Тарифы Услуги Сим-карты

Строение и функции мембраны, ионные каналы и их функции, ионные градиенты. Ионные каналы, их строение. Классификация ионных каналов. Натриевый и калиевый каналы

  • Свойства ионных каналов

    Селективность - это избирательная повышенная проницаемость ИК для определённых ионов. Для других ионов проницаемость понижена. Такая избирательность определяется селективным фильтром - самым узким местом канальной поры. Фильтр, кроме узких размеров, может иметь также локальный электрический заряд. Например, катион-селективные каналы обычно имеют в области своего селективного фильтра отрицательно заряженные остатки аминокислот в составе белковой молекулы, которые притягивают положительные катионы и отталкивают отрицательные анионы, не пропуская их через пору.

  • Управляемая проницаемость - это способность ИК открываться или закрываться при определённых управляющих воздействиях на канал. Закрытый канал имеет пониженную проницаемость, а открытый - повышенную. По этому свойству ИК можно классифицировать в зависимости от способов их открытия: например, потенциал-активируемые, лиганд-активируемые и т.д.

    Инактивация - это способность ИК через некоторое время после своего открытия автоматически понижать свою проницаемость даже в том случае, когда открывший их активирующий фактор продолжает действовать. Быстрая инактивация - это особый процесс со своим особым механизмом, отличающийся от медленного закрытия канала (медленной инактивации). Закрытие (медленная инактивация) канала происходит за счёт процессов, противоположных процессам, обеспечившим его открытие, т.е. за счёт изменения конформации канального белка. А вот, например, у потенциал-активируемых каналов быстрая инактивация происходит с помощью специальной молекулярной "пробки-затычки", напоминающей пробку на цепочке, которую обычно используют в ваннах. Эта пробка представляет собой аминокислотную (полипептидную) петлю с утолщением на конце в виде трёх аминокислот, которым и затыкается внутреннее устье канала со стороны цитоплазмы. Именно поэтому потенциал-зависимые ИК для натрия, обеспечивающие развитие потенциала действия и движение нервного импульса, могут пропускать в клетку ионы натрия только в течение нескольких миллисекунд, а затем они автоматически закрываются своими молекулярными пробками, несмотря на то, что открывающая их деполяризация продолжает действовать. Другим механизмом инактивации ИК может служить модификация дополнительными субъединицами внутриклеточного устья канала.

    Блокировка - это способность ИК под действием веществ-блокаторов фиксировать какое-то одно своё состояние и не реагировать на обычные управляющие воздействия. В таком состоянии канал просто перестаёт давать ответы на управляющие воздействия. Блокировку вызывают вещества-блокаторы, которые могут называться антагонистами, блокаторами или литиками. Антагонисты - это вещества, препятствующие активирующему действию других веществ на ИК. Такие вещества способны хорошо связываться с рецепторным участком ИК, но не способны изменить состояние канала, вызвать его ответную реакцию. Получается блокада рецептора и вместе с ним - блокада ИК. Следует помнить, что антагонисты не обязательно вызывают полную блокаду рецептора и его ИК, они могут действовать более слабо и лишь ингибировать (угнетать) работу канала, но не прекращать её полностью Агонисты-антагонисты - это вещества, которые обладают слабым стимулирующим влиянием на рецептор, но при этом блокируют действие естественных эндогенных управляющих веществ. Блокаторы - это вещества, препятствующее работе ионного канала, например, взаимодействию медиатора с молекулярным рецептором к нему и, следовательно, нарушающие управление каналом, блокирующие его. Например, действие ацетилхолина блокируют холиноблокаторы; норадреналина с адреналином - адреноблокаторы; гистамина - гистаминоблокаторы и т. д. Многие блокаторы применяются в терапевтических целях как лекарственные препараты. Литики - это те же блокаторы, термин более старый и используется как синоним для блокатора: холинолитик, адренолитик и т.д.

    Пластичность - это способность ИК изменять свои свойства, свои характеристики. Наиболее распространённый механизм, обеспечивающий пластичность - это фосфорилирование аминокислот канальных белков с внутренней стороны мембраны ферментами-протеинкиназами. К канальным белкам присоединяются фосфорные остатки от АТФ или ГТФ - и канал меняет свои свойства. Накпример, фиксируется в постоянно закрытом состоянии, или, наоборот, в открытом.

    Последнее обновление: 28/10/2013

    Вторая статья из серии «Основы физиологии человека и животных». Речь пойдёт о механизме формирования потенциала действия - основы любого движения.

    Возбудимые клетки (которыми являются в той или иной степени все клетки организма животного) в покое имеют избыток отрицательного заряда, формирующий . Если клетка подвергается внешнему раздражению, она переходит в возбуждённое состояние и генерирует другой потенциал - потенциал действия.

    Реализует этот процесс система ионных каналов в мембране клетки, регулирующая концентрации электрически заряженных частиц - ионов. Все каналы, независимо от специализации, управляются определёнными силами. Это может быть изменение потенциала на клеточной мембране - в случае потенциал-зависимых каналов, повышение концентрации определённых активных веществ - для лиганд-зависимых или растяжение мембраны - для механически управляемых каналов.

    Каналы - это специфические белки, встроенные в мембрану. Каждый тип каналов пропускает определённые ионы. Это система пассивного транспорта: ионы проходят через них благодаря диффузии, а каналы просто контролируют концентрацию проходящих частиц, регулируют для них проницаемость мембраны.

    В формировании потенциала действия, как и потенциала покоя, принимают участие главным образом ионы натрия и калия.

    Натриевые каналы имеют достаточно простое строение: это белок из трёх разных субъединиц, которые образуют структуру, похожую на пору - то есть трубку с внутренним просветом. Канал может находиться в трёх состояниях: закрытом, открытом и инактивированном (закрыт и невозбудим). Это обеспечивается локализацией отрицательных и положительных зарядов в самом белке; эти заряды притягиваются к противоположным, существующим на мембране, и таким образом канал при изменении состояния мембраны открывается и закрывается. Когда он открыт, ионы натрия могут беспрепятственно проникать через него в клетку по градиенту концентрации. Это очень короткий момент времени - буквально доли миллисекунды.

    Калиевые каналы устроены ещё проще: это отдельные субъединицы, имеющие в разрезе трапециевидную форму; они расположены почти вплотную друг к другу, но между ними всегда остаётся зазор. Калиевые каналы не закрываются до конца, в состоянии покоя калий свободно уходит из цитоплазмы (по градиенту концентрации).

    И натриевые, и калиевые каналы являются потенциал-зависимыми - они работают в зависимости от изменений электрического потенциала мембраны.

    При формировании потенциала действия происходит резкая кратковременная перезарядка мембраны. Это обеспечивается несколькими последовательными процессами.

    Сначала под воздействием внешнего раздражения (например, электрического тока) мембрана деполяризуется - то есть заряды с разных её сторон меняются на противоположные (внутри клетки заряд переходит в положительный, снаружи - в отрицательный). Это является сигналом к открытию натриевых каналов, которых на поверхности одной мембраны огромное число - может быть до 12 тысяч. Момент, в который начинают открываться каналы, носит название критического уровня деполяризации. Ток, который даёт эту критическую деполяризацию, назван пороговым.

    Интересно, что повышение силы тока после достижения пороговой величины не меняет характеристик получающегося в итоге потенциала действия. Значение для открытия каналов имеет не амплитуда тока, а полученное мембраной количество энергии - «количество электричества». Эта закономерность получила название «всё или ничего» - либо есть полноценный ответ на раздражение при его величине от пороговой и выше, либо ответа нет вообще, если раздражение пороговой величины не достигло. При этом значение пороговой величины определяется длительностью подаваемого раздражения.

    Действителен этот закон, правда, только в рамках отдельной клетки. Если брать, например, нерв, составленный большим количеством разных аксонов, амплитуда тоже будет иметь значение, потому что ответ на раздражение мы увидим только тогда, когда каналы активируются во всех клетках - то есть при большем суммарном значении порогового тока.

    После открытия каналов натрий начинает поступать в клетку, и его ток значительно превышает ток выходящего по градиенту калия. Это значит, что проницаемость мембраны для натрия становится больше, чем для калия. В определённый момент открываются почти все натриевые каналы. Это происходит лавинообразно: от той точки, в которую пришёл стимул, в обе стороны. Таким образом, концентрация натрия в клетке резко повышается.

    После этого концентрации ионов должны вернуться к исходным. Это обеспечивает такое общее свойство каналов, как рефрактерность: канал, который сработал, некоторое время после этого неактивен и не может возбудиться под действием раздражающего стимула.

    Натриевые каналы в момент максимального ответа на раздражение становятся рефрактерны, проницаемость для натрия резко падает. Калиевые каналы, напротив, начинают активно работать, и ток калия из клетки возрастает. Таким образом из клетки уходит избыток положительно заряженных ионов и восстанавливается изначальный потенциал покоя. Этот период времени, пока не восстановятся натриевые каналы и исходный потенциал (это может занимать около миллисекунды), клетка не способна возбудиться.

    Поскольку способность клеток к возбуждению обеспечивает работу организма как целого и возможность центрального контроля всех клеток организма, яды, блокирующие каналы, являются одними из самых опасных для человека и многих животных.

    Один из самых страшных блокаторов каналов - тетродотоксин, вещество, вырабатываемое рыбой фугу. Для него значение LD50 (50% Level of Death - доза, от которой умрут 50 человек из ста) равно 10 миллиграмм на килограмм веса, то есть примерно в тысячу раз меньше, чем для цианида. Его молекулы связываются прочной связью с белком натриевого канала, когда он в закрытом состоянии, и полностью блокируют возможность возникновения потенциала действия. Похожие токсины вырабатывают некоторые водоросли. Яд скорпиона, напротив, держит все каналы в постоянно открытом состоянии.

    Ну ладно скорпион, а вот зачем такое страшное оружие водорослям - загадка.


    Есть что сказать? Оставть комментарий!.

  • 2 Принцип структурности. У каждого рефлекса есть свой морфологический субстрат, своя рефлекторная дуга.
  • 26. Рефлексы…
  • I. Безусловные рефлексы
  • II. Условные рефлексы
  • 29. Вегетативная нервная система…
  • Влияние отделов вегетативной нервной системы на органы
  • Вегетативные рефлексы
  • 32. Гуморальная регуляция функций…
  • Местная регуляция (1 уровень регуляции)
  • Региональная (органная) регуляция (2 уровень регуляции)
  • 1. Неспецифические метаболиты,
  • 2. Специфические метаболиты (тканевые гормоны). Система тканевых гормонов
  • 33. Гуморальная регуляция функций. Межсистемный уровень…
  • 1. Истинные гормоны.
  • 2. Парагормоны.
  • 1. Водорастворимые
  • Взаимодействие гормонов и парагормонов с клетками-мишенями
  • Различия нервной и гуморальной регуляции
  • 35. Гипоталамо-гипофизарная система…
  • 36. Передняя, задняя и промежуточная доли гипофиза…
  • 37. Щитовидная железа…
  • 38. Физиология надпочечников…
  • 1) Минералокортикоиды 2) глюкокортикоиды 3) половые гормоны
  • Гормоны мозгового вещества надпочечников
  • 39. Эндокринная функция поджелудочной железы…
  • Действие инсулина на белковый обмен
  • Влияние инсулина на жировой обмен
  • Регуляция инкреции инсулина
  • Эффекты глюкагона
  • Инсулиновый рецептор
  • 40. Женские половые железы…
  • 41. Мужские половые железы…
  • 42. Эндокринная функция эпифиза, тимуса, почек и сердца…
  • 43. Понятие о крови…
  • Состав плазмы крови
  • Электролитный состав плазмы/ммоль/л/
  • 44. Общая характеристика форменных элементов крови и их роль в организме. Гемопоэз, механизм и регуляция образования форменных элементов крови. Лейкоциты…
  • Клинико-физиологическая оценка содержания лейкоцитов
  • Анализ Лейкоцитарной формулы:
  • 45. Виды иммунитета…
  • Врожденный иммунитет Неспецифические механизмы защиты
  • 1. Вещества, обладающие антибактериальной и ан­тивирусной активностью (лизоцим, интерфероны).
  • 2. Система комплимента: система белков, разру­шающая целостность мембран клеток.
  • 3. Гранулоциты.
  • 1. Хемотаксис.
  • 2. Прикрепление чужеродного объекта к фагоциту.
  • 3. Поглощение.
  • 4. Лизис.
  • Главный комплекс гистосовместимости
  • 46. Эритроциты…
  • Эритрон
  • Эритрокинетика
  • Клинико-физиологическая оценка эритроцитов
  • Гемоглобин
  • Соединения гемоглобина:
  • Виды гемолиза
  • Осмотическая резистентность эритроцитов
  • Скорость оседания эритроцитов
  • 47. Понятие о системах групп крови…
  • 48. Понятие о гемостазе…
  • 1. Сосудистый компонент:
  • Тромбоциты
  • Функции тромбоцитов:
  • 49. Процесс свертывания крови… Гемокоагуляция (собственно свертывание крови)
  • 50. Противосвертывающие факторы…
  • Фибринолиз
  • 51. Физиологические свойства сердечной мышцы…
  • Особенности возбуждения сердечной мышцы
  • 52. Сердце, его гемодинамические функции...
  • Давление в полостях сердца в различные фазы сердечного цикла (мм рт. Ст.).
  • 53. Оценка нагнетательной (насосной) функции сердца… Сердечный цикл
  • 3. Фаза дополнительного наполнения желудочков - 0,1 сек.
  • 54. Механические проявления сердечной деятельности…
  • 55. Звуковые проявления сердечной деятельности…
  • 1. Тоны. 2. Шумы.
  • I тон соответствует зубцу r на экг.
  • 56. Электрические проявления сердечной деятельности…
  • Холтеровское /суточное/ мониторирование экг.
  • 57. Функциональная классификация кровеносных сосудов…
  • 2. Кровеносные сосуды
  • В системе кровообращения можно выделить три области
  • 2. Область транскапиллярного обмена
  • Общая характеристика движения крови по сосудам
  • 58. Сосудистый тонус…
  • 1. Сосудорасширяющие:
  • 1. Импульсы от рефлексогенных зон:
  • 2. Кортикальные влияния.
  • 59. Системная гемодинамика…
  • 60. Методы оценки основных показателей гемодинамики…
  • 1. Ультразвуковая допплерография (уздг) позво­ляет:
  • 2. Метод электромагнитной флоурометрии (расходометрия).
  • 3. Определение времени кругооборота крови.
  • 62. Регуляция системной гемодинамики…
  • 63. Микроциркуляция…
  • 64. Особенности гемодинамики в различных сосудистых ре­гионах. Легочное кровообращение…
  • 2. Важнейшие из гуморальных регуляторов
  • 65. Особенности гемодинамики в различных сосудистых ре­гионах. Почечный кровоток… Кровообращение в почках
  • Кровообращение скелетных мышц
  • Регуляция Гуморальная регуляция
  • Дистантная регуляция
  • Особенности кровообращения в нижних конечностях
  • 66. Лимфатическая система…
  • 67. Регуляция работы сердца…
  • 1.Основные рефлексогенные зоны сосудистого русла:
  • 2.Внесосудистые рефлексогенные зоны. Основные рецепторы рефлексогенных зон сердечно­сосудистой системы:
  • 1. Ацетилхолин.
  • 2. Адреналин.
  • 68. Дыхание…
  • Взаимодействие грудной клетки и легких
  • При вдохе преодолевается ряд сил:
  • 69. Биомеханика спокойного вдоха и выдоха… Биомеханика спокойного вдоха
  • Биомеханика спокойного выдоха
  • Биомеханика форсированного вдоха
  • Биомеханика форсированного выдоха
  • 70. Клинико-физиологическая оценка внешнего дыхания. Ле­гочные объемы…
  • Легочные объёмы и ёмкости
  • Методы измерения легочных объемов
  • 3. Определение остаточного объема
  • 71. Клинико-физиологическая оценка внешнего дыхания. Функциональные показатели...
  • 72. Газообмен в легких и тканях…
  • 73. Транспорт газов кровью…
  • 74. Регуляция дыхания…
  • 75. Механизмы перестройки внешнего дыхания…
  • 2.4. Раздражение рецепторов скелетных мышц.
  • 5.Участие коры головного мозга в регуляции дыхания.
  • 76. Пищеварение и его значение…
  • 77. Виды моторики пищеварительного тракта…
  • 1. Тонус гладкой мускулатуры пищеварительной трубки.
  • 2. Перистальтика гладкой мускулатуры пищеварительной трубки.
  • 3. Ритмическая сегментация гладкой мускулатуры пищева­рительной трубки.
  • 4. Маятникообразные движения гладкой мускулатуры пи­щеварительной трубки.
  • 5. Антиперистальтика гладкой мускулатуры пищевари­тельной трубки.
  • 6. Закрытие и открытие сфинктеров пищеварительной трубки.
  • 78. Пищеварение в полости рта…
  • Регуляция слюноотделения
  • 79. Пищеварении в желудке… Секреция в желудке
  • Моторная функция желудка
  • В моторике желудка выделяют в основном 4 вида:1. Тонус. 2. Перистальтика. 3. Ритмическая сегментация. 4. Маятникообразные движения
  • Механизм перехода пищи из желудка в 12-перстную кишку
  • 80. Пищеварение в 12-перстной кишке…
  • Сок поджелудочной железы
  • Карбогидразы поджелудочного сока
  • Регуляция секреции поджелудочной железы
  • 81. Роль печени в пищеварении… Желчь
  • Моторная функция желчных путей
  • 82. Состав и свойства кишечного сока… Сок тонкой кишки
  • Сок толстой кишки
  • Регуляция секреции в тонком кишечнике
  • Моторная функция тонкой кишки
  • Пристеночное (мембранное) пищеварение
  • 83. Всасывание…
  • 84. Принципы регуляции деятельности пищеварительной сис­темы…
  • 85. Пластическая и энергетическая роль углеводов, жиров и белков…
  • 86. Энергообмен…
  • Основной обмен
  • Рабочий обмен
  • 1. Прямая калориметрия.
  • 87. Тепловой обмен…
  • Температура тела человека
  • Терморегуляция
  • 1) Центральные
  • 2) Эффекторные
  • 88. Гомеостатические функции почек…
  • 89. Выделительная функция почек. Механизмы образования первичной мочи…
  • 3. Некоторые соли выводятся в концентрациях близких или равных таковым в крови.
  • Клубочковая фильтрация.
  • 90. Выделительная функция почек. Образование конечной (вторичной) мочи…
  • 3. Некоторые соли выводятся в концентрациях близких или равных таковым в крови.
  • Клинико-физиологическая оценка деятельности почек
  • 2.Определение удельного веса мочи. Удельный вес (или плотность) мочи колеблется в пределах от 1,014 до 1, 025.
  • 4.Определение мочевины, мочевой кислоты, общего азота и креатинина.
  • 91. Регуляция функции почек…
  • 1. Нервная. 2. Гуморальная (наиболее выраженная).
  • 92. Водный баланс…
  • 1. Водный баланс - равенство объемов выделяющейся из организма и поступающей за сутки воды. 2. Электролитный баланс - (Na, к, Са и т.Д.)
  • Водный баланс
  • 100 Г жира - 100 мл н2о,100 г белка - 40 мл н2о,100 г углевод. - 55 мл н2о. Эндогенной н2о мало для нужд организма, особенно для выведения шлаков.
  • 1. Внутриклеточное пространство (2/3 общей воды)
  • 2. Внеклеточное пространство (1/3)
  • 3. Вода полостей тела (при патологии - в брюшной, плевральной)
  • 2.За счет оптимального распределения воды между водными пространствами и секторами организма.
  • 94. Ретикулярная формация…
  • Гипоталямус
  • Передний мозг
  • 95. Кора больших полушарий…
  • 2. Раздражение отдельных зон коры больших полушарий.
  • 3. Регистрация биопотенциалов отдельных нейронов и суммарной их активности.
  • Таламолобная система представлена 9, 10, 11, 12, 13, 14 полями. Основная роль сводится к инициации базовых механизмов формирования функциональных систем целенаправленных поведенческих актов. Она:
  • Обеспечивает взаимоувязку доминирующей мотивации с возбуждениями, поступившими в кору от сенсорных систем;
  • Обеспечивает прогнозирование ожидаемого результата действия;
  • Обеспечивает сравнение достигнутых конечных результатов действия с ожидаемым результатом (прогнозом).
  • 96. Межполушарные взаимоотношения…
  • Функциональная асимметрия Выделяют следующие виды межполушарной функциональной асимметрии мозга: 1) психическую, 2) сенсорную, 3) моторную. Проявляться это будет в следующем:
  • Парность в деятельности коры больших полушарий
  • 97. Анализаторы…
  • Общие свойства анализаторов
  • 4. Дифференцировка анализатора по вертикали и горизонтали:
  • 2. Проводниковый отдел.
  • 98. Зрительный анализатор…
  • 1) Ядрах верхних бугров четверохолмья,
  • 100. Биологическое значение боли…
  • Нейрохимические механизмы ноцицепции
  • Антиноцицептивная (обезболивающая) система мозга
  • Нейрохимические механизмы антиноцицептивной системы
  • Взаимоотношения ноцицептивной и антиноцицептивной систем
  • 101. Условные рефлексы…
  • Биологический смысл условного рефлекса
  • Периоды образования условного рефлекса
  • 102. Корковое торможение…
  • Условный тормоз
  • Сон и бодрствование
  • 103. I и II сигнальные системы…
  • 1. Художественный тип - мыслит образами – преобладает чувственное /образное/ восприятие мира.
  • 2.Мыслительный тип - характерно абстрактное мышление
  • 104. Потребности и мотивации…
  • Потребность сохранения вида
  • 105. Эмоции…
  • Теории формирования эмоций
  • Положительные эмоции
  • 106. Память…
  • Процессы памяти включают 4 стадии
  • 1.Восприятие, запечатление и запоминание.
  • Теории памяти
  • 12. Ионные каналы…

    Ионный канал состоит из нескольких субъединиц, их ко­личество в отдельном ионном канале составляет от 3 до 12 субъединиц. По своей организации субъединицы, входящие в канал, могут быть гомологичными (однотипными), ряд кана­лов сформирован разнотипными субъединицами.

    Каждая из субъединиц состоит из нескольких (три и бо­лее) трансмембранных сегментов (неполярные части, закру­ченные в α-спирали), из вне- и внутриклеточных петель и концевых участков доменов (представлены полярными облас­тями молекул, формирующих домен и выступающих за преде­лы билипидного слоя мембраны).

    Каждый из трансмембранных сегментов, вне- и внутрик­леточных петель и концевых участков доменов выполняет свою функцию.

    Так, трансмембранный сегмент 2, организованный в виде α-спирали, определяет селективность канала.

    Концевые участки домена выступают в качестве сенсоров к вне- и внутриклеточным лигандам, а один из трансмембран­ных сегментов играет роль потенциалзависимого сенсора.

    Третьи трансмембранные сегменты в субъединице от­ветственны за работу воротной системы каналов и т.д.

    Ионные каналы работают по механизму облегченной диффузии. Движение по ним ионов при активации каналов идет по градиенту концентрации. Скорость перемещения через мембрану составляет 10 ионов в секунду.

    Специфичность ионных каналов.

    Большая часть из них относятся к селективным, т.е. кана­лам, пропускающим только один вид ионов (натриевые кана­лы, калиевые каналы, кальциевые каналы, анионные каналы).

    Селективность канала.

    Селективность канала определяется наличием избира­тельного фильтра.

    Его роль выполняет начальный участок канала, который имеет определенный заряд, конфигурацию и размер (диа­метр), что позволяет пройти в канал только определенному виду ионов.

    Некоторые из ионных каналов неселективные, например, каналы "утечки". Это такие каналы мембраны, по которым в состоянии покоя по градиенту концентрации из клетки выхо­дят ионы К + , однако по этим каналам в клетку в состоянии по­коя по градиенту концентрации входит и небольшое количество ионовNa + .

    Сенсор ионного канала.

    Сенсор ионного канала - чувствительная часть канала, ко­торая воспринимает сигналы, природа которых может быть различна.

    На этой основе выделяют:

      потенциалзависимые ионные каналы;

      рецепторуправляемые ионные каналы;

      лигандуправляемые (лигандзависимые);

      механоуправляемые (механозависимые).

    Каналы, имеющие сенсор, называются управляемыми. У некоторых каналов сенсор отсутствует. Такие каналы называ­ют неуправляемыми.

    Воротная система ионного канала.

    У канала есть ворота, которые закрыты в состоянии покоя и открываются при воздействии сигнала. У некоторых каналов выделяют два вида ворот: активационные (m-ворота) и инактивационные (h-ворота).

    Выделяют три состояния ионных каналов:

      состояние покоя, когда ворота закрыты и канал недо­ступен для ионов;

      состояние активации, когда воротная система открыта и ионы перемещается через мембрану по каналу;

      состояние инактивации, когда канал закрыт и не отве­чает на стимулы.

    Скорость проведения (проводимость).

    Бывают быстрые и медленные каналы. Каналы “ утечки ” - медленные, натриевые каналы в нейронах - быстрые.

    В мембране любой клетки имеется большой набор разно­образных (по скорости) ионных каналов, от активации кото­рых зависит функциональное состояние клеток.

    Потенциалуправляемые каналы.

    Потенциалуправляемый канал состоит из:

      поры, заполненной водой;

    • селективного фильтра;

      активационных и инактивационных ворот;

      сенсора напряжения.

    Диаметр канала значительно больше диаметра иона, в зоне селективного фильтра он сужается до атомарных размеров, это и обеспечивает выполнение данным участком канала функции селективного фильтра.

    Открытие и закрытие воротного механизма возникает при изменении мембранного потенциала, причем открываются во­рота при одном значении мембранного потенциала, а закрыва­ются при другом уровне потенциала мембраны.

    Считается, что изменение электрического поля мембраны воспринимается специальным участком стенки канала, кото­рый получил название сенсор напряжения.

    Изменение его состояния, обусловленное изменением уровня мембранного потенциала, вызывает конформацию бел­ковых молекул, формирующих канал, и, как следствие, ведет к открытию или закрытию ворот ионного канала.

    Каналы (натриевые, кальциевые, калиевые) имеет четыре гомологичных домена - субъединицы (I,II,III,IV). Домен (на примере натриевых каналов) состоит из шести трансмембран­ных сегментов, организованных в виде а-спиралей, каждый из которых играет свою роль.

    Так, трансмембранный сегмент 5 играет роль поры, транс­мембранный сегмент 4 сенсора, реагирующего на изменение потенциала мембраны, другие трансмембранные сегменты от­ветственны за активацию и инактивацию воротной системы канала. До конца роль отдельных трансмембранных сегментов и субъединиц не изучена.

    Натриевые каналы (внутренний диаметр 0,55 нм) имеют­ся в клетках возбудимых тканей. Плотность на 1 мкм 2 в раз­личных тканях не одинакова.

    Так, в немиелиновых нервных волокнах она составляет 50-200 каналов, а в миелиновых нервных волокнах (перехваты Ранвье) - 13000 на 1 мкм 2 площади мембраны. В состоянии по­коя они закрыты. Мембранный потенциал составляет 70-80 мВ.

    Воздействие раздражителя изменяет мембранный потен­циал и активирует потенциалзависимый натриевый канал.

    Он активируется при смещении потенциала мембраны от уровня потенциала покоя в направлении критического уровня деполяризации.

    Сильный натриевый ток обеспечивает смещение потенци­ала мембраны до критического уровня деполяризации (КУД).

    Изменение мембранного потенциала до -50-40 мВ, т.е. до уровня критического уровня деполяризации, вызывает откры­тие других потенциалзависимых № + -каналов, через которые осуществляется входящий натриевый ток, формирующий "пик" потенциала действия.

    Ионы натрия по градиенту концентрации и химическому градиенту по каналу перемещаются в клетку, формируя так называемый входящий натриевый ток, что приводит к даль­нейшему быстрому развитию процесса деполяризации.

    Мембранный потенциал изменяет знак на противополож­ный +10-20 мв. Положительный мембранный потенциал вы­зывает закрытие натриевых каналов, их инактивацию.

    Потенциалзависимые № + -каналы играют ведущую роль в формировании потенциала действия, т.е. процесса возбужде­ния в клетке.

    Ионы кальция затрудняют открытие потенциалзависимых натриевых каналов, изменяя параметры реагирования.

    К + -каналы

    Калиевые каналы (внутренний диаметр 0,30 нм) имеются в цитоплазматических мембранах, обнаружено значительное количество каналов "утечки" калия из клетки.

    В состоянии покоя они открыты. Через них в состоянии покоя происходит "утечка" калия из клетки по градиенту кон­центрации и электрохимическому градиенту.

    Этот процесс обозначается как выходящий калиевый ток, который приводит к формированию потенциала покоя мемб­раны (-70-80 мВ). Эти калиевые каналы можно лишь условно отнести к потенциалзависимым.

    При изменении мембранного потенциала в процессе депо­ляризации происходит инактивация калиевого тока.

    При реполяризации через потенциалзависимые каналы формируется входящий К + ток, который получил название К + ток задержанного выпрямления.

    Еще один тип потенциалзависимых К + -каналов. По ним возникает быстрый выходящий калиевый ток в подпороговой области мембранного потенциала (положительный следовой потенциал). Инактивация канала происходит за счет следовой гиперполяризации.

    Другой тип потенциалзависимых калиевых каналов акти­вируется только после предварительной гиперполяризации, он формирует быстрый транзиторный калиевый ток, который быстро инактивируется.

    Ионы кальция облегчают открытие потенциалзависимых калиевых каналов, изменяя параметры реагирования.

    Са + -каналы.

    Потенциалуправляемые каналы вносят существенный вклад как в регуляцию входа кальция в цитоплазму, так и в электрогенез.

    Белки, образующие кальциевые каналы, состоят из пяти субъединиц (al,a2,b,g,d).

    Главная субъединица alформирует собственно канал и содержит места связывания для различных модуляторов каль­циевых каналов.

    Было обнаружено несколько структурно различных alсубъединиц кальциевых каналов в нервных клетках млекопи­тающих (обозначенных как А, В, С,Dи Е).

    Функционально кальциевые каналы различных типов от­личаются друг от друга активацией, кинетикой, проводимос­тью одиночного канала и фармакологией.

    В клетках описано до шести типов потенциалуправляемых кальциевых каналов (Т - ,L - ,N - ,P - ,Q - ,R - каналы).

    Активность потенциалуправляемых каналов плазмалеммы регулируется различными внутриклеточными вторич­ными посредниками и мембранно-связанными G-белками.

    Кальциевые потенциалзависимые каналы обнаружены в большом количестве в цитоплазматических мембранах нейро­нов, миоцитах гладких, поперечно-полосатых и сердечных мышц и в мембранах эндоплазматического ретикулума.

    Са 2+ -каналы СПР являются олигомерными протеинами, встроенными в мембрану СПР.

    Са 2+ -управляемые Са 2+ -каналы СПР.

    Эти кальциевые каналы были впервые выделены из ске­летных и сердечных мышц.

    Оказалось, что Са 2+ -каналы СПР в этих мышечных тканях имеют молекулярные различия и кодируются различными ге­нами.

    Са 2+ -каналы СПР в сердечных мышцах непосредственно связаны с высокопороговыми Са 2+ -каналами плазмалеммы (L-тип) через кальцийсвязывающие белки, образуя, таким обра­зом, функционально активную структуру - "триаду".

    В скелетных мышцах деполяризация плазмалеммы прямо активирует освобождение Са 2+ из эндоплазматического ретикулума благодаря тому, что Са 2+ -каналы плазмалеммы служат потенциалчувствительными передатчиками активирующего сигнала непосредственно Са 2+ -каналам СПР через связываю­щие белки.

    Таким образом, Са 2+ -депо скелетных мышц обладают ме­ханизмом освобождения Са 2+ , вызываемым деполяризацией (RyRl-тип).

    В отличие от скелетных мышц, эндоплазматические Са 2+ -каналы кардиомиоцитов не связаны с плазмалеммой, и для стимуляции освобождения Са 2+ из депо требуется увели­чение концентрации цитозольного кальция (RyR2-тип).

    Кроме этих двух типов Са 2+ -активируемых Са 2ч -каналов, недавно был идентифицирован третий тип Са 2+ -каналов СПР (RyR3-тип), который еще изучен не достаточно.

    Для всех кальциевых каналов характерна медленная акти­вация и медленная инактивация по сравнению с натриевыми каналами.

    При деполяризации мышечной клетки (выпячивания цитоплазматических мембран - Т-трубочки подходят к мембра­нам эндоплазматического ретикулума) происходит потенциалзависимое открытие кальциевых каналов мембран саркоплазматического ретикулума.

    Так как, с одной стороны, концентрация кальция в СПР велика (депо кальция), а концентрация кальция в цитоплазме низка, а с другой - площадь мембраны СПР и плотность каль­циевых каналов в ней велики, то уровень кальция в цитоплаз­ме увеличивается в 100 раз.

    Такое увеличение концентрации кальция инициирует процесс сокращения миофибрилл.

    Кальциевые каналы в кардиомиоцитах находятся в цитоплазматической мембране и относятся к кальциевым каналам L-типа.

    Активируются при потенциале мембраны +20-40 мВ, фор­мируют входящий кальциевый ток. Длительно находятся в ак­тивированном состоянии, формируют "плато" потенциала действия кардиомиоцита.

    Анионные каналы.

    Наибольшее количество в мембране клетки каналов для хлора. В клетке меньше ионов хлора по сравнению с межкле­точным окружением. Поэтому при открытии каналов хлор входит в клетку по градиенту концентрации и электрохими­ческому градиенту.

    Количество каналов для НСО 3 не столь велико, объем транспорта этого аниона через каналы существенно меньше.

    Ионные обменники.

    В мембране имеются ионные обменники (белки-перенос­чики), которые осуществляют облегченную диффузию ионов, т.е. ускоренное сопряженное перемещение ионов через биомембрану по градиенту концентрации, такие процессы явля­ются АТФ-независимыми.

    Наиболее известны Na + -H + ,K + -H + ,Ca 2+ -H + обменники, а также обменники, обеспечивающие обмен катионов на ани­оныNa + -HCO- 3 , 2CI-Са 2+ и обменники, обеспечивающие обмен катиона на катион (Na + -Са 2+) или аниона на анион (Сl- НСOз).

    Рецепторуправляемые ионные каналы.

    Лигандуправляемые (лигандзависимые) ионные каналы.

    Лигандуправляемые ионные каналы являются подвидом рецепторуправляемых каналов и всегда совмещены с рецепто­ром к биологически активному веществу (БАВ).

    Рецепторы рассматриваемых каналов относятся к ионотропному типу мембранных рецепторов, при взаимодействии которых с БАВ (лиганды) возникают быстропротекающие ре­акции.

    Лигандуправляемый ионный канал состоит из:

      поры, заполненной водой;

      селективного фильтра;

      активационных ворот;

      центра связывания лиганда (рецептор). Высокоэнергетически активное БАВ обладает высоким

    сродством (аффинитетом) к определенному виду рецепторов. При активации ионных каналов происходит перемещение оп­ределенных ионов по градиенту концентрации и электрохими­ческому градиенту.

      В рецепторе мембраны центр связывания лиганда может быть доступен для лиганда с наружной поверхности мембраны.

    В этом случае в качестве лиганда выступают гормоны и парагормоны, ионы.

    Так, при активации N-холинорецепторов активируются натриевые каналы.

    Кальциевую проницаемость инициируют нейрональные ацетилхолинуправляемые, глютаматуправляемые (NMDAи АМРА / каинаттипы) рецепторы и пурино-рецепторы.

    ГАМК А -рецепторы сопряжены с ионными хлорными каналами, с хлорными каналами сопряжены и глицино­вые рецепторы.

      В рецепторе мембраны центр связывания лиганда может быть доступен для лигандов с внутренней поверхности мембраны.

    В этом случае в качестве лиганда выступают протеинкиназы, активированные вторыми посредниками, или сами вторые посредники.

    Так, протеинкиназы А, С, G, фосфорилируя белки катионных каналов, изменяют их проницаемость.

    Механоуправляемые ионные каналы.

    Механоуправляемые ионные каналы изменяют свою про­водимость для ионов либо за счет изменения натяжения билипидного слоя, либо через цитоскелет клетки. Множество механоуправляемых каналов сопряжено с механорецепторами, они существуют в слуховых клетках, мышечных верете­нах, сосудистом эндотелии.

    Все механоуправляемые каналы делятся на две группы:

      активирующиеся при растяжении клеток (SAC);

      инактивирующиеся при растяжении клеток (SIC).

    У механоуправляемых каналов имеются все основные ка­нальные признаки:

      пора, заполненная водой;

      воротный механизм;

      сенсор, реагирующий на растяжение.

    При активации канала по нему происходит перемещение ионов по градиенту концентрации.

    Натрий, калиевая АТФаза.

    Натрий, калиевая АТФаза (натрий-калиевый насос, на­трий-калиевая помпа).

    Состоит из четырех трансмембранных доменов: из двух α-субъединиц и двух β-субъединиц. α-субъединица является большим доменом, а β-субъединица - малым. В ходе транс­порта ионов фосфорилируются большие субъединицы и через них перемещаются ионы.

    Натрий, калиевая АТФаза играет важнейшую роль в под­держании гомеостаза натрия и калия во внутри- и внеклеточ­ной среде:

      поддерживает высокий уровень К + и низкий уровеньNa + в клетке;

      участвует в формировании мембранного потенциала покоя, в генерации потенциала действия;

      обеспечивает Na + сопряженный транспорт большинства органических веществ через мембрану (вторично-активный транспорт);

      существенно влияет на гомеостаз Н 2 О.

    Натрий, каливая АТФаза вносит наиболее важный вклад в формирование ионной асимметрии во вне- и внутриклеточных пространствах.

    Поэтапная работа натрий, калиевого насоса обеспечивает неэквивалентный обмен калия и натрия через мембрану.

    Са + -АТФаза (насос).

    Существуют два семейства Са 2+ -насосов, ответственных за устранение ионов Са 2+ из цитоплазмы: Са 2+ -насосы плазмалеммы и Са 2+ -насосы эндоплазматического ретикулума.

    Хотя они относятся к одному семейству белков (так назы­ваемому Р-классу АТФаз), эти насосы обнаруживают некото­рые различия в строении, функциональной активности и фармакологии.

    Находится в большом количестве в цитоплазматической мембраны. В цитоплазме клетки в покое концентрация каль­ция составляет 10-7 моль/л, а вне клетки значительно больше -10-3 моль/л.

    Такая значительная разница концентраций поддерживает­ся за счет работы цитоплазматической Са ++ -АТФазы.

    Активность Са 2+ -насоса плазмалеммы контролируется не­посредственно Са 2+ : увеличение концентрации свободного кальция в цитозоле активирует Са 2+ -насос.

    В покое диффузия через кальциевые ионные каналы поч­ти не происходит.

    Са-АТФаза транспортирует Са из клетки во внеклеточную среду против его концентрационного градиента. По градиенту Са + поступает в клетку благодаря диффузии через ионные каналы.

    В мембране эндоплазматического ретикулума также со­держится большое количество Са ++ -АТФазы.

    Кальциевый насос эндоплазматического ретикулума (SERCA) обеспечивает удаление кальция из цитозоля в эндоплазматический ретикулум - "депо" кальция за счет первично активного транспорта.

    В депо кальций связывается с кальцийсвязывающими белками (кальсеквестрином, кальретикулином и др.).

    В настоящее время описано по крайней мере три различ­ных изоформы SERCA-насосов.

    SERCA1-подтип сосредоточен исключительно в быстрых скелетных мышцах,SERCA2-насосы широко распространены в других тканях. ЗначимостьSERCA3 -насосов менее ясна.

    Белки SERCA2-нacocoв разделяются на две различные изоформы:SERCA2a, характерные для кардиомиоцитов и гладких мышц, иSERCA2b, характерные для тканей мозга.

    Увеличение Са 2+ в цитозоле активирует захват ионов кальция в эндоплазматический ретикулум, в то время как уве­личение свободного кальция внутри эндоплазматического ретикулума ингибирует насосыSERCA.

    Н+ К+ -АТФаза (насос).

    При помощи этого насоса (в результате гидролиза одной молекулы АТФ) в обкладочных (париетальных) клетках слизистой желудка происходит транспорт двух ионов калия из внеклеточного пространства в клетку и двух ионов Н+ из цитозоля во внеклеточное пространство при гидролизе одной молекулы. Этот механизм лежит в основе образования соляной кислоты в желудке.

    Ионный насос класс F .

    Митохондриальная АТФаза. Катализирует конечный этап синтеза АТФ. Крипты митохондрий содержат АТФ-синтазу, сопрягающую окисление в цикле Кребса и фосфорилирование АДФ до АТФ.

    Ионный насос класса V .

    Лизосомальные Н + -АТФазы (лизосомальные протонные насосы) - протонные насосы, обеспечивающие транспорт Н + из цитозоля в ряд органелл-лизосомы, аппарат Гольджи, сек­реторные везикулы. В результате понижается значение рН, на­пример, в лизосомах до 5,0 что оптимизирует деятельность этих структур.

    Особенности ионного транспорта

    1. Значительный и асимметричный трансмембранный! градиент для Na + и К + в покое.

    Натрия вне клетки (145 ммоль/л) в 10 раз больше, чем в клетке (14 ммоль/л).

    Калия в клетке (140 ммоль/л) примерно в 30 раз больше, чем вне клетки (4 ммоль/л).

    Эта особенность распределения ионов натрия и калия:

      гомеостатируется работой Na + /K + -нacoca;

      формирует в покое выходящий калиевый ток (канал утечки);

      формирует потенциал покоя;

      работа любых калиевых каналов (потенциалзависимых, кальцийзависимых, лигандзависимых) направлена на формирование выходящего калиевого тока.

    Это либо возвращает состояние мембраны к исходному уровню (активация потенциалзависимых каналов в фазу реполяризации), либо гиперполяризует мембрану (кальцийзависимые, лигандзависимые каналы, в том числе и активируемые системами вторых посредников).

    Следует иметь в виду, что:

      перемещение калия через мембрану осуществляется путем пассивного транспорта;

      формирование возбуждения (потенциала действия) всегда обусловлено входящим натриевым током;

      активация любых натриевых каналов всегда вызывает входящий натриевый ток;

      перемещение натрия через мембрану осуществляется почти всегда путем пассивного транспорта;

      в эпителиальных клетках, образующих в тканях стенку разных трубок, полостей (тонкий кишечник, канальца нефрона и др.), во внешней мембране всегда имеется большое количество натриевых каналов, обеспечиваю­щих при активации входящий натриевый ток, а в базальной мембране - большое число натрий, калиевых насосов, выкачивающих натрий из клетки. Такое асим­метричное распределение этих транспортных систем для натрия обеспечивает его трансклеточный перенос, т.е. из просвета кишечника, почечных канальцев во внутреннюю среду организма;

      пассивный транспорт натрия в клетку по электрохими­ческому градиенту ведет к накоплению энергии, кото­рая используется для вторично активного транспорта многих веществ.

    2. Низкий уровень кальция в цитозоле клетки.

    В клетке в покое содержание кальция (50 нмоль/л) в 5000 раз ниже, чем вне клетки (2,5 ммоль/л).

    Такой низкий уровень кальция в цитозоле не случаен, так как кальций в концентрациях в 10-100 раз больше исходной выступает в качестве второго внутриклеточного посредника в реализации сигнала.

    В таких условиях возможно быстрое увеличение кальция в цитозоле за счет активации кальциевых каналов (облегчен­ная диффузия), которые в большом количестве имеются в цитоплазматической мембране и в мембране эндоплазматического ретикулума (эндоплазматический ретикулум - "депо" кальция в клетке).

    Формирование потоков кальция, происходящее за счет открытия каналов, обеспечивает физиологически значимое повышение концентрации кальция в цитозоле.

    Низкий уровень кальция в цитозоле клетки поддержива­ется Са 2+ -АТФазой,Nа + /Са 2+ -обменниками, кальцийсвязывающими белками цитозоля.

    Кроме быстрого связывания цитозольного Са 2+ внутрик­леточными Са 2+ -связывающими белками, ионы кальция, по­падающие в цитозоль, могут аккумулироваться аппаратом Гольджи или клеточным ядром, захватываться митохондриальными Са 2+ -депо.

    3. Низкий уровень хлора в клетке.

    В клетке в покое содержание хлора (8 ммоль/л) более чем в 10 раз ниже, чем вне клетки (110 ммоль/л).

    Такое состояние поддерживается работой К + /Сl- -транспортер.

    Изменение функционального состояния клетки связано (или обусловлено) с изменением проницаемости мембраны для хлора. При активации протенциал- и лигандуправляемых хлорных каналов ион через канал путем пассивного транспор­та входит в цитозоль.

    Кроме того, вход хлора в цитозоль формируется за счет № + /К + /2СГ-котранспортера и СГ-НСО 3 -обменник.

    Вход хлора в клетку увеличивает полярность мембраны вплоть до гиперполяризации.

    Особенности ионного транспорта играют основополагаю­щую роль в формировании биоэлектрических явлений в орга­нах и тканях, которые кодируют информацию, определяют функциональное состояние этих структур, их переход из одно­го функционального состояния в другое.

    — трансмембранные белки, образующие поры через цитоплазматическую и другие биологические мембраны, которые помогают устанавливать и управлять электрическим напряжением через мембраны всех живых клеток (так называемым мембранным потенциалом), позволяя движение определенных ионов вниз по электрохимическим градиентом.

    Основные черты

    Ионные каналы регулируют поток ионов через мембрану во всех клетках. Они представляют собой белковую молекулу или комплекс нескольких молекул, которые пронизывают липидный слой клеточной мембраны насквозь. Внутри белка находится сквозное отверстие, или пора, по которой могут двигаться ионы. Пора открывается и закрывается с помощью движений белковой молекулы самого канала или вспомогательных белков — так называемый «Воротные механизм». При открывании времени через канал движутся ионы, которых заставляет перемещаться электрохимический градиент по обе стороны клеточной мембраны. Таким образом, каналы являются проводниками пассивного транспорта.

    Движение ионов через канал приводит к изменению мембранного потенциала клетки или вхождения новых ионов в клетку (в первую очередь ионов кальция и хлора). Это в дальнейшем приводит к изменению функции клетки. Трансмембранный градиент поддерживается для немногих малых ионов: катионов (Na +, Ca 2+, K +, H +) и анионов (Cl -, OH -). Тем не менее, существует несколько сотен генов, кодирующих различные ионные каналы живых организмов. Это многообразие связано в частности с многообразием воротных механизмов. Белковая молекула канала воспринимает определенный вид энергии и в ответ меняет свою конформацию так, чтобы время канала открылась или закрылась. Распространены потенциалзависимые каналы, то есть те, которые открываются в ответ на определенную разность потенциалов на мембране, и хемозалежни каналы, то есть те, которые изменяют конформацию после связывания со специфической молекулой. Есть также каналы, которые меняют свою способность пропускать ионный ток в ответ на изменение температуры, pH, давление на мембрану, свет и т.

    Молекулярное строение

    Эти комплексы обычно имеют вид цилиндрической структуры, составленной из одной или нескольких идентичных, гомологичных или различных белковых молекул, плотно упакованных вокруг заполненной водой поры, проходит через липидный бислой мембраны. Если эти белковые молекулы или субъединицы канала являются продуктами одного гена, то канал является гомомером, если же разных — то гетерометром. По количеству субъединиц различают мономеры, димеры, триммеры, тетрамеры, пентамер, октамер т. Например, калиевые каналы часто является гомотетрамерамы — то есть образованные четырьмя одинаковыми субъединицами. По обычной номенклатурой, субъединицы, формирующие время, называются α-субъединицами, тогда как вспомогательные субъединицы — β, γ и так далее. Каждая α-субъединица состоит из нескольких (2-7) трансмембранных сегментов (что чаще всего является α-спиралями), Р-петли, которая выстилает время, цитоплазматических концов и внеклеточного петель.

    Свойства ионных каналов

    • Селективность — это способность канала избирательно пропускать определенный тип ионов. Избирательность является относительной: даже высокоселективные каналы при определенных условиях (ионный состав среды, липидный состав мембран, температура и т.д.) могут пропускать и другие ионы помимо основного. Но при физиологическом состоянии за селективностью каналы делятся на селективные (например, натриевые или калиевые), или неселективные (катионный канал глутаматных рецептора). Селективность обычно достигается специфическим строением поры. Пора содержит в себе селективный фильтр, который может иметь ширину около диаметра одного атома, разрешающий прохождение только определенного типа ионов, например натрия или калия, или в нем находятся места связывания, имеющих сродство только к определенным ионов (например, кальция) .
    • Проницаемость — это способность определенного иона проходить сквозь время канала. Проницаемость прямо следует из селективности. Чем выше селективность канала, тем ниже проводимости для неосновных ионов.
    • Проводимость — это величина, показывающая количество ионов, которые способны пройти через время канала в единицу времени. Единица проводимости — сименс.

    Биологическая роль

    Открытие и закрытие ионных каналов лежат в основе передачи нервных импульсов, а проводимость каналов является основой работы электрических синапсов. Поэтому ионные каналы крайне важными компонентами нервной системы. Действительно, большинство наступательных и защитных токсинов, которые организмы развили для прекращения работы нервные системы хищников и добычи (например, яды, выделяемые пауками, скорпионами, змеями, рыбами, пчелами, морскими моллюсками и другими организмами) работают из-за блокирования ионных Калалы. Ионные каналы вовлечены в поддержание напряжения в митохондриях эукариот и на плазматических мембранах прокариот, которая используется для получения энергии в виде АТФ — основного «топлива» клеток. Кроме того, многочисленные ионные каналы отвечают за широкий спектр биологических процессов, которые привлекают быстрые изменения состояния клетки, например сердечной деятельности, сокращения скелетных и гладких мышц, транспорт питательных веществ через эпителий, работе T-лимфоцитов, секреции гормонов. При разработке новых лекарств ионные каналы — очень частые мишени.

    Многообразие ионных каналов

    Единой классификации ионных каналов на сегодняшний день не существует. Каналы систематизируют по селективностью к ионам (анионные, катионные, натриевые, калиевые, хлорные и т.д.), по механизму активации (потенциалзависимые, лигандкеровани, депокеровани, механорецепторы, температурозалежни и т.п.), по чувствительности к химическим веществам (например, АТФ-зависимые, TTX- нечувствительны), по генетической гомологией. В украинской научной литературе предложена следующая классификация:

    • Лигандкеровани ионные каналы
      • Cys-петельные — гомо- или гетеропентамерни
        • Неселективные катионные: никотиновый ацетилхолиновых рецепторов, серотониновый рецептор
        • Селективные хлорные: глицинового рецептор, ГАМК А рецептор, ГАМК С рецептор
      • Глутаматных рецепторов — гомо- или гетеротетрамеры
        • AMPA-рецепторы, каинатни рецепторы, NMDA-рецепторы
      • Пуриновые рецепторы — гомо- или гетеротетрамеры
        • P2X рецепторы
    • Потенциалзависимые ионные каналы
      • Натриевые каналы
        • тетродоксин-чувствительные
        • тетродоксин-нечувствительны
      • Кальциевые каналы
        • L-типа
        • N-типа
        • P / Q-типа
        • R-типа
        • T-типа — низькопорогови кальциевые каналы
    • Калиевые каналы
      • Потенциалзависимые
        • Shaker- Shab- Shal- Shaw-родственные
        • KvLQT1-родственные
        • eag-родственные
        • erg-родственные
        • elc-родственные
      • кальций-активированные
        • большой проводимости BK
        • малой проводимости SK
        • Na-, Cl-активированные
        • OH-активированные
      • Входного выпрямления
        • G-белок регулируемые GIRK
        • АТФ-зависимые калиевые каналы K-ATP
      • фоновые
        • двопородоменни (2P)
    • Каналы, управляемые циклическими нуклеотидами
    • Депокеровани и арахидонатрегульовани каналы
    • Каналы "транзиентной рецепторного потенциала" (ТРТ)
        • TRPC, "классические"
        • TRPV, "ванилоидни" TRPV1
        • TRPM, "меластатинови" TRPM8
        • TRPA, "анкирином"
        • TRPP, "полицистинови"
        • TRPML, "муколипины"
    • Натриевые потенциалзависимые дегенеринподибни
      • эпителиальные ENaC
      • протончутливи ASIC
    • Анионные ионные каналы
      • Хлорные каналы ClC

    Заболевания, связанные с ионными каналами

    Нарушение работы ионных каналов часто приводят к заболеваниям — каналопатиям. Основная причина таких нарушений — наследственные мутации, влияющие на структуру канала, но и возможны и другие повреждения (метаболические, радиационные и т.п.). Примеры каналопатиям:

    • муковисцидоз
    • сердечные аритмии
    • синдром Бругада
    • синдром Тимоти
    • генерализованная эпилепсия

    Как изучают ионные каналы

    Мембранная теория

    Долгое время цитологи спорили, как устроена клетка. Между собой конкурировали две теории: мембранная и фазовая. Мембранная теория предполагала наличие полупроницаемого барьера, который бы отделял цитоплазму от межклеточного пространства, создавая градиенты веществ. Фазовая теория исключала наличие такого барьера, а гомеостаз в клетке поддерживают белки-акцепторы различных веществ — акцепторы калия, натрия, кислорода, глюкозы и др. Открытие электронной микроскопии показало победу мембранной теории. Поэтому следующим шагом стало изучение свойств мембраны. Ходжкин и Бернард Кац обнаружили способность гигантского аксона кальмара пропускать различные ионы при различных мембранных потенциалах. Так появилась гипотеза о наличии селективных ионных каналов. В дальнейшем она блестяще подтвердилась.

    Методы исследования

    Первые исследования ионных каналов были осуществлены с помощью микроэлектродов на гигантских возбуждающих клетках. Развитие микроэлектродной техники привело к созданию метода фиксации потенциала на участке мембраны. Сначала исследования проводились только на функциональном уровне, дальше гены каналов был клонирован и их стали также изучать генетически и структурно. Также ионные каналы теперь искусственно вводят в клетки, почти не имеют собственных каналов (яйцеклетки, иммортализовани клеточные линии и т.п.), где изучают их функции. Используют ряд молекулярно-биологических и оптических методов (ПЦР, количественную ПЦР, ПЦР для одной клетки, иммунохимических методы, флуоресцентную микроскопию). Некоторые канальные белки удалось закристализуваты и провести рентгеноструктурный анализ. Другие структуры предусмотрены пока теоретически.

    Вклад украинских ученых в исследования ионных каналов

    В Институте физиологии имени А.А. Богомольца НАН Украины еще с 1950-х начались исследования электрических свойств клеток. У истоков этой работы стояли Даниил Воронцов, Платон Костюк, Михаил Шуба. Впервые в мире Костюк и Хрусталь доказали наличие отдельных кальциевых каналов в клеточной мембране нервных клеток. В дальнейшем под руководством Платона Костюка группой Николая Веселовского было впервые описано токи через кальциевые каналы Т-типа, а группой Олега Крышталя — через пуриновые и протончутливи каналы.

    В 2005 году выходец из Украины Юрий Киричек (ученик Олега Крышталя) впервые описал токи через ионные каналы сперматозоида, в частности удалось открыть лужночутливий кальциевый канал CatSper.

    Согласно современным представлениям биологические мембраны образуют наружную оболочку всех живых клеток. Одним из главных структурных признаков является то, что мембраны всегда образуют замкнутые пространства. Этот факт помогает выполнять им важнейшие функции:

      Барьерная (создание концентрационных градиентов, что препятствует свободной диффузии веществ). Это обеспечивает создание потенциала покоя, генерацию потенциала действия.

      Регуляторная (тонкая регуляция внутриклеточного содержимого и внутриклеточных реакций за счет рецепции БАВ, что приводит к изменению активности ферментативных систем мембраны и запуску механизмов вторичных месенджеров (посредников).

      Преобразование энергии раздражителя в электрические сигналы (в рецепторах).

      Высвобождение нейромедиаторов в синоптических окончаниях.

    Химический анализ показал, что мембраны в основном состоят из липидов и белков, количество которых варьирует у разных типов клеток. В настоящее время наиболее признана жидкостно-мозаичная модель клеточной мембраны.

    Согласно этой модели, мембрана представлена бислоем фосфолипидных молекул. При этом гидрофобные концы молекул находятся внутри бислоя, а гидрофильные направлены в водную фазу, что способствует 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:

      рецепторную,

      ферментативную,

      образуют ионные каналы,

      являются мембранными насосами,

      переносят ионы и молекулы.

    Общее представление о структуре и функциях ионных каналов.

    Ионные каналы - особые образования в мембране клетки, представляющие собой олигомерные (состоящие из нескольких субъединиц) белки. Центральным образованием канала является молекула белка, которая пронизывает мембрану таким образом, что в ее гидрофильном центре формируется канал-пора, через которую в клетку способны проникать соединения, диаметр которых не превышает диаметра поры (обычно- это ионы).

    Вокруг главной субъединицы канала располагается система из нескольких субъединиц, которые формируют участки для взаимодействия с мембранными регуляторными белками, различными медиаторами, а также фармакологически активными веществами.

    Классификация ионных каналов по их функциям:

    1) по количеству ионов, для которых канал проницаем, каналы делят на селективные (проницаемы только для одного вида ионов) и неселективные (проницаемы для нескольких видов ионов);

    2) по характеру ионов, которые они пропускают на Na + , Ca ++ , Cl - , K + -каналы;

    3) по способу регуляции делятся на потенциалзависимые и потенциалнезависимые. Потенциалзависимые каналы реагируют на изменение потенциала мембраны клетки, и при достижении потенциалом определенной величины, канал переходит в активное состояние, начиная пропускать ионы по их градиенту концентрации. Так, натриевые и быстрые кальциевые каналы являются потенциалзависимыми, их активация происходит при снижении мембранного потенциала до -50-60 мВ, при этом ток ионов Na + и Ca ++ в клетку вызывает падение потенциала покоя и генерацию ПД. Калиевые потенциалзависимые каналы активируются при развитии ПД и, обеспечивая ток ионов К + из клетки, вызывают реполяризацию мембраны.

    Потенциалнезависимые каналы реагируют не на изменение мембранного потенциала, а на взаимодействие рецепторов, с которыми они взаимосвязаны, и их лигандов. Так, Cl - -каналы связаны с рецепторами g-аминомасляной кислоты и при взаимодействии этих рецепторов с ней они активируются и обеспечивают ток ионов хлора в клетку, вызывая ее гиперполяризацию и снижение возбудимости.

    3. Мембранный потенциал покоя и его происхождение.

    Термином «мембранный потенциал покоя» принято называть трансмембранную разность потенциалов, существующую между цитоплазмой и окружающим клетку наружным раствором. Когда клетка (волокно) находится в состоянии физиологического покоя, ее внутренний заряд отрицателен по отношению к наружному, условно принимаемому за нуль. У разных тканей мембранный потенциал характеризуется разной величиной: самый большой у мышечной ткани -80 -90 мВ, у нервной -70 мВ, у соединительной -35 -40 мВ, у эпителиальной -20мВ.

    Образование МПП зависит от концентрации ионов К + , Nа + , Са 2+ , Сl - , и от особенностей строение мембраны клетки. В частности, ионные каналы, имеющиеся в мембране, обладают свойствами:

    1. Селективностью (избирательной проницаемостью)

    2. Электровозбудимостью.

    В состоянии покоя натриевые каналы все закрыты, а большинство калиевых – открыты. Каналы могут открываться и закрываться. В мембране существуют каналы утечки (неспецифические), которые проницаемы для всех элементов, но более проницаемы для калия. Калиевые каналы всегда открыты, и ионы движутся через эти каналы по концентрационному и электрохимическому градиенту.

    Согласно мембранно-ионной теории наличие МПП обусловлено:

      непрерывным движением ионов по ионным каналам мембраны,

      постоянно существующей разностью концентраций катионов по обе стороны мембраны,

      непрерывной работой натрий-калиевого насоса.

      различной проницаемостью каналов для этих ионов.

    Ионов К + много в клетке, снаружи его мало, Nа + - наоборот, много вне клетки и мало в клетке. Ионов Сl - чуть больше снаружи клетки, чем внутри. Внутри клетки много органических анионов, которые в основном и обеспечивают отрицательный заряд внутренней поверхности мембраны.

    В состоянии покоя мембрана клетки проницаема только для ионов К + . Ионы калия в состоянии покоя постоянно выходят в окружающую среду, где высокая концентрация Nа + . Поэтому, в состоянии покоя, наружная поверхность мембраны заряжена положительно. Высокомолекулярные органические анионы (белки) концентрируются у внутренней поверхности мембраны и определяют ее отрицательный заряд. Они же электростатически удерживают ионы К + с другой стороны мембраны. Основную роль в образовании МПП принадлежит ионам К + .

    Несмотря на потоки ионов через каналы утечки разность концентрации ионов не выравнивается, т.е. сохраняется всегда постоянной. Этого не происходит потому, что в мембранах существуют Nа + - К + - насосы. Они непрерывно откачивают Nа + из клетки и против градиента концентрации вводят в цитоплазму К + . На 3 иона Nа + , которые выводятся из клетки, внутрь вводится 2 иона К + . Перенос ионов против градиента концентрации осуществляется активным транспортом (с затратой энергии). В случае отсутствия энергии АТФ клетка погибает.

    Наличие потенциала покоя позволяет клетке практически мгновенно после действия раздражителя перейти из состояния функционального покоя в состояние возбуждения.

    При возбуждении происходит снижение величины исходного потенциала покоя с перезарядкой мембраны. Когда внутренний заряд мембраны становится менее отрицательным наступает деполяризация мембраны и начинает развиваться потенциал действия.

    4.Потенциал действия и механизм его происхождения.

    Соотношение фаз возбудимости с фазами потенциала действия.

    Потенциалом действия называют быстрое колебание мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных, мышечных и секреторных клеток. В его основе лежат изменения ионной проницаемости мембраны. Амплитуда и характер изменений потенциала действия мало зависят от силы вызывающего его раздражителя, важно лишь, чтобы эта сила была не меньше некоторой критической величины, которая называется порогом раздражения.

    Порог раздражения – эта минимальная сила, при которой возникает минимальная ответная реакция. Для характеристики порога раздражения используется понятие реобаза (рео – ток, база – основной).

    Кроме пороговых различают подпороговые раздражители, которые не могут вызвать ответной реакции, но вызывают сдвиг обмена веществ в клетке. Также существуют надрпороговые раздражители.

    Возникнув, ПД распространяется вдоль мембраны, не изменяя своей амплитуды. В нем различают фазы:

      Деполяризации:

    а) медленная деполяризация;

    б) быстрая деполяризация.

      Реполяризация:

    а) быстрая реполяризация;

    б) медленная реполяризация (отрицательный следовой потенциал)

      Гиперполяризация (положительный следовой потенциал)