігає надходженню токсинів у клітини та рятує від загибелі експериментальних тварин, заражених паличкою сибірки.

Потенціалнезалежні натрієві канали

Лігандзалежні натрієві канали.Їхня загальна будова та властивості розглянуті вище при описі лігандзалежних іонних каналів. Цей тип натрієвих каналів широко представлений в організмі натрієвими каналами нікотинчутливого холінорецептора постсинаптичної мембрани нервово-м'язового синапсу, міжнейронних синапсів ЦНС та автономної нервової системи (прегангліонарного та гангліонарного нейронів). Лігандзалежні натрієві канали локалізовані в постсинаптичних мембранах інших збудливих (глутамат-і аспартатергіческіх) синапсів ЦНС. Вони відіграють вирішальну роль у виникненні в синапсах збуджуючого постсинаптичного потенціалу та передачі сигналів між нейронами та між нейронами та ефекторними клітинами.

Лігандзалежні натрієві канали постсинаптичної мембрани не є строго селективними і можуть бути проникні одночасно для кількох іонів: натрію та калію, натрію та кальцію.

Потенціалнезалежні натрієві канали, керовані вторинними посередниками.Стан цих натрієвих каналів може керуватися за допомогою цГМФ (фоторецеітори), цАМФ (нюхові рецептори) та за допомогою субодиниць G-білка (міокард).

Механочутливі натрієві канали.Представлені в механорецепторах стінок судин, серця, порожнистих внутрішніх органів, пропріорсцепторах поперечно-смугастих м'язів, мембрані гладких міоцитів. З їх участю в сенсорних рецепторах здійснюється перетворення енергії механічного впливу на коливання різниці потенціалів - рецепторний потенціал.

Пасивні натрієві канати.Містяться в цитоплазматичних мембранах збудливих клітин. Проникність цих каналів для іонів Na+ невелика, але через них іони Na ​​дифундують по градієнту концентрації з позаклітинних просторів клітини і деполяризують дещо мембрану. Більш суттєво проникні у косовище натрієві канали цитоплазматичної мембрани гладких міоцитів. Вони деполяризують її на більшу величину (потенціал спокою близько 50 мВ), ніж мембрану міоцитів поперечно-смугастої мускулатури (потенціал спокою близько 90 мВ). Таким чином, пасивні натрієві канали беруть участь у формуванні мембранного потенціалу спокою.

Натрієві обмінники.Раніше був описаний натрій-кальцієвий обмінний механізм або натрій-кальцієвий обмінник, який відіграє важливу роль у видаленні іонів кальцію зі скорочувальних кардіоміоцитів.

Натрій-протонний обмінник.Є особливим типом каналоутворюючого білка, який видаляє протони водню з внутрішньоклітинних просторів в обмін на надходження в клітину іонів натрію. Видалення протонів активується при зниженні клітини рН.

Синтез білків, що утворюють натрієві обмінні канали, контролюється п'ятьма генами, які позначаються як NAH1 -NAH5.

Калієві канали

Існують потенціалзалежні та потенційночутливі калієві канали. Серед останніх виділяють пасивні, лігандзалежні та інші типи калієвих каналів. Як правило, калієві канали є в мембранах тих же клітин та тканин, у яких містяться натрієві канали. Однією з причин такого паралелізму в розташуванні цих іонних каналів є те, що іони Na+ та К+ є найважливішими катіонами, від характеру розподілу та переміщення яких залежить виникнення та зміна електричних потенціалів як однієї з найважливіших форм передачі інформаційних сигналів в організмі.

Існує ціла суперсімейство калієвих іонних каналів, які поділяються на особливості структури, місце локалізації та властивості каналів на окремі сімейства, типи та підтипи. Описано більше трьох десятків калієвих каналів, і дати їх докладну характеристику неможливо. Тому як приклади будуть наведені описи тих сімейств і типів іонних каналів, які мають відношення насамперед до сигнальних шляхів та механізмів контролю нервових та м'язових процесів.

Пасивні калієві канали

Відомо, що в стані спокою мембрани збудливих клітин відносно добре проникні для іонів і погано для іонів Na +. Оскільки носіями трансмембранних електричних струмів є іони, вимірюючи електричний струм, що протікає через мембрану клітини, можна судити про стан іонних каналів. Виявилося, що трансмембранний електричний струм, обумовлений дифузією іонів К по градієнту концентрації з клітини, становить близько двох пікомпер і має пульсуючий характер, а середня тривалість пульсації становить кілька мілісекунд. З цього спостереження зроблено висновок, що калієві канали в клітині, що покоїться, можуть спонтанно відкриватися і закриватися, забезпечуючи умови для дифузії через них іонів К з клітини і формування на мембрані потенціалу спокою.

Потенціалзалежні калієві канали

Про існування потенціалзалежних калієвих каналів у мембранах клітин збудливих тканин стало відомо після того, як було встановлено, що їхня кінетика активації відрізняється від такої для потенціалзалежних натрієвих каналів і до того ж вони селективно блокуються іншими блокаторами. Калієві канали активуються так само, як і натрієві, при деполяризації мембрани клітини до критичного рівня, але при цьому швидкість виходу іонів К з клітини наростає значно повільніше, ніж швидкість входу іонів Na + в клітину.

Селективний фільтр калієвого каналу розташовується з внутрішньої сторони гирла пори на відміну зовнішнього розташування подібного фільтра натрієвих каналах (рис. 7). Існування селективності цих каналів стосовно катіонів Na+ і К+ та різних специфічних блокаторів — тетродотоксину (для натрію) та тетраетиламонію (для калію) — свідчить про різну будову цих каналів.

Потенціалзалежні калієві канали є тетрамерами і складаються з чотирьох субдидин, що утворюють пору в центрі.

Потенціалзалежні калієві канали локалізуються в мембранах як збуджуваних, так і незбудливих клітин. Вони відіграють важливу роль у швидкості відновлення (реполяризації) потенціалу на мембрані після її деполяризації і, таким чином, у контролі форми та частоти генерації потенціалів дії. Повільні калієві канали блокуються тстра-етиламмонієм, 4-амінопіридином, фенциклідином, 9-аміноакридином.

Мал. 7. Калієвий канал: а - зліва - двомірна структура а-субодиниці; праворуч - схема каналу; б - електроногра.мма калієвих каналів у цитопламатичній мембрані.

Крім повільних калієвих каналів описані швидкі потенціалзалежні калієві канали, кінетика відкриття яких подібна до такої для швидких потенціалзалежних натрієвих каналів. Ці калієві канали швидко відкриваються при деполяризації, потім повністю інактивуються, а для їхньої реактивації потрібно не просто реполяризувати мембрану, але на деякий час гіперполяризувати її.

Відповідно до назв кодують синтез і складання каналоутворюючих молекул генів виділяють шість KCN типів з підтипами KCN А, В, С, Е і одне сімейство KCNQ іонних каналів. Канали останнього сімейства експресовані у міокарді.

Лігандзалежні калієві канали

Представлені великою кількістю каналів, чутливих до дії різноманітних лігандів.

Одним із типів численних лігандзалежних калієвих каналів є канали, асоційовані з мускаринчутливими ацетилхоліновими рецепторами. Ці канали активуються ацетилхоліном. Канали можуть блокуватися брадикініном та іонами барію. Є два підтипи цих каналів: мускарином, що інактивуються і активуються ним. Останній локалізований у клітинах водія ритму серця.

Властивості лігандзалежного калієвого каналу мають неселективні потенціалнезалежні катіонні канали, що поєднують ознаки каналів і нікотинчутливих ацетил холінових рецепторів постсинаптичної мембрани нервово-м'язового синапсу. При взаємодії білка-каналоутворювача з ацетилхоліном відбувається відкриття цього неселективного каналу, через який іони Na+ входять до м'язової клітини, а іони До з неї виходять. Різна швидкість переміщення цих іонів забезпечує виникнення деполяризації постсинаптичної мембрани, яка не переростає у потенціал дії безпосередньо на цій мембрані.

Виділено АТФ-чутливі калієві канали, які інгібуються та активуються дією АТФ.

Окреме сімейство калієвих каналів складають так звані вхідні випрямляючі калієві канали (вентилі), або вхідні випрямлячі (inwardrectifying; inwardrectifier). У комірному механізмі каліїв, що випрямляють, немає сенсора напруги. Функціональне значення цих каналів полягає в їхньому впливі на збудливість клітин-водіїв ритму, м'язових клітин та нейронів.

Сімейство вхідних калієвих каналів, що випрямляють, відповідно до назвами генів, що їх кодують, підрозділяється більш ніж на 15 типів. Прикладом специфічного значення випрямляючих вхідних калієвих каналів і, зокрема каналів KCNJ 3, 5, 6 і 9 (інше позначення Kir-канали) може бути їх специфічна роль у регуляції частоти серцевих скорочень через асоціацію цих каналів з G-білком і мускаринчутливими ацетилхоліновими - Водіїв ритму серця.

Відомі потенційночутливі активовані натрієм калієві канали.

Описані особливі потенційночутливі калієві канали, чутливі до зміни рН, які є в р-клітинах острівців підшлункової залози і виконують роль сенсора глюкози. Відомі також калієві канали, чутливі до зміни об'єму клітин.

Кальцієві канали

Сімейство кальцієвих каналів широко представлене в клітинах нервової та м'язової тканин. Основними місцями їх локалізації є мембрани пресинаптичних терміналей саркоплазматичного та ендоплазматичного ретикулуму м'язів, сарколеми кардіоміоцитів та мембрани клітин інших тканин.

Кальцієві канали за способами управління проникністю поділяють на потенціалзалежні, пасивні, лігандзалежні, механочутливі та ін.

Кальцієві канали поділяють за швидкістю інактивації на канали Т-типу ( transient- швидкоплинний), L-типу (повільні). Залежно від тканинної приналежності та чутливості до дії токсинів виділяють канали В-типу (brain)- Мозок), N-типу (Neuronal- нейрональний), Р-типу (purkinjecell- Клітина Пуркіньє) і R-типу (резистентний до дії токсинів).

Потенціалзалежні кальцієві канали

Вони формуються олігомерним білком, що зазвичай складається з п'яти субодиниць а1, а2, β, у і δ. Власне іонний канал формує а-субодиниця, що має великий ступінь подібності амінокислотного складу та структури з аналогічною субодиницею потенціалзалежних натрієвих і калієвих каналів (див. рис. 6, рис. 7).

Потенціалзалежний кальцієвий канал має селективну проникність для іонів Са 2+ . Селективність забезпечується наявністю пори, що формує селективний фільтр.

Часутворена сегментами а 1 -субодиниці, тому, враховуючи подібність се будови з такою для каналів одновалентних катіонів, слід було б очікувати, що кальцієвий канал повинен бути проникним для іонів Na + і К +. Така його властивість дійсно має місце при усуненні кальцію із позаклітинного середовища.

У природних умовах селективність по відношенню до кальцію забезпечується в каналі наявністю в порі каналу двох місць зв'язування кальцію. Одне з них утворено групою залишків глутамату, і при низькій концентрації кальцію він виявляється сильно пов'язаним із цим місцем пори каналу і канал для кальцію стає проникним. При підвищенні концентрації кальцію зростає можливість заняття кальцієм другого місця зв'язування; сили електростатичного відштовхування, що виникають при цьому, між іонами Са 2+ сильно скорочують час перебування іонів на місцях зв'язування. кальцій, Що Вивільняється, дифундує через активований канал в клітину по електрохімічному градієнту.

Потенціалзалежні кальцієві канали відрізняються пороговими значеннями зрушень різниці потенціалів, при яких вони активуються. Канали Т-типу активуються малими зрушеннями напруги на мембрані, L-і Р-типів характеризуються високими порогами зрушень напругами, що викликають їхню активацію.

Потенціалзалежні кальцієві канали відіграють важливу роль у здійсненні низки життєво важливих процесів в організмі. Їх активація та надходження кальцію в пресинаптичну терміналь є необхідними для здійснення синаптичної передачі сигналів.

Вхід кальцію через кальцієві канали до пейсмекерної клітини необхідний для генерації потенціалів дії в клітинах водіях ритму серця та забезпечення його ритмічного скорочення. Потенціалзалежні кальцієві канали регулюють надходження кальцію в саркоплазму волокон міокарда, скелетної мускулатури, гладких міоцитів судин і внутрішніх органів, контролюючи ініціювання, швидкість, силу, тривалість їх скорочення і тим самим рухи, насосну функцію серця, артеріальний тиск крові. організм.

Пасивні кальцієві канали

Є у цитоплазматичних мембранах гладких міоцитів. Вони проникні для кальцію у стані спокою, і кальцій поряд з іонами К+ та Na+ бере участь у створенні трансмембранної різниці потенціалів або потенціалу спокою гладких міоцитів. Кальцій, що надходить цими каналами в гладкий міоцит, є джерелом поповнення його запасів в ендоплазматичному ретикулумі, використовується як вторинний посередник при передачі внутрішньоклітинних сигналів.

Кальцій може спокою може переміщатися з клітини в клітину через канали щілинних контактів. Ці канали не є селективними для кальцію і через них може одночасно здійснюватися міжклітинний обмін іншими іонами та органічними речовинами невеликої молекулярної маси. Кальцій, що надходить до клітин через канали щілинних контактів, відіграє важливу роль у виникненні збудження, ініціювання та синхронізації скорочень міокарда, матки, сфінктерів внутрішніх органів, підтримці тонусу судин.

Лігандзалежні кальцієві канали

При вивченні механізмів запуску та регуляції скорочень міокарда та гладких м'язів виявилося, що вони залежать від надходження до міоциту кальцію як із позаклітинного середовища, так і з його внутрішньоклітинних сховищ. При цьому надходження кальцію в саркоплазму може контролюватись зміною різниці потенціалів на сарколеммі та активацією потенціалзалежних кальцієвих каналів та (або) дією на мембрану саркоплазматичного ретикулуму ряду сигнальних молекул.

Лігандзалежні кальцієві канали локалізовані у цитоплазматичних мембранах гладких міоцитів. Лігандами їх рецепторів можуть бути гормони: вазопресин, окситоцин, адреналін; нейромедіатор норадреналіну; сигнальні молекули: ангіотензин 2, ендотелії 1 та інші речовини. Зв'язування ліганду з рецептором супроводжується активацією кальцієвого каналу та входом кальцію в клітину із позаклітинного середовища.

У кардіоміоцитах для ініціації м'язового скорочення необхідно спочатку активувати потенціалзалежні кальцієві канали Т-типу, потім L-типу, відкриття яких забезпечує надходження до клітини деякої кількості іонів Са 2+ . Кальцій, що увійшов до клітини, активує ріанодиновий рецептор (RYR) каналоутворюючого білка, вмонтованого в мембрані саркоплазматичного ретикулуму кардіоміоциту. В результаті активації каналу його проникність для кальцію зростає і останній за градієнтом концентрації дифундує в саркоплазму. Таким чином, іони Са 2+ виступають як своєрідні ліганди, що активують ріанодинові рецептори і тим самим кальцієві канали. В результаті позаклітинний кальцій, що входить в клітину, виконує роль тригера для виділення кальцію з його основного внутрішньоклітинного сховища.

Кальцієві канали можуть одночасно виявляти чутливість до змін різниці потенціалів на цитоплазматичній мембрані та до дії лігандів. Наприклад, L-тип потенціалзалежних кальцієвих каналів чутливий до дигідропіридину (ніфедипіну), фенілалкіламінів (верапамілу) і бензотіазепінів (дилтіазему). Цей тип каналів часто називають дигідропіридиновими рецепторами. Ця назва передбачає, що L-кальцієвий канал є лігандзалежним, хоча насправді він потенціалзалежний канал.

Р-тип каналів є стійким до дії коногоксинів та ліків, до яких чутливі інші типи кальцієвих каналів.

Функціональні властивості а1-субодиниць потенціалзалежних кальцієвих каналів можуть модулюватися при їх фосфорилюванні, і таким чином може регулюватися стан іонної проникності кальцієвих каналів, наприклад, в міокарді.

Особливим типом лігандзалежних іонних кальцієвих каналів є канали, локалізовані в мембранах ендоплазматичного ретикулуму гладком'язової клітини, стан проникності яких контролюється внутрішньоклітинним рівнем вторинного посередника - ІФЗ. На прикладі цих каналів ми зустрічаємося з випадком, коли позаклітинна сигнальна молекула-агоніст, активуючи рецептор плазматичної мембрани гладком'язової клітини-мішені, включає інозитолфосфатний шлях внутрішньоклітинної передачі сигналу, який у свою чергу через дію ІФЗ виходить на активацію наступного каналоутворюючого білка. Весь цей ланцюжок подій передачі сигналу завершується виходом із внутрішньоклітинних депо іонів Са 2+ , що запускають і контролюють молекулярний механізм скорочення гладком'язової клітини.

Механочутливі кальцієві канали

Локалізуються в плазматичній мембрані гладких міоцитів стінки судин, міоіїтів внутрішніх органів, ендотелію судин, епітелію бронхів. Ці канали можуть бути асоційовані з глікопротеїновими механорецепторами. У відповідь на механічну дію (наприклад, розтягнення стінки судини тиском крові) підвищується проникність іонів Са 2+ . Механочутливі канали не мають високої селективності і змінюють їх проникність одночасно для низки катіонів. Надходження в гладком'язову клітину кальцію та натрію викликає деполяризацію її мембрани, відкриття потенціалзалежних кальцієвих каналів, збільшення входу кальцію та скорочення гладкого міоциту.

Ці події становлять частину механізму пристосування тонусу судин і регуляції кровотоку до величин тиску крові, що змінюються в судині і швидкості кровотоку (міогенна регуляція). Крім того, механочутливі кальцієві канали беруть участь у реалізації механізмів стрес-релаксації судин за тривалого підвищення тиску крові.

Хлорні канали

Хлорні канали є у плазматичних мембранах більшості клітин. Вони відіграють важливу роль у підтримці в клітці, що покоїться, трансмембранної різниці потенціалів і їх зрушеннях при зміні функціональної активності клітин. Хлорні канали беруть участь у регуляції об'єму клітин, трансепітеліального перенесення речовин, секреції рідини секреторними клітинами.

Відповідно до механізмів активації виділяють три суперсемейсгва хлорних каналів: потенціалзалежні, лігандзалежні та інші потенційночутливі хлорні канали.

Потенціал – залежні хлорні канали.Локалізуються в мембранах збудливих та епітеліальних клітин. Стан проникності цих каналів управляється величиною трансмембранної різниці потенціалів.

Потенціал залежна проникність хлорних каналів неоднакова у різних тканинах. Так, у мембрані аксонів залежність проникності хлорних каналів від різниці потенціалів незначна і істотно не впливає на зміну величини потенціалу дії при збудженні, а в кістякових м'язах ця залежність проникності хлорних каналів вища.

Канал CLC1 є типовим представником хлорних каналів сарколеми м'язового волокна кістякового м'яза. Канал виявляє проникність у всьому діапазоні змін трансмембранних напрузі у стані спокою, активується при деполяризації та інактивується при гіперполяризації мембрани.

Лігандзалежні хлорні канали.Переважно експресуються у нервовій тканині. Стан проникності цих каналів для хлору управляється насамперед позаклітинними лігандами, але вони можуть бути чутливими до концентрації кальцію всередині клітини, активуватись G-білками та цАМФ. Канали цього типу широко поширені в пост-синаптичних мембранах і використовуються для здійснення постсинаптичного гальмування. Управління станом проникності каналу здійснюється шляхом активації каналів лігандами - гальмівними нейромедіаторами (у-аміномасляною кислотою та гліцином).

Потенційнонечутливі хлорні канали.Включають пасивні хлорні канали, АТФ-чутливі канали та трансмембранний регулятор провідності інтерстиціального фіброзу. (cysticfibrosistransmembraneconductanceregulator- CFTR).

CFTR, мабуть, складається з власне хлорного каналу та каналу-регулятора, представленого спеціальним регуляторним доменом (Р-доменом). Регуляція іонної провідності цих каналів здійснюється шляхом фосфорилювання регуляторного домену цАМФ-залежною протеїнкіназою. Порушення структури та функції цього каналу веде до розвитку тяжкого захворювання, що супроводжується порушенням функції багатьох тканин – інтерстиціального фіброзу.

Аквапорини

Аквапорини(Від лат. aqua- Вода, грец. porus- канал, пора) - білки, що утворюють водні канали і забезпечують трансмембранне перенесення води. Аквапорини представлені інтегральними тетрамерними білками мембран, мономер яких має масу близько 30 кДа. Таким чином, кожен аквапорин формує чотири водні канали (рис. 8).

Особливістю цих каналів і те, що водні молекули у яких можуть переміщатися в изоосмотических умовах, тобто. коли ними діють сили осмотичного градієнта. Для позначення аквапоринів використовується скорочення AQP. Виділено та описано ряд типів аквапоринів: AQP1 — у мембранах епітелію проксимальних ниркових канальців, низхідному відділі петлі Генле; у мембранах ендотелію та гладких міоцитів кровоносних судин, у структурах склоподібного тіла; AQP2 – у мембранах епітелію збірних трубок. Цей аквапорин виявився чутливим до дії антидіуретичного гормону, і на цій підставі його можна розглядати як лігандзалежний водний канал. Експресія гена, який контролює синтез цього аквапорину, регулюється антидіуретичним гормоном; AQP3 виявлено в мембранах клітин рогівки ока; AQP4 - у клітинах мозку.

Мал. 8. Структура водного каналу AQP1: а - пептидні ланцюги, що формують канал; б - канал у зібраному вигляді: A, В, С, D, Е - ділянки білкового ланцюга

Виявилося, що AQP1 та AQP4 відіграють важливу роль в утворенні та циркуляції цереброспінальної рідини. Аквапорини містяться в епітелії шлунково-кишкового тракту: AQP4 - у шлунку та тонкій кишці; AQP5 - у слинних залозах; AQP6 - у тонкій кишці та підшлунковій залозі; AQP7 - у тонкій кишці; AQP8, AQP9 – у печінці. Частина аквапоринів транспортує як молекули води, а й розчинні у ній речовини органічної природи (кисень, гліцерин, сечовина). Таким чином, аквапорини грають в організмі важливу роль в обміні води та порушення їх функції може бути однією з причин формування набряків мозку, легенів та розвитку ниркової та серцевої недостатності.

Знання механізмів транспорту іонів через мембрани та способів впливу на цей транспорт є неодмінною умовою не тільки для розуміння механізмів регуляції життєвих функцій, але і для правильного вибору лікарських препаратів при лікуванні великої кількості захворювань (гіпертонічної хвороби, бронхіальної астми, серцевих аритмій, порушень водно-сольового). обміну та ін).

Для розуміння механізмів регуляції фізіологічних процесів в організмі необхідне знання не тільки структури та проникності клітинних мембран для різних речовин, але й структури та проникності більш складних структурних утворень, що знаходяться між кров'ю та тканинами різних органів.

Вгору

		1 абсолютно незгодний	2 незгодний	3 не знаю	4 згоден	5 цілком згоден
	Це заняття розвило мої навички щодо вирішення проблем.
	Для успішного проходження цього заняття від мене була потрібна тільки хороша пам'ять.
	Це заняття розвило моє вміння працювати у команді.
	Це заняття покращило мої аналітичні здібності.
	Це заняття покращило мої навички викладу письмового матеріалу.
	На занятті потрібно глибоке розуміння матеріалу.