Мембранные белки как ионные каналы. Селективные и неселективные каналы

Ионные каналы представлены интегральными белками мембраны. Эти белки способны, при определенных воздействиях, изменять свою конформацию (форму и свойства) таким образом, что пора, через которую может пройти какой-либо ион открывается или закрывается. Известны натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные каналы, иногда канал может пропускать два иона, например известны натрий – кальциевые каналы. Через ионные каналы осуществляется только пассивный транспорт ионов. Это значит, что для перемещения иона необходим не только открытый канал, но и градиент концентрации для этого иона. В этом случае, будет движение иона по градиенту концентрации – из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Необходимо помнить, что мы говорим об ионах – заряженных частицах, транспорт которых обусловлен еще и зарядом. Возможны ситуации, когда движение по градиенту концентрации может быть направлено в одну сторону, а существующие заряды противодействуют этому переносу.

Ионные каналы обладают двумя важнейшими свойствами: 1) избирательностью (селективностью) по отношению к определенным ионам и 2) способностью открываться (активироваться) и закрываться . При активации канал открывается и пропускает ионы (рис. 8). Таким образом, в комплекс интегральных белков, формирующих канал, должны обязательно входить два элемента: структуры, распознающие «свой» ион и способные его пропустить, и структуры, которые позволяют узнать – когда пропускать этот ион. Селективность канала определяется теми белками, которые его образуют, «свой» ион распознается по размерам и заряду.

Активация каналов возможна несколькими путями. Во-первых, каналы могут открываться и закрываться при изменении потенциала мембраны. Изменение заряда приводит к изменению конформации белковых молекул, и канал становится проницаемым для иона. Для изменения свойств канала достаточно ничтожного колебания потенциала мембраны. Такие каналы называются потенциал-зависимые (или электроуправляемые). Во-вторых, каналы могут быть частью сложного белкового комплекса, который называется мембранный рецептор. В этом случае изменение свойств канала обусловлено конформационнй перестройкой белков, которая происходит в результате взаимодействия рецептора с биологически активным веществом (гормоном, медиатором). Такие каналы называются хемозависимые (или рецептор-управляемые) . Кроме того, каналы могут открываться при механическом воздействии – давлении, растяжении (рис.9). Механизм, который обеспечивает активацию, называется воротами канала. По скорости, с которой открываются и закрываются каналы их можно разделить на быстрые и медленные.

Большинство каналов (калиевые, кальциевые, хлорные) могут находиться в двух состояниях: открытом и закрытом. В работе натриевых каналов есть некоторые особенности. Этим каналам, как и калиевым, кальциевым, хлорным свойственно находиться или в открытом, или в закрытом состоянии, однако, натриевый канал может быть и инактивирован, этот состояние, в котором канал закрыт и не может быть открыт никаким воздействием (рис.10).

Рисунок 8. Состояния ионных каналов

Рисунок 9. Пример работы рецептор-управляемого канала. АЦХ – ацетилхолин. Взаимодействие молекулы АЦХ с мембранным рецептором изменяет конформацию воротного белка таким образом, что канал начинает пропускать ионы .

Рисунок 10 Пример потенциал-зависимого канала

В потенциал-зависимом натриевом канале имеются активационные и инактивационные ворота (заслонки). Активационные и инактивационные заслонки меняют конформацию при различном мембранном потенциале.

При рассмотрении механизмов возбуждения нас будет интересовать в основном работа натриевых и калиевых каналов, однако, остановимся коротко на особенностях кальциевых каналов, они нам понадобятся в дальнейшем. Натриевые и кальциевые каналы отличаются по своим свойствам. Натриевые каналы бывают быстрые и медленные, а кальциевые – только медленные. Активация натриевых каналов приводит только к деполяризации и возникновению или ЛО, или ПД, активация кальциевых может дополнительно вызвать метаболические изменения в клетке. Эти изменения обусловлены тем, что кальций связывается со специальными, чувствительными к этому иону белками. Связанный с кальцием белок изменяет свойства таким образом, что становится способен изменить свойства других белков, например, активировать ферменты, запустить сокращение мышцы, выделение медиаторов.

Согласно современным представлениям, биологические мембраны образуют наружную оболочку всех животных клеток и формируют многочисленные внутриклеточные органеллы. Наиболее характерным структурным признаком является то, что мембраны всегда образуют замкнутые пространства, и такая микроструктурная организация мембран позволяет им выполнять важнейшие функции.

Строение и функции клеточных мембран.

1. Барьерная функция выражается в том, что мембрана при помощи соответствующих механизмов участвует в создании концентрационных градиентов, препятствуя свободной диффузии. При этом мембрана принимает участие в механизмах электрогенеза. К ним относятся механизмы создания потенциала покоя, генерация потенциала действия, механизмы распространения биоэлектрических импульсов по однородной и неоднородной возбудимым структурам.

2. Регуляторная функция клеточной мембраны заключается в тонкой регуляции внутриклеточного содержимого и внутриклеточных реакций за счет рецепции внеклеточных биологически активных веществ, что приводит к изменению активности ферментных систем мембраны и запуску механизмов вторичных «месенджеров» («посредников»).

3. Преобразование внешних стимулов неэлектрической природы в электрические сигналы (в рецепторах).

4. Высвобождение нейромедиаторов в синаптических окончаниях.

Современными методами электронной микроскопии была определена толщина клеточных мембран (6-12 нм). Химический анализ показал, что мембраны в основном состоят из липидов и белков, количество которых неодинаково у разных типов клеток. Сложность изучения молекулярных механизмов функционирования клеточных мембран обусловлена тем, что при выделении и очистке клеточных мембран нарушается их нормальное функционирование. В настоящее время можно говорить о нескольких видах моделей клеточной мембраны, среди которых наибольшее распространение получила жидкостно-мозаичная модель.

Согласно этой модели, мембрана представлена бислоем фосфолипидных молекул, ориентированных таким образом, что гидрофобные концы молекул находятся внутри бислоя, а гидрофильные направлены в водную фазу. Такая структура идеально подходит для образования раздела двух фаз: вне- и внутриклеточной.

В фосфолипидном бислое интегрированы глобулярные белки, полярные участки которых образуют гидрофильную поверхность в водной фазе. Эти интегрированные белки выполняют различные функции, в том числе рецепторную, ферментативную, образуют ионные каналы, являются мембранными насосами и переносчиками ионов и молекул.

Некоторые белковые молекулы свободно диффундируют в плоскости липидного слоя; в обычном состоянии части белковых молекул, выходящие по разные стороны клеточной мембраны, не изменяют своего положения.

Электрические характеристики мембран:

Емкостные свойства в основном определяются фосфолипидным бислоем, который непроницаем для гидратированных ионов и в то же время достаточно тонок (около 5 нм), чтобы обеспечивать эффективное разделение и накопление зарядов и электростатическое взаимодействие катионов и анионов. Кроме того, емкостные свойства клеточных мембран являются одной из причин, определяющих временные характеристики электрических процессов, протекающихщих на клеточных мембранах.

Проводимость (g) - величина, обратная электрическому сопротивлению и равная отношению величины общего трансмембранного тока для данного иона к величине, обусловившей его трансмембранной разности потенциалов.

Через фосфолипидный бислой могут диффундировать различные вещества, причем степень проницаемости (Р), т. е. способность клеточной мембраны пропускать эти вещества, зависит от разности концентраций диффундирующего вещества по обе стороны мембраны, его растворимости в липидах и свойств клеточной мембраны.

Проводимость мембраны является мерой ее ионной проницаемости. Увеличение проводимости свидетельствует об увеличении количества ионов, проходящих через мембрану.

Строение и функции ионных каналов . Ионы Na+, K+, Са2+, Сl- проникают внутрь клетки и выходят наружу через специальные, заполненные жидкостью каналы. Размер каналов довольно мал.

Все ионные каналы подразделяются на следующие группы:

1. По избирательности:

a) Селективные, т.е. специфические. Эти каналы проницаемы для строго определенных ионов.

b) Малоселективные, неспецифические, не имеющие определенной ионной избирательности. Их в мембране небольшое количество.

1. По характеру пропускаемых ионов:

a) калиевые

b) натриевые

c) кальцевые

d) хлорные

1. По скорости инактивации, т.е. закрывания:

a) быстроинактивирующиеся, т.е. быстро переходящие в закрытое состояние. Они обеспечивают быстро нарастающее снижение МП и такое же быстрое восстановление.

b) медленноинактирующиеся. Их открывание вызывает медленное снижение МП и медленное его восстановление.

4. По механизмам открывания:

a) потенциалзависимые, т.е. те которые открываются при определенном уровне потенциала мембраны.

b) хемозависимые, открывающиеся при воздействии на хеморецепторы мембраны клетки физиологически активных веществ (нейромедиаторов, гормонов и т. д).

В настоящее время установлено, что ионные каналы имеют следующее строение:

1.Селективный фильтр, расположенный в устье канала. Он обеспечивает прохождение через канал строго определенных ионов.

2.Активационные ворота, которые открываются при определенном уровне мембранного потенциала или действии соответствующего ФАВ. Активационные ворота потенциалзависимых каналов имеется сенсор, который открывает их на определенном уровне МП.

3.Инактивационные ворота, обеспечивающие закрывание канала и прекращение проведения ионов по каналу на определенном уровне МП.(Рис).

Неспецифические ионные каналы не имеют ворот.

Селективные ионные каналы могут находиться в трех состояниях, которые определяются положением активационных (м) и инактивационных (h) ворот:

1.Закрытом, когда активационные закрыты, а инактивационные открыты.

2.Активированном, и те и другие ворота открыты.

3.Инактивированном, активационные ворота открыты, а инактивационные закрыты

Функции ионных каналов:

1. Калиевый (в покое) – генерация потенциала покоя

2. Натриевый – генерация потенциала действия

3. Кальциевый - генерация медленных действий

4. Калиевый (задержанное выпрямление) – обеспечение реполяризации

5. Калиевый кальций-активируемый – ограничение деполяризации, обусловленной током Са+2

Функцию ионных каналов изучают различными способами. Наиболее распространенным является метод фиксации напряжения, или «voltage-clamp». Сущность метода заключается в том, что с помощью специальных электронных систем в процессе опыта изменяют и фиксируют на определенном уровне мембранный потенциал. При этом измеряют величину ионного тока, протекающего через мембрану. Если разность потенциалов постоянна, то в соответствии с законом Ома величина тока пропорциональна проводимости ионных каналов. В ответ на ступенчатую деполяризацию открываются те или иные каналы, соответствующие ионы входят в клетку по электрохимическому градиенту, т. е. возникает ионный ток, который деполяризует клетку. Это изменение регистрируется с помощью управляющего усилителя и через мембрану пропускается электрический ток, равный по величине, но противоположный по направлению мембранному ионному току. При этом трансмембранная разность потенциалов не изменяется.

Изучение функции отдельных каналов возможно методом локальной фиксации потенциала «path-clamp». Стеклянный микроэлектрод (микропипетка) заполняют солевым раствором, прижимают к поверхности мембраны и создают небольшое разрежение. При этом часть мембраны подсасывается к микроэлектроду. Если в зоне присасывания оказывается ионный канал, то регистрируют активность одиночного канала. Система раздражения и регистрации активности канала мало отличается от системы фиксации напряжения.

Ток через одиночный ионный канал имеет прямоугольную форму и одинаков по амплитуде для каналов различных типов. Длительность пребывания канала в открытом состоянии имеет вероятностный характер, но зависит от величины мембранного потенциала. Суммарный ионный ток определяется вероятностью нахождения в открытом состоянии в каждый конкретный период времени определенного числа каналов.

Наружная часть канала сравнительно доступна для изучения, исследование внутренней части представляет значительные трудности. П. Г. Костюком был разработан метод внутриклеточного диализа, который позволяет изучать функцию входных и выходных структур ионных каналов без применения микроэлектродов. Оказалось, что часть ионного канала, открытая во внеклеточное пространство, по своим функциональным свойствам отличается от части канала, обращенной во внутриклеточную среду.

Именно ионные каналы обеспечивают два важных свойства мембраны: селективность и проводимость.

Селективность, или избирательность, канала обеспечивается его особой белковой структурой. Большинство каналов являются электроуправляемыми, т. е. их способность проводить ионы зависит от величины мембранного потенциала. Канал неоднороден по своим функциональным характеристикам, особенно это касается белковых структур, находящихся у входа в канал и у его выхода (так называемые воротные механизмы).

Рассмотрим принцип работы ионных каналов на примере натриевого канала. Полагают, что в состоянии покоя натриевый канал закрыт. При деполяризации клеточной мембраны до определенного уровня происходит открытие m-активационных ворот (активация) и усиление поступления ионов Na+ внутрь клетки. Через несколько миллисекунд после открытия m-ворот происходит закрытие h-ворот, расположенных у выхода натриевых каналов (инактивация). Инактивация развивается в клеточной мембране очень быстро и степень инактивации зависит от величины и времени действия деполяризующего стимула.

При генерации одиночного потенциала действия в толстом нервном волокне изменение концентрации ионов Na+ во внутренней среде составляет всего 1/100000 от внутреннего содержания ионов Na гигантского аксона кальмара.

Кроме натриевых, в клеточных мембранах установлены другие виды каналов, избирательно проницаемых для отдельных ионов: К+, Са2+, причем существуют разновидности каналов для этих ионов.

Ходжкин и Хаксли сформулировали принцип «независимости» каналов, согласно которому потоки натрия и калия через мембрану независимы друг от друга.

Свойство проводимости различных каналов неодинаково. В частности, для калиевых каналов процесс инактивации, как для натриевых каналов, не существует. Имеются особые калиевые каналы, активирующиеся при повышении внутриклеточной концентрации кальция и деполяризации клеточной мембраны. Активация калий-кальцийзависимых каналов ускоряет реполяризацию, тем самым восстанавливая исходное значение потенциала покоя.

Особый интерес представляют кальциевые каналы. Входящий кальциевый ток, как правило, недостаточно велик, чтобы нормально деполяризовать клеточную мембрану. Чаще всего поступающий в клетку кальций выступает в роли «мессенджера», или вторичного посредника. Активация кальциевых каналов обеспечивается деполяризацией клеточной мембраны, например входящим натриевым током.

Процесс инактивации кальциевых каналов достаточно сложен. С одной стороны, повышение внутриклеточной концентрации свободного кальция приводит к инактивации кальциевых каналов. С другой стороны, белки цитоплазмы клеток связывают кальций, что позволяет поддерживать длительное время стабильную величину кальциевого тока, хотя и на низком уровне; при этом натриевый ток полностью подавляется. Кальциевые каналы играют существенную роль в клетках сердца. Электрогенез кардиомиоцитов рассматривается в главе 7. Электрофизиологические характеристики клеточных мембран исследуют с помощью специальных методов.

Все каналы, имеющиеся в живых тканях, а сейчас мы знаем несколько сотен разновидностей каналов, можно разделить на два основных типа. Первый тип – это каналы покоя, которые спонтанно открываются и закрываются без всяких внешних воздействий. Они важны для генерации мембранного потенциала покоя. Второй тип - это так называемые gate-каналы, или воротные каналы (от слова «ворота»). В покое эти каналы закрыты и могут открываться под действием тех или иных раздражителей. Некоторые разновидности таких каналов принимают участие в генерации потенциалов действия.

Большинство ионных каналов характеризуются избирательностью (селективностью), то есть через определенный вид каналов проходят только определенные ионы. По этому признаку различают натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные каналы. Селективность каналов определяется размерами поры, размерами иона и его гидратной оболочки, зарядом иона, а также зарядом внутренней поверхности канала. Однако встречаются и неселективные каналы, которые могут пропускать сразу два вида ионов: например, калий и натрий. Есть каналы, через которые могут проходить все ионы и даже более крупные молекулы.

Существует классификация ионных каналов по способу активации (рис. 9). Некоторые каналы специфически отвечают на физические изменения в клеточной мембране нейрона. Наиболее яркими представителями этой группы являются потенциал-активируемые каналы . Примерами могут служить чувствительные к потенциалу на мембране натриевые, калиевые, кальциевые ионные каналы, которые отвечают за формирование потенциала действия. Эти каналы открываются при определенном потенциале на мембране. Так, натриевые и калиевые каналы открываются при потенциале около -60 мВ (внутренняя поверхность мембраны заряжена отрицательно по сравнению с наружной поверхностью). Кальциевые каналы открываются при потенциале -30 мВ. К группе каналов, активирующихся физическими изменениями, относятся

Рис 9. Способы активации ионных каналов

(А) Ионные каналы, активируемые изменением мембранного потенциала или растяжением мембраны. (Б) Ионные каналы, активируемые химическими агентами (лигандами) с внеклеточной, либо с внутриклеточной стороны.

также механо-чувствительные каналы , которые отвечают на механические воздействия (растяжение или деформация клеточной мембраны). Ионные каналы другой группы открываются тогда, когда химические вещества активируют специальные рецепторные связывающие центры на молекуле канала. Такие лиганд-активируемые каналы подразделяются на две подгруппы, в зависимости от того, являются ли их рецепторные центры внутриклеточными или внеклеточными. Лиганд-активируемые каналы, отвечающие на внеклеточные стимулы, также называют ионотропными рецепторами. Такие каналы чувствительны к медиаторам и принимают самое непосредственное участие в передаче информации в синаптических структурах. К лиганд-активируемым каналам, активирующимся с цитоплазматической стороны, относятся каналы, чувствительные к изменениям концентрации специфических ионов. Например, кальций-активируемые калиевые каналы активируются локальным повышением концентрации внутриклеточного кальция. Такие каналы играют важную роль в реполяризации клеточной мембраны во время завершения потенциала действия. Помимо ионов кальция, типичными представителями внутриклеточных лигандов являются циклические нуклеотиды. Циклический ГМФ, например, отвечает за активацию натриевых каналов в палочках сетчатки. Такой тип канала играет принципиальную роль в работе зрительного анализатора. Отдельным видом модуляции работы канала путем связывания внутриклеточного лиганда является фосфорилирование/дефосфорилирование определенных участков его белковой молекулы под действием внутриклеточных ферментов – протеинкиназ и протеинфосфатаз.

Представленная классификация каналов по способу активации в значительной степени условна. Некоторые ионные каналы могут активироваться только при нескольких воздействиях. Например, кальций-активируемые калиевые каналы чувствительны также к изменению потенциала, а некоторые потенциал-активируемые ионные каналы чувствительны к внутриклеточным лигандам.

Модель возбудимой мембраны по теории Ходжкина-Хаксли предполагает регулируемый перенос ионов через мембрану. Однако непосредственный переход иона через липидный бислой весьма затруднен, а следовательно, был бы мал и поток ионов.

Это и ряд других соображений дали основание считать, что в мембране должны быть некоторые специальные структуры - проводящие ионы. Такие структуры были найдены и названы ионными каналами. Подобные каналы выделены из различных объектов: плазматической мембраны клеток, постсинаптической мембраны мышечных клеток и других объектов. Известны также ионные каналы, образованные антибиотиками.

Основные свойства ионных каналов:

1) селективность;

2) независимость работы отдельных каналов;

3) дискретный характер проводимости;

4) зависимость параметров каналов от мембранного потенциала.

Рассмотрим их по порядку.

1. Селективностью называют способность ионных каналов избирательно пропускать ионы какого-либо одного типа.

Еще в первых опытах на аксоне кальмара было обнаружено, что ионы Na+ и Кт по-разному влияют на мембранный потенциал. Ионы К+ меняют потенциал покоя, а ионы Na+ - потенциал действия. В модели Ходжкина-Хаксли это описывается путем введения независимых калиевых и натриевых ионных каналов. Предполагалось, что первые пропускают только ионы К+, а вторые - только ионы Na+.

Измерения показали, что ионные каналы обладают абсолютной селективностью по отношению к катионам (катион-селективные каналы) либо к анионам (анион-селективные каналы). В то же время через катион-селективные каналы способны проходить различные катионы различных химических элементов, но проводимость мембраны для неосновного иона, а значит, и ток через нее, будет существенно ниже, например, для Na + -кaнала калиевый ток через него будет в 20 раз меньше. Способность ионного канала пропускать различные ионы называется относительной селективностью и характеризуется рядом селективности - соотношением проводимостей канала для разных ионов, взятых при одной концентрации. При этом для основного иона селективность принимают за 1. Например, для Na+-канала этот ряд имеет вид:

Na + : К + = 1: 0,05.

2. Независимость работы отдельных каналов. Прохождение тока через отдельный ионный канал не зависит от того, идет ли ток через другие каналы. Например, К + -каналы могут быть включены или выключены, но ток через Nа + -каналы не меняется. Влияние каналов друг на друга происходит опосредованно: изменение проницаемостей каких-либо каналов (например, натриевых) меняет мембранный потенциал, а уже он влияет на проводимости прочих ионных каналов.

3. Дискретный характер проводимости ионных каналов. Ионные каналы представляют собой субъединичный комплекс белков, пронизывающий мембрану. В центре его существует трубка, сквозь которую могут проходить ионы. Количество ионных каналов на 1 мкм 2 поверхности мембраны определяли с помощью радиоактивно меченного блокатора натриевых каналов - тетродотоксина. Известно, что одна молекула ТТХ связывается только с одним каналом. Тогда измерение радиоактивности образца с известной площадью позволило показать, что на 1 мкм 2 аксона кальмара находится около 500 натриевых каналов.

Те трансмембранные токи, которые измеряют в обычных экспериментах, например, на аксоне кальмара длиной 1 см и диаметром 1 мм, то есть площадью 3*10 7 мкм 2 , обусловлены суммарным ответом (изменением проводимости) 500 3 10 7 -10 10 ионных каналов. Для такого ответа характерно плавное во времени изменение проводимости. Ответ одиночного ионного канала меняется во времени принципиально иным образом: дискретно и для Nа+-каналов, и для К+- , и для Са 2+ -каналов.

Впервые это было обнаружено в 1962 г. в исследованиях проводимости бислойных липидных мембран (БЛМ) при добавлении в раствор, омывающий мембрану, микроколичеств некоторого вещества, индуцировавшего возбуждение. На БЛМ подавали постоянное напряжение и регистрировали ток I(t). Запись тока во времени имела вид скачков между двумя проводящими состояниями.

Одним из эффективных методов экспериментального исследования ионных каналов стал разработанный в 80-е годы метод локальной фиксации потенциала мембраны ("Patch Clamp"), (рис. 10).

Рис. 10. Метод локальной фиксации потенциала мембраны. МЭ - микроэлектрод, ИК - ионный канал, М - мембрана клетки, СФП - схема фиксации потенциала, I - ток одиночного канала

Суть метода заключается в том, что микроэлектрод МЭ (рис. 10) тонким концом, имеющим диаметр 0,5-1 мкм, присасывается к мембране таким образом, чтобы в его внутренний диаметр попал ионный канал. Тогда, используя схему фиксации потенциала, можно измерять токи, которые проходят только через одиночный канал мембраны, а не через все каналы одновременно, как это происходит при использовании стандартного метода фиксации потенциала.

Результаты экспериментов, выполненных на различных ионных каналах, показали, что проводимость ионного канала дискретна и он может находиться в двух состояниях: открытом или закрытом. Переходы между состояниями происходят в случайные моменты времени и подчиняются статистическим закономерностям. Нельзя сказать, что данный ионный канал откроется именно в этот момент времени. Можно лишь сделать утверждение о вероятности открывания канала в определенном интервале времени.

4. Зависимость параметров канала от мембранного потенциала. Ионные каналы нервных волокон чувствительны к мембранному потенциалу, например натриевый и калиевый каналы аксона кальмара. Это проявляется в том, что после начала деполяризации мембраны соответствующие токи начинают изменяться с той или иной кинетикой. Этот процесс происходит следующим образом: Ион-селективный канал имеет сенсор - некоторый элемент своей конструкции, чувствительный к действию электрического поля (рис. 11). При изменении мембранного потенциала меняется величина действующей на него силы, в результате эта часть ионного канала перемещается и меняет вероятность открывания или закрывания ворот - своеобразных заслонок, действующих по закону "все или ничего". Экспериментально показано, что под действием деполяризации мембраны увеличивается вероятность перехода натриевого канала в проводящее состояние. Скачок напряжения на мембране, создаваемый при измерениях методом фиксации потенциала, приводит к тому, что большое число каналов открывается. Через них проходит больше зарядов, а значит, в среднем, протекает больший ток. Существенно, что процесс роста проводимости канала определяется увеличением вероятности перехода канала в открытое состояние, а не увеличением диаметра открытого канала. Таково современное представление о механизме прохождения тока через одиночный канал.

Плавные кинетические кривые токов, регистрируемых при электрических измерениях на больших мембранах, получаются вследствие суммации многих скачкообразных токов, протекающих через отдельные каналы. Их суммирование, как показано выше, резко уменьшает флуктуации и дает достаточно гладкие зависимости трансмембранного тока от времени.

Ионные каналы могут быть чувствительны и к другим физическим воздействиям: механическим деформациям, связыванию химических веществ и т.д. В этом случае они являются структурной основой, соответственно, механорецепторов, хемо-рецепторов и т.д.

Изучение ионных каналов в мембранах есть одна из важных задач современной биофизики.

Структура ионного канала.

Ион-селективный канал состоит из следующих частей (рис. 11): погруженной в бислой белковой части, имеющей субъединичное строение; селективного фильтра, образованного отрицательно заряженными атомами кислорода, которые жестко расположены на определенном расстоянии друг от друга и пропускают ионы только определенного диаметра; воротной части.

Ворота ионного канала управляются мембранным потенциалом и могут находиться как в закрытом состоянии (штриховая линия), так и в открытом состоянии (сплошная линия). Нормальное положение ворот натриевого канала - закрытое. Под действием электрического поля увеличивается вероятность открытого состояния, ворота открываются и поток гидратированных ионов получает возможность проходить сквозь селективный фильтр.

Если ион подходит по диаметру, то он сбрасывает гидратную оболочку и проскакивает на другую сторону ионного канала. Если же ион слишком велик по диаметру, как, например, тетраэтиламмоний, он не в состоянии пролезть сквозь фильтр и не может пересечь мембрану. Если же, напротив, ион слишком мал, то у него возникают сложности в селективном фильтре, на сей раз связанные с трудностью сброса гидратной оболочки иона.

Блокаторы ионных каналов либо не могут пройти сквозь него, застревая в фильтре, либо, если это большие молекулы, как ТТХ, они стерически соответствуют какому-либо входу в канал. Так как блокаторы несут положительный заряд, их заряженная часть втягивается в канал к селективному фильтру как обычный катион, а макромолекула закупоривает его.

Таким образом, изменения электрических свойств возбудимых биомембран осуществляется с помощью ионных каналов. Это белковые макромолекулы, пронизывающие липидный бислой, которые могут находиться в нескольких дискретных состояниях. Свойства каналов, селективных для ионов К + , Na + и Са 2+ , могут по-разному зависеть от мембранного потенциала, что и определяет динамику потенциала действия в мембране, а также отличия таких потенциалов в мембранах разных клеток.

Рис. 11. Схема строения натриевого ионного канала мембраны в разрезе

Обратная связь.

Для различных веществ и, в частности, для минеральных ионов имеет исключительно важное значение в жизнедеятельности клетки и особенно в механизмах восприятия, преобразования, передачи сигналов от клетки к клетке и на внутриклеточные структуры.

Определяющую роль в состоянии проницаемости мембран клетки имеют их ионные каналы, которые формируются каналообразующими белками . Открытие и закрытие этих каналов могут контролироваться величиной разности потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны, множеством сигнальных молекул (гормонов, нейромедиаторов, сосудоактивных веществ) вторичными посредниками передачи внутриклеточных сигналов, минеральными ионами.

Ионный канал — несколько субъединиц (интегральных мембранных белков, содержащих трансмембранные сегменты, каждый из которых имеет а-спиральную конфигурацию), обеспечивающих перенос ионов через мембрану.

Рис. 1. Классификация ионных каналов

Современные представления о строении и функции ионных каналов стали возможными благодаря разработке методов регистрации электрических токов, протекающих через изолированный участок мембраны, содержащий одиночные ионные каналы, а также благодаря выделению и клонированию отдельных генов, контролирующих синтез белковых макромолекул, способных формировать ионные каналы. Это позволило искусственно модифицировать структуру таких молекул, встраивать их в мембраны клеток и изучать роль отдельных пептидных участков для выполнения функций каналов. Оказалось, что каналообразующие белковые молекулы всех ионных каналов имеют некоторые общие признаки строения и обычно представлены большими трансмембранными белками с молекулярными массами выше 250 кД .

Они состоят из нескольких субъединиц. Обычно важнейшие свойства каналов определяются их а-субъединнней . Эта субъединица принимает участие в формировании ионоселективной норы, сенсорного механизма трансмембранной разности потенциалов — ворот канала и имеет места связывания для экзогенных и эндогенных лигандов. Другие субъединицы, входящие в структуру ионных каналов, играют вспомогательную роль, модулирующую свойства каналов (рис. 2).

Каналообразующая белковая молекула представлена внемембранными аминокислотными петлями и внутримембранными спирализованными участками-доменами, образующими субъединицы ионных каналов. Белковая молекула сворачивается в плоскости мембраны так, что между контактирующими друг с другом доменами и формируется собственно ионный канал (см. рис. 2, внизу справа).

Каналообразующая молекула белка располагается в цитоплазматической мембране так, что ее трехмерная пространственная структура формирует устья канала, обращенные к наружной и внутренней сторонам мемораны, пору, заполненную водой, и «ворота». Последние образуются участком пептидной цепи, который может легко изменять свою конформацию и определять открытое или закрытое состояние канала. От размеров поры и ее заряда зависят селективность и проницаемость ионного канала. Проницаемость канала для данного иона определяется также его размерами, величиной заряда и гидратной оболочкой.

Рис. 2. Строение Na+ -ионного канала клеточной мембраны: а — двухмерное строение а-еубъединицы ионного канала клеточной.мембраны; б — слева — натриевый канал, состоящий из а-субъединнцы и двух Р-субъединнн (вид сбоку); справа — вил натриевого канала сверху. Цифрами I. II. III. IV отмечены домены а-субъединицы

Типы ионных каналов

Описано более 100 разновидностей ионных каналов, для классификации которых используют различные подходы. Один из них основан на учете различий в строении каналов и в механизмах функционирования. При этом ионные каналы можно разделить на несколько типов:

• пассивные ионные каналы, или каналы покоя;
• каналы щелевых контактов;
• каналы, состояние которых (открытое или закрытое) контролируется влиянием на их воротный механизм механических факторов (механочувствительные каналы), разности потенциалов на мембране (потенциалзависимые каналы) или лигандов, связывающихся с каналообразующим белком на внешней или внутренней стороне мембраны (лигандзависимые каналы).

Пассивные каналы

Отличительной особенностью этих каналов является то, что они могут быть открытыми (активными) в покоящихся клетках, т.е. в отсутствие каких-либо воздействий. Это предопределяет их второе название — пассивные каналы. Они не являются строго селективными, и через них мембрана клетки может «протекать» для нескольких ионов, например К+ и CI+ К+ и Na+. Поэтому иногда эти каналы называют каналами утечки. Благодаря перечисленным свойствам каналы покоя играют важную роль в возникновении и поддержании на цитоплазматической мембране клетки мембранного потенциала покоя, механизмы и значение которого обсуждаются далее. Пассивные каналы представлены в цитоплазматических мембранах нервных волокон и их окончаний, клеток поперечно-полосатой, гладкой мускулатуры, миокарда и других тканей.

Механочувствительные каналы

Состояние проницаемости этих каналов изменяется при механических воздействиях на мембрану, вызывающих нарушение структурной упаковки молекул в мембране и ее растяжение. Эти каналы широко представлены в механорецепторов сосудов, внутренних органов, кожи, поперечно-полосатых мышц, гладких миоцитов.

Потенциалзависимые каналы

Состояние этих каналов управляется силами электрического поля, создаваемого величиной разности потенциалов на мембране. Потенциалзависимые каналы могут находиться в неактивном (закрытом), активном (открытом) и инактивированном состояниях, которые контролируются положением активационных и инактивационных ворот, зависящим от разности потенциалов на мембране.

В покоящейся клетке потенциалзависимый канал находится обычно в закрытом состоянии, из которого он может быть открыт или активирован. Вероятность его самостоятельного открытия невысокая, и в состоянии покоя лишь небольшое количество этих каналов в мембране открыто. Уменьшение трансмембранной разности потенциалов (деполяризация мембраны) вызывает активацию канала, повышая вероятность его открытия. Предполагается, что функцию активационных ворот выполняет электрически заряженная аминокислотная группа, закрывающая вход в устье канала. Эти аминокислоты являются сенсором разности потенциалов на мембране; при достижении определенного (критического) уровня деполяризации мембраны заряженная часть молекулы сенсора смещается в сторону липидного микроокружения каналообразующей молекулы и ворота открывают вход в устье канала (рис. 3).

Канал становится открытым (активным) для перемещения через него ионов. Скорость открытия активационных ворот может быть низкой и очень высокой. По этому показателю потенциалзависимые ионные каналы делят на быстрые (например, быстрые потенциалзависимые натриевые каналы) и медленные (например, медленные потенциалзависимые кальциевые каналы). Быстрые каналы открываются мгновенно (мкс) и остаются открытыми в среднем в течение 1 мс. Их активация сопровождается быстрым лавинообразным возрастанием проницаемости канала для определенных ионов.

Способностью изменять свою конформацию обладает другая часть пептидной цепи, представляющая собой аминокислотную последовательность в виде плотного шарика (клубка) на нити, располагающегося у выхода другого устья канала. При изменении знака заряда на мембране шарик закрывает выход из устья, канал становится непроницаемым (инактивированным) для иона. Инактивация потенциалзависимых ионных каналов может осуществляться с помощью других механизмов. Инактивация сопровождается прекращением перемещения ионов через канал и может протекать так же быстро, как активация, или медленно — в течение секунд и даже минут.

Рис. 3. Воротным механизм потенциалозависимых натриевых (вверху) и калиевых (внизу) каналов

Для восстановления исходных свойств ионных каналов после их инактивации необходимо возвратить исходные пространственную конформацию каналообразующего белка и положение ворот. Это достигается при восстановлении разности потенциалов мембраны (реполяризации) до уровня, характерного для состояния покоя клетки или спустя некоторое время после инактивации при сильном воздействии на мембрану. Переход из состояния инактивации в исходное (закрытое) состояние получил название реактивации канала. Будучи реактивированным, ионный канал вновь возвращается в состояние готовности к его повторному открытию. Реактивация потенциалзависимых каналов мембраны также может быть быстрой и медленной.

Потенциалзависимые ионные каналы обычно являются высокоселективными и играют решающую роль в возникновении возбуждения (генерации потенциалов действия), передаче информации по нервным волокнам в виде электрических сигналов, инициировании и регуляции сокращения мышц. Эти каналы широко представлены в мембранах афферентных, эфферентных нервных волокон, в мембранах поперечно-полосатых и гладких миоцитов.

Потенциапзависимые ионные каналы встроены в мембрану нервных окончаний чувствительных нервов (дендритов), иннервирующих пульпу зуба, слизистую оболочку полости рта, где их открытие обеспечивает преобразование рецепторного потенциала в нервный импульс и его последующее проведение по афферентному нервному волокну. С помощью этих импульсов в ЦНС передается информация о всех видах сенсорных ощущений, возникших у человека в полости рта (вкус, температура, механические давления, боль). Подобные каналы обеспечивают возникновение нервных импульсов на мембране аксонного холмика нейронов и его проведение по эфферентным нервным волокнам, преобразование постсинаптических потенциалов в потенциалы действия постсинаптических эффекторных клеток. Примером таких процессов может быть генерация нервных импульсов в моторных нейронах ядра тройничного нерва, которые затем передаются по его эфферентным волокнам к жевательным мышцам и обеспечивают инициирование и регуляцию жевательных движений нижней челюсти.

При исследовании тонких механизмов функционирования потенциалзависимых ионных каналов было выявлено, что существуют вещества, способные блокировать работу этих каналов. Одним из первых среди них было описано вещество тетродотоксин — сильнейший яд, образующийся в организме рыбы фугу. Под его действием наблюдалась блокада потенциалзависимых натриевых каналов в эксперименте, а при его введении в организм животных отмечались потеря чувствительности, расслабление мышц, обездвиженность, остановка дыхания и смерть. Такие вещества получили название блокаторов ионных каналов. Среди них лидокаин, новокаин, прокаин — вещества, при введении которых в организм в небольших дозах развивается блокада потенциапзависимых натриевых каналов нервных волокон и блокируется передача в ЦНС сигналов от болевых рецепторов. Эти вещества широко используются в медицинской практике в качестве местных обезболивающих средств.

Перемещение ионов через ионные каналы не только является основой перераспределения зарядов на мембранах и формирования электрических потенциалов, но и может оказывать влияние на протекание многих внутриклеточных процессов. Такое влияние на экспрессию генов, контролирующих синтез каналообразующих белков, не ограничено только клетками возбудимых тканей, но имеет место во всех клетках организма. Идентифицирована большая группа заболеваний, причиной которых является нарушение структуры и функции ионных каналов. Такие заболевания отнесены к группе «каналопатий». Очевидно, что знание строения и функций ионных каналов необходимо для понимания природы «каналопатий» и поиска их специфической терапии.

Лигандзависимые ионные каналы

Они обычно формируются белковыми макромолекулами, которые могут одновременно выполнять функцию ионных каналов и рецепторную функцию по отношению к определенным лигандам. Поскольку одна и та же макромолекула может одновременно выполнять эти две функции, то за ними закрепились разные названия — например, синаптический рецептор или лигандзависимый канал.

В отличие от потенциалзависимого ионного канала, открытие которого осуществляется при изменении конформации активационных ворот в условиях снижения трансмембранной разности потенциалов, лигандзависимые ионные каналы открываются (активируются) при взаимодействии пептидной (рецепторной) цепи белковой молекулы с лигандом — веществом, к которому рецептор имеет высокое сродство (рис. 4).

Рис. 4. Лигандзависимый ионный канал (никотинчувствительный ацетилхолиновый рецептор — н-ХР): а неактивный; 6 — активированный

Лигандзависимые ионные каналы обычно локализованы в постсинаптических мембранах нервных клеток и их отростков, а также мышечных волокон. Типичными примерами лигандзависимых ионных каналов являются каналы постсинаптических мембран, активируемые ацетилхолином (см. рис. 4), глутаматом, аспартатом, гамма-аминомасляной кислотой, глицином и другими синаптическими нейромедиаторами. Обычно название канала (рецептора) отражает тип нейро- медиатора, который в естественных условиях является его лигандом. Так, если это каналы нервно-мышечного синапса, в котором используется нейромедиатор ацетилхолин, то используется термин «ацетилхолиновый рецептор», а если он является к тому же чувствительным к никотину, то его называют никотинчувствительным, или просто н-ацетилхолиновым, рецептором (н-холинорецептор).

Обычно постсинаптические рецепторы (каналы) избирательно связываются только с одним типом нейромедиатора. В зависимости от типа и свойств взаимодействующих рецептора и нейромедиатора каналы избирательно изменяют свою проницаемость для минеральных ионов, но при этом они не являются строго селективными каналами. Например, лигандзависимые каналы могут изменять проницаемость для катионов Na+ и К+ или для К+ и анионов СI+. Такая избирательность связывания лиганда и изменения ионной проницаемости генетически закреплена в пространственной структуре макромолекулы.

Если взаимодействие медиатора и рецепторной части макромолекулы, формирующей ионный канал, непосредственно сопровождается изменением проницаемости канала, то в течение нескольких миллисекунд это приводит к изменению проницаемости постсинаптической мембраны для минеральных ионов и величины постсинаптического потенциала. Такие каналы названы быстрыми и локализуются, например, в постсинаптической мембране аксо-дендритных возбуждающих синапсов и аксосоматических тормозных синапсов.

Существуют медленные лигандзависимые ионные каналы. В отличие от быстрых каналов их открытие опосредованно не прямым взаимодействием нейромедиатора с макромолекулой- рецептором, а цепочкой событий, включающих активацию G-белка, его взаимодействие с GTP, повышение уровня вторичных посредников во внутриклеточной передаче сигнала нейромедиатора, которые, фосфорилируя ионный канал, приводят к изменению его проницаемости для минеральных ионов и соответствующему изменению величины постсинаптического потенциала. Вся описанная цепочка событий осуществляется уже за сотни миллисекунд. С такими медленными лигандзависимыми ионными каналами мы встретимся при изучении механизмов регуляции работы сердца, гладких мышц.

Особым типом являются каналы, локализованные в мембранах эндоплазматичсского ретикулума гладкомышечной клетки. Их лигандом является вторичный посредник внутриклеточной передачи сигнала инозитол-три-фосфат- ИФЗ.

Описаны ионные каналы, которые характеризуются некоторыми структурными и функциональными свойствами, присущими как потенциалзависимым, так и лигандзависимым ионным каналам. Они являются потенциалнечувствительными ионными каналами, состояние воротного механизма которых контролируется циклическими нуклеотидами (цАМФ и цГМФ). При этом циклические нуклеотиды связываются с внутриклеточной СООН-терминалыо каналообразующей молекулы белка и активируют канал.

Эти каналы характеризуются меньшей избирательностью проницаемости для катионов и способностью последних оказывать влияние на проницаемость друг друга. Так, ионы Са 2+ , поступая через активированные каналы из внеклеточной среды, блокируют проницаемость каналов для ионов Na 2+ . Одним из примеров таких каналов являются ионные каналы палочек сетчатки глаза, проницаемость которых для ионов Са 2+ и Na 2+ определяется уровнем цГМФ.

Лигандзависимые ионные каналы широко представлены в мембранных структурах, обеспечивающих синаптическую передачу сигналов от ряда сенсорных рецепторов в ЦНС; передачу сигналов в синапсах нервной системы; передачу сигналов нервной системы к эффекторным клеткам.

Уже отмечалось, что непосредственная передача команд нервной системы ко многим эффекторным органам осуществляется с помощью нейромедиаторов, активирующих лигандзависимые ионные каналы в постсинаптических мембранах. Однако их лигандами (агонистами или антагонистами) могут быть и вещества экзогенной природы, которые в ряде случаев используются в качестве лекарственных веществ.

Например, после введения в организм вещества диплацина, сходного по своей структуре с нейромедиатором апетилхолином, последует продолжительное открытие лигандзависимых ионных каналов нервно-мышечных синапсов, которые перестают передавать нервные импульсы с нервных волокон к мышцам. Наступает релаксация скелетных мышц организма, которая может понадобиться во время проведения сложных хирургических операций. Диплацин и другие вещества, способные изменять состояние лигандзависимых ионных каналов и блокировать передачу сигналов в нервно-мышечных синапсах, получили название миорелаксантов.

Рис. 5. Каналы щелевых контактов между двумя плотно контактирующими клетками

В медицинской практике используются многие другие лекарственные вещества, оказывающие влияние на состояние лигандзависимых ионных каналов клеток различных тканей.

Каналы щелевых (плотных) контактов клеток

Каналы щелевых контактов формируются в области контакта двух соседних клеток, очень близко прилежащих друг к другу. В мембране каждой контактирующей клетки шесть белковых субъединиц, получивших название коннексины, формируют гексагональную структуру, в центре которой образуется пора или ионный канал — коннексон (рис. 5).

Зеркальная структура образуется в месте контакта в мембране соседней клетки, и ионный канал между ними становится общим. Через такие ионные каналы из клетки в клетку могут перемещаться различные минеральные ионы, в том числе ионы Са 2+ , а также низкомолекулярные органические вещества. Каналы щелевых контактов клеток обеспечивают передачу информации между клетками миокарда, гладких мышц, сетчатки глаза, нервной системы.

Натриевые каналы

В клетках организма широко представлены потенциалзависимые, потенциалнезависимые (лигандзависимые, механочувствительные, пассивные и др.) натриевые каналы.

Потенциалзависимые натриевые каналы

Они состоят из одной а-субъединицы, формирующей канал, и двух β-субъединиц, модулирующих ионную проницаемость и кинетику инактивации натриевых каналов (рис. 6).

Рис. 6. Двухмерная структура а-субъединицы потенциал-зависимого натриевого канала. Описание в тексте

Как видно из рис. 6, а-субъединица представлена четырьмя однотипными доменами, состоящими из шести спирализованных трансмембранных сегментов, соединенных аминокислотными петлями. Петли, соединяющие 5-й и 6-й сегменты, окружают пору канала, а в составе 4-го сегмента содержатся положительно заряженные аминокислоты, которые являются сенсорами разности потенциалов на мембране и управляют положением воротного механизма при сдвигах трансмембранного потенциала.

В потенциалзависимых натриевых каналах имеются два воротных механизма, один из них — активационный (при участии 4-го сегмента) обеспечивает открытие (активацию) канала при деполяризации мембраны, а второй (при участии внутриклеточной петли между 3-м и 4-м доменами) — его инактивацию при перезарядке мембраны. Поскольку оба этих механизма быстро изменяют положение ворот канала, то потенциалзависимые натриевые каналы являются быстрыми ионными каналами и имеют определяющее значение для генерации потенциалов действия в возбудимых тканях и для их проведения по мембранам нервных и мышечных волокон.

Эти каналы локализуются в цитоплазматических мембранах аксонного холмика нейронов, в дендритах и аксонах, в мембране околосинаптичсской области нервно-мышечного синапса, в сарколемме волокон поперечно-полосатых мышц и сократительного миокарда. Плотность распределения натриевых каналов в этих структурах различна. В миелинизированных нервных волокнах они сосредоточены главным образом в области перехватов Ранвье, где их плотность достигает около 10 000 каналов на квадратный микрон площади, а в немиелинизированных волокнах каналы распределены более равномерно с плотностью около 20 каналов на ту же площадь. Эти каналы практически отсутствуют в структуре мембран тела нервной клетки, в мембране нервных окончаний, непосредственно формирующих сенсорные рецепторы, и в постсинаптических мембранах эффекторных клеток.

Среди потенциалзавиеимых натриевых каналов различают уже более девяти подтипов, отличающихся свойствами а-субъединиц, имеющих определенную тканевую принадлежность и отличающихся различной чувствительностью к действию блокаторов. Так, например, подтип канала, образованного каналообразующим белком, синтез которого контролируется геном SCN4A, имеется в сарколемме полностью дифференцированных и иннервированных скелетных мышц и его блокагорами являются тетродотоксин, сакситоксин и ц-конотоксины. В большинстве случаев а-субъединицы чувствительны к действию тетродотоксина, который в микромолярных концентрациях блокирует поры и тем самым вход в натриевые каналы.

Известны токсины натриевых каналов, вызывающие замедление скорости их инактивации. Например, токсин морской анемоны (АТХ) и а-токсин скорпиона (ScTX) вызывают замедление инактивации, связываясь с аминокислотными остатками петли S3-S4 4-го сегмента.

Синтезированы и широко используются в медицине для блокады быстрых потенциалзависимых натриевых каналов вещества, получившие название анестетиков (новокаин, дикаин, лидокаин, совкаин, прокаин и др.). Анестезия при блокаде ими натриевых каналов достигается за счет устранения возможности генерации нервных импульсов в афферентных нервных волокнах и тем самым блокады проведения сигналов от сенсорных болевых рецепторов в ЦНС.

Обнаружено, что изменение структуры натриевых каналов может вести к развитию ряда заболеваний. Так, например, изменение структуры канала, контролируемого геном SCNlb, ведет к развитию генерализованных форм эпилепсии и судорог при повышении температуры тела (фебрильных судорог).

Многие микроорганизмы образуют в организме человека токсины — вещества, под действием которых в поражаемых клетках блокируются ионные каналы, что может сопровождаться нарушением ионного баланса и гибелью клетки. Другие микроорганизмы, наоборот, своими токсинами (перфоринами) формируют в мембране клетки ионные каналы. В частности, токсин палочки сибирской язвы, вызывающей у человека особо опасную инфекцию, атакуя клетку, образует в ее мембране новые поры (каналы), через которые в клетку проникают другие токсины. Действием этих токсинов обусловлена гибель атакованных клеток и высокая смертность при этом заболевании. Учеными синтезировано вещество β-циклодекстрин, близкое по пространственной структуре к форме образующегося канала. Это вещество блокирует каналы, образуемые токсином микроорганизма, предотвращает поступление токсинов в клетки и спасает от гибели экспериментальных животных, зараженных палочкой сибирской язвы.

Потенциалнезависимые натриевые каналы

Лигандзависимые натриевые каналы. Их общее строение и свойства рассмотрены выше при описании лигандзависимых ионных каналов. Этот тип натриевых каналов широко представлен в организме натриевыми каналами никотинчувствительного холинорецептора постсинаптичсской мембраны нервно-мышечного синапса, межнейронных синапсов ЦНС и автономной нервной системы (преганглионарного и ганглионарного нейронов). Лигандзависимые натриевые каналы локализованы в постсинаптических мембранах других возбуждающих (глутамат- и аспартатергических) синапсов ЦНС. Они играют решающую роль в возникновении в синапсах возбуждающего постсинаптического потенциала и передаче сигналов между нейронами и между нейронами и эффекторными клетками.

Лигандзависимые натриевые каналы постсинаптической мембраны не являются строго селективными и могут быть проницаемы одновременно для нескольких ионов: натрия и калия, натрия и кальция.

Потенциалнезависимые натриевые каналы, управляемые вторичными посредниками. Состояние этих натриевых каналов может управляться с помощью цГМФ (фоторецеиторы), цАМФ (обонятельные рецепторы) и с помощью субъединиц G-белка (миокард).

Механочувствительные натриевые каналы. Представлены в механорецепторах стенок сосудов, сердца, полых внутренних органов, проприорсцепторах поперечно-полосатых мышц, мембране гладких миоцитов. С их участием в сенсорных рецепторах осуществляется преобразование энергии механического воздействия в колебание разности потенциалов — рецепторный потенциал.

Пассивные натриевые канаты. Содержатся в цитоплазма- тических мембранах возбудимых клеток. Проницаемость этих каналов для ионов Na+ небольшая, но через них ионы Na диффундируют по градиенту концентрации из внеклеточных пространств в клетки и несколько деполяризуют мембрану. Более существенно проницаемы в покос натриевые каналы цитоплазматической мембраны гладких миоцитов. Они деполяризуют ее на большую величину (потенциал покоя около 50 мВ), чем мембрану миоцитов поперечно-полосатой мускулатуры (потенциал покоя около 90 мВ). Таким образом, пассивные натриевые каналы участвуют в формировании мембранного потенциала покоя.

Натриевые обменники. Ранее был описан натрий-кальциевый обменный механизм, или натрий-кальциевый обменник, который играет важную роль в удалении ионов кальция из сократительных кардиомиоцитов.

Натрий-протонный обменник. Представляет собой особый тип каналообразующего белка, который удаляет протоны водорода из внутриклеточных пространств в обмен на поступление в клетку ионов натрия. Удаление протонов активируется при понижении в клетке рН.

Синтез белков, образующих обменные натриевые каналы, контролируется пятью генами, которые обозначаются как NAH1 -NAH5.

Калиевые каналы

Существуют потенциалзависимые и потенциалнечувствительные калиевые каналы. Среди последних выделяют пассивные, лигандзависимые и другие типы калиевых каналов. Как правило, калиевые каналы имеются в мембранах тех же клеток и тканей, в которых содержатся натриевые каналы. Одной из причин такого параллелизма в расположении этих ионных каналов является то, что ионы Na+ и К+ являются важнейшими катионами, от характера распределения и перемещения которых зависит возникновение и изменение электрических потенциалов как одной из важнейших форм передачи информационных сигналов в организме.

Существует целое суперсемейство калиевых ионных каналов, которые подразделяются но особенностям структуры, месту локализации и свойствам каналов на отдельные семейства, типы и подтипы. Описано более трех десятков калиевых каналов, и дать их подробную характеристику не представляется возможным. Поэтому в качестве примеров будут приведены описания тех семейств и типов ионных каналов, которые имеют отношение прежде всего к сигнальным путям и механизмам контроля нервных и мышечных процессов.

Пассивные калиевые каналы

Известно, что в состоянии покоя мембраны возбудимых клеток относительно хорошо проницаемы для ионов К и плохо для ионов Na+. Поскольку носителями трансмембранных электрических токов являются ионы, то, измеряя электрический ток, протекающий через мембрану клетки, можно судить о состоянии ионных каналов. Оказалось, что трансмембранный электрический ток, обусловленный диффузией ионов К по градиенту концентрации из клетки, составляет около двух пикоампер и имеет пульсирующий характер, а средняя продолжительность пульсации составляет несколько миллисекунд. Из этого наблюдения сделан вывод, что калиевые каналы в покоящейся клетке могут спонтанно открываться и закрываться, обеспечивая условия для диффузии через них ионов К из клетки и формирования на мембране потенциала покоя.

Потенциалзависимые калиевые каналы

О существовании потенциалзависимых калиевых каналов в мембранах клеток возбудимых тканей стало известно после того, как было установлено, что их кинетика активации отличается от таковой для потенциалзависимых натриевых каналов и к тому же они селективно блокируются другими блокаторами. Калиевые каналы активируются так же, как и натриевые, при деполяризации мембраны клетки до критического уровня, но при этом скорость выхода ионов К+ из клетки нарастает значительно медленнее, чем скорость входа ионов Na+ в клетку.

Селективный фильтр калиевого канала располагается с внутренней стороны устья поры в отличие от наружного расположения подобного фильтра в натриевых каналах (рис. 7). Существование селективности этих каналов по отношению к катионам Na+ и К+ и различных специфических блокаторов — тетродотоксина (для натрия) и тетраэтиламмония (для калия) — свидетельствует о различном строении этих каналов.

Потенциалзависимые калиевые каналы являются тетрамерами и состоят из четырех субъсдиниц, образующих пору в центре.

Потенциалзависимые калиевые каналы локализуются в мембранах как возбудимых, так и невозбудимых клеток. Они играют важную роль в скорости восстановления (реполяризации)потенциала на мембране после ее деполяризации и, таким образом, в контроле формы и частоты генерации потенциалов действия. Медленные калиевые каналы блокируются тстра- этиламмонием, 4-аминопиридином, фенциклидином, 9-аминоакридином.

Рис. 7. Калиевый канал: а — слева — двухмерная структура а-субъединицы; справа — схема канала; б — электроногра.мма калиевых каналов в цитопламатической мембране.

Кроме медленных калиевых каналов описаны быстрые потенциалзависимые калиевые каналы, кинетика открытия которых сходна с таковой для быстрых потенциалзависимых натриевых каналов. Эти калиевые каналы быстро открываются при деполяризации, затем полностью инактивируются, а для их реактивации требуется не просто реполяризовать мембрану, но на некоторое время гиперполяризовать ее.

В соответствии с названиями кодирующих синтез и сборку каналообразующих молекул генов выделяют шесть KCN типов с подтипами KCN А, В, С, Е и одно семейство KCNQ ионных каналов. Каналы последнего семейства экспрессированы в миокарде.

Лигандзависимые калиевые каналы

Представлены большим числом каналов, чувствительных к действию разнообразных лигандов.

Одним из типов многочисленных лигандзависимых калиевых каналов являются каналы, ассоциированные с мускаринчувствительными ацетилхолиновыми рецепторами. Эти каналы активируются ацетилхолином. Каналы могут блокироваться брадикинином и ионами бария. Есть два подтипа этих каналов: инактивирующиеся мускарином и активирующиеся им. Последний локализован в клетках водителя ритма сердца.

Свойствами лигандзависимого калиевого канала обладают неселективные потенциалнезависимые катионные каналы, сочетающие признаки каналов и никотинчувствительных ацетил холиновых рецепторов постсинаптической мембраны нервно-мышечного синапса. При взаимодействии белка-каналообразователя с ацетилхолином происходит открытие этого неселективного канала, через который ионы Na+ входят в мышечную клетку, а ионы К из нее выходят. Различная скорость перемещения этих ионов обеспечивает возникновение деполяризации постсинаптической мембраны, не перерастающей в потенциал действия непосредственно на этой мембране.

Выделены АТФ-чувствительные калиевые каналы, которые ингибируются и активируются действием АТФ.

Отдельное семейство калиевых каналов составляют так называемые входные выпрямляющие калиевые каналы (вентили), или входные выпрямители(inward rectifying ; inward rectifier ). В воротном механизме выпрямляющих калиевых каналов нет сенсора напряжения. Функциональное значение этих каналов состоит в их влиянии на возбудимость клеток-водителей ритма, мышечных клеток и нейронов.

Семейство выпрямляющих входных калиевых каналов в соответствии с названиями генов, их кодирующих, подразделяется более чем на 15 типов. Примером специфического значения выпрямляющих входных калиевых каналов и, в частности каналов KCNJ 3, 5, 6 и 9 (другое обозначение Kir-каналы) может быть их специфическая роль в регуляции частоты сердечных сокращении через ассоциацию этих каналов с G-белком и мускаринчувствительными ацетилхолиновыми рецепторами клеток — водителей ритма сердца.

Известны потенциалнечувствительные активируемые натрием калиевые каналы.

Описаны особые потенциалнечувствительные калиевые каналы, чувствительные к изменению рН, которые имеются в р-клетках островков поджелудочной железы и выполняют в них роль сенсора глюкозы. Известны также калиевые каналы, чувствительные к изменению объема клеток.

Кальциевые каналы

Семейство кальциевых каналов широко представлено в клетках нервной и мышечной тканей. Основными местами их локализации являются мембраны пресинаптических терминалей саркоплазматичсского и эндоплазматичсского ретикулума мышц, сарколеммы кардиомиоцитов и мембраны клеток других тканей.

Кальциевые каналы по способам управления проницаемостью подразделяют на потенциалзависимые, пассивные, лигандзависимые, механочувствительные и др.

Кальциевые каналы подразделяют по скорости инактивации на каналы Т-типа (transient — скоротечный), L-типа (медленные). В зависимости от тканевой принадлежности и чувствительности к действию токсинов выделяют каналы В-типа (brain — мозг), N-типа (neuronal — нейрональный), Р-типа (purkinje cell — клетка Пуркинье) и R-типа (резистентный к действию токсинов).

Потенциалзависимые кальциевые каналы

Они формируются олигомерным белком, обычно состоящим из пяти субъединиц а1, а2, β, у и δ. Собственно ионный канал формирует а-субъединица, имеющая большую степень сходства аминокислотного состава и структуры с аналогичной субъединицей потенциалзависимых натриевых и калиевых каналов (см. рис. 6, рис. 7).

Потенциалзависимый кальциевый канал обладает селективной проницаемостью для ионов Са 2+ . Селективность обеспечивается наличием поры, формирующей селективный фильтр.

Пора образована сегментами а 1 -субъединицы, поэтому, учитывая сходство се строения с таковой для каналов одновалентных катионов, следовало бы ожидать, что кальциевый канал должен быть проницаем для ионов Na+ и К+. Такое его свойство действительно имеет место при устранении кальция из внеклеточной среды.

В естественных условиях селективность по отношению к кальцию обеспечивается в канале наличием в поре канала двух мест связывания кальция. Одно из них образовано группой остатков глутамата, и при низкой концентрации кальция он оказывается сильно связанным с этим местом поры канала и канал для кальция становится слабо проницаемым. При повышении концентрации кальция возрастает вероятность занятия кальцием второго места связывания; возникающие при этом силы электростатического отталкивания между ионами Са 2+ сильно сокращают время пребывания ионов на местах связывания. Высвобождающийся кальций диффундирует через активированный канал в клетку по электрохимическому градиенту.

Потенциалзависимые кальциевые каналы различаются пороговыми значениями сдвигов разности потенциалов, при которых они активируются. Каналы Т-типа активируются малыми сдвигами напряжения на мембране, L- и Р-типов характеризуются высокими порогами сдвигов напряжениями, вызывающими их активацию.

Потенциалзависимые кальциевые каналы играют важную роль в осуществлении ряда жизненно важных процессов в организме. Их активация и поступление кальция в пресинаптическую терминаль являются необходимыми для осуществления синаптической передачи сигналов.

Вход кальция через кальциевые каналы в пейсмекерную клетку необходим для генерации потенциалов действия в клетках водителях ритма сердца и обеспечения его ритмического сокращения. Потенциалзависимые кальциевые каналы регулируют поступление кальция в саркоплазму волокон миокарда, скелетной мускулатуры, гладких миоцитов сосудов и внутренних органов, контролируя инициирование, скорость, силу, продолжительность их сокращения и тем самым движения, насосную функцию сердца, артериальное давление крови, дыхание и многие другие процессы в организме.

Пассивные кальциевые каналы

Имеются в цитоплазматических мембранах гладких миоцитов. Они проницаемы для кальция в состоянии покоя, и кальций наряду с ионами К+ и Na+ участвует в создании трансмембранной разности потенциалов или потенциала покоя гладких миоцитов. Кальций, поступающий по этим каналам в гладкий миоцит, является источником пополнения его запасов в эндоплазматическом ретикулуме, используется в качестве вторичного посредника при передаче внутриклеточных сигналов.

Кальций в состоянии покоя может перемещаться из клетки в клетку через каналы щелевых контактов. Эти каналы не являются селективными для кальция, и через них может одновременно осуществляться межклеточный обмен другими ионами и органическими веществами небольшой молекулярной массы. Кальций, поступающий в клетки через каналы щелевых контактов, играет важную роль в возникновении возбуждения, инициировании и синхронизации сокращений миокарда, матки, сфинктеров внутренних органов, поддержании тонуса сосудов.

Лигандзависимые кальциевые каналы

При изучении механизмов запуска и регуляции сокращений миокарда и гладких мыщц оказалось, что они зависят от поступления в мио- цит кальция как из внеклеточной среды, так и из его внутриклеточных хранилищ. При этом поступление кальция в саркоплазму может контролироваться изменением разности потенциалов на сарколемме и активацией потенциалзависимых кальциевых каналов и(или) действием на мембрану саркоплазматического ретикулума ряда сигнальных молекул.

Лигандзависимые кальциевые каналы локализованы в цитоплазматических мембранах гладких миоцитов. Лигандами их рецепторов могут выступать гормоны: вазопрессин, окситоцин, адреналин; нейромедиатор норадреналин; сигнальные молекулы: ангиотензин 2, эндотелии 1 и другие вещества. Связывание лиганда с рецептором сопровождается активацией кальциевого канала и входом кальция в клетку из внеклеточной среды.

В кардиомиоцитах для инициации мышечного сокращения необходимо первоначально активировать потенциалзависимые кальциевые каналы Т-типа, затем L-типа, открытие которых обеспечивает поступление в клетку некоторого количества ионов Са 2+ . Вошедший в клетку кальций активирует рианодиновый рецептор (RYR) каналообразующего белка, вмонтированного в мембране саркоплазматичсского ретикулума кардиомиоцита. В результате активации канала его проницаемость для кальция возрастает и последний по градиенту концентрации диффундирует в саркоплазму. Таким образом, ионы Са 2+ выступают в качестве своеобразных лигандов, активирующих рианодиновые рецепторы и тем самым кальциевые каналы. В результате входящий в клетку внеклеточный кальций выполняет роль триггера для выделения кальция из его основного внутриклеточного хранилища.

Кальциевые каналы могут одновременно проявлять чувствительность к изменениям разности потенциалов на цитоплазматической мембране и к действию лигандов. Например, L-тип потенциалзависимых кальциевых каналов чувствителен к дигидропиридину (нифедипину), фенилалкиламинам (верапамилу) и бензотиазепинам (дилтиазему). Этот тип каналов нередко называют дигидропиридиновыми рецепторами. Это название предполагает, что L-кальциевый канал является лигандзависимым, хотя в действительности он потен циалзависимый канал.

Р-тип каналов устойчив к действию коногоксинов и лекарств, к которым чувствительны другие типы кальциевых каналов.

Функциональные свойства а1,-субъединиц потенциалзависимых кальциевых каналов могут модулироваться при их фосфорилировании, и таким образом может регулироваться состояние ионной проницаемости кальциевых каналов, например, в миокарде.

Особым типом лигандзависимых ионных кальциевых каналов являются каналы, локализованные в мембранах эндоплазматического ретикулума гладкомышечной клетки, состояние проницаемости которых контролируется внутриклеточным уровнем вторичного посредника — ИФЗ. На примере этих каналов мы встречаемся со случаем, когда внеклеточная сигнальная молекула-агонист, активируя рецептор плазматической мембраны гладкомышечной клетки-мишени, включает инозитолфосфатный путь внутриклеточной передачи сигнала, который в свою очередь через действие ИФЗ выходит на активацию следующего каналообразующего белка в мембране органеллы клетки. Вся эта цепочка событий передачи сигнала завершается выходом из внутриклеточных депо ионов Са 2+ , запускающих и контролирующих молекулярный механизм сокращения гладкомышечной клетки.

Механочувствительные кальциевые каналы

Локализуются в плазматической мембране гладких миоцитов стенки сосудов, миоиитов внутренних органов, эндотелия сосудов, эпителия бронхов. Эти каналы могут быть ассоциированы с гликопротеиновыми механорецепторами. В ответ на механическое воздействие (например, растяжение стенки сосуда давлением крови) повышается проницаемость для ионов Са 2+ . Механочувствительные каналы не обладают высокой селективностью и изменяют их проницаемость одновременно для ряда катионов. Поступление в гладкомышечную клетку кальция и натрия вызывает деполяризацию ее мембраны, открытие потенциалзависимых кальциевых каналов, увеличение входа кальция и сокращение гладкого миоцита.

Эти события составляют часть механизма приспособления тонуса сосудов и регуляции кровотока к изменяющимся величинам давления крови в сосуде и скорости кровотока (миогенная регуляция). Кроме того, механочувствительные кальциевые каналы участвуют в реализации механизмов стресс-релаксации сосудов при длительном повышении давления крови.

Хлорные каналы

Хлорные каналы имеются в плазматических мембранах большинства клеток. Они играют важную роль в поддержании в покоящейся клетке трансмембранной разности потенциалов и их сдвигах при изменении функциональной активности клеток. Хлорные каналы участвуют в регуляции объема клеток, трансэпителиального переноса веществ, секреции жидкости секреторными клетками.

В соответствии с механизмами активации выделяют три суперсемейсгва хлорных каналов: потенциалзависимые, лигандзависимые и другие потенциалнечувствительные хлорные каналы.

Потенциал зависимые хлорные каналы. Локализуются в мембранах возбудимых и эпителиальных клеток. Состояние проницаемости этих каналов управляется величиной трансмембранной разности потенциалов.

Потенциал зависимая проницаемость хлорных каналов неодинакова в разных тканях. Так, в мембране аксонов зависимость проницаемости хлорных каналов от разности потенциалов незначительна и существенно не влияет на изменение величины потенциала действия при возбуждении, а в скелетных мышцах эта зависимость проницаемости хлорных каналов выше.

Канал CLC1 является типичным представителем хлорных каналов сарколеммы мышечного волокна скелетной мышцы. Канал проявляет проницаемость во всем диапазоне изменений трансмембранных напряжении в состоянии покоя, активируется при деполяризации и инактивируется при гиперполяризации мембраны.

Лигандзависимые хлорные каналы. Преимущественно экспрессируются в нервной ткани. Состояние проницаемости этих каналов для хлора управляется прежде всего внеклеточными лигандами, но они могут быть чувствительными к концентрации кальция внутри клетки, активироваться G-белками и цАМФ. Каналы этого типа широко распространены в пост- синаптических мембранах и используются для осуществления постсинаптического торможения. Управление состоянием проницаемости канала осуществляется путем активации каналов лигандами — тормозными нейромедиаторами (у-аминомасляной кислотой и глицином).

Потенциалнечувствительные хлорные каналы. Включают пассивные хлорные каналы, АТФ-чувствительные каналы и трансмембранный регулятор проводимости интерстициального фиброза (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator — CFTR).

CFTR, по-видимому, состоит из собственно хлорного канала и канала-регулятора, представленного специальным регуляторным доменом (Р-доменом). Регуляция ионной проводимости этих каналов осуществляется путем фосфорилирования регуляторного домена цАМФ-зависимой протеинкиназой. Нарушение структуры и функции этого канала ведет к развитию тяжелого заболевания, сопровождаемого нарушением функции многих тканей — интерстициального фиброза.

Аквапорины

Аквапорины (от лат. aqua — вода, греч.porus — канал, пора) — белки, образующие водные каналы и обеспечивающие трансмембранный перенос воды. Аквапорины представлены интегральными, тетрамерными белками мембран, мономер которых имеет массу около 30 кДа. Таким образом, каждый аква- порин формирует четыре водных канала (рис. 8).

Особенностью этих каналов является то, что водные молекулы в них могут перемещаться в изоосмотических условиях, т.е. когда на них не действуют силы осмотического градиента. Для обозначения аквапоринов используется сокращение AQP. Выделен и описан ряд типов аквапоринов: AQP1 — в мембранах эпителия проксимальных почечных канальцев, нисходящем отделе петли Генле; в мембранах эндотелия и гладких миоцитов кровеносных сосудов, в структурах стекловидного тела; AQP2 — в мембранах эпителия собирательных трубок. Этот аквапорин оказался чувствительным к действию антидиуретического гормона, и на этом основании его можно рассматривать как лигандзависимый водный канал. Экспрессия гена, контролирующего синтез этого аквапорина, регулируется антидиуретическим гормоном; AQP3 обнаружен в мембранах клеток роговицы глаза; AQP4 — в клетках мозга.

Рис. 8. Структура водного канала AQP1: а — пептидные цепи, формирующие канал; б — канал в собранном виде: A, В, С, D, Е — участки белковой цепи

Оказалось, что AQP1 и AQP4 играют важную роль в образовании и циркуляции цереброспинальной жидкости. Аквапорины содержатся в эпителии желудочно-кишечного тракта: AQP4 — в желудке и тонкой кишке; AQP5 — в слюнных железах; AQP6 — в тонкой кишке и поджелудочной железе; AQP7 — в тонкой кишке; AQP8, AQP9 — в печени. Часть аквапоринов транспортирует не только молекулы воды, но и растворимые в ней вещества органической природы (кислород, глицерин, мочевина). Таким образом, аквапорины играют в организме важную роль в обмене воды и нарушение их функции может быть одной из причин формирования отеков мозга, легких и развития почечной и сердечной недостаточности.

Знание механизмов транспорта ионов через мембраны и способов влияния на этот транспорт является непременным условием не только для понимания механизмов регуляции жизненных функций, но и для правильного выбора лекарственных препаратов при лечении большого числа заболеваний (гипертонической болезни, бронхиальной астмы, сердечных аритмий, нарушений водно-солевого обмена и др.).

Для понимания механизмов регуляции физиологических процессов в организме необходимо знание не только структуры и проницаемости клеточных мембран для различных веществ, но и структуры и проницаемости более сложных структурных образовании, находящихся между кровью и тканями различных органов.

Наверх

		1 совершенно несогласен	2 несогласен	3 не знаю	4 согласен	5 совершенно согласен
	Это занятие развило мои навыки по решению проблем.
	Для успешного прохождения этого занятия от меня требовалась только хорошая память.
	Это занятие развило моё умение работать в команде.
	Данное занятие улучшило мои аналитические способности.
	Данное занятие улучшило мои навыки изложения письменного материала.
	На занятии требовалось глубокое понимание материала.