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.
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.
На занятии требовалось глубокое понимание материала.
Краткое описание:
Сазонов В.Ф. Ионные каналы мембраны [Электронный ресурс] // Кинезиолог, 2009-2017: [сайт]. Дата обновления: 31.01.2017..__.201_).
_Обзор ионных каналов мембраны. Определение понятия "ионные каналы", их строение, свойства, функции, функциональные состояния, функциональная классификация.
Введение
Ионные каналы (ИК) клеточной мембраны имеют огромное значение для жизни клеток. Они обеспечивают обмен клетки с окружающей средой веществом, энергией и информацией, с них начинаются и ими поддерживаются процессы возбуждения и торможения в нервной системе и мышцах, именно они (вместе и другими молекулярными рецепторами) обеспечивают восприятие клеткой внешних сигналов. С помощью ИК происходит передача в клетку управляющих сигналов из окружающей её среды. Именно ИК обеспечивают синаптическую передачу возбуждения от возбуждённого нейрона на другие клетки. Обобщая, можно сказать, что почти все важнейшие физиологические процессы в организме начинаются с ионных каналов и поддерживаются ими!
Итак, ионные каналы (ИК) - это сложные трансмембранные белковые структуры, пронизывающие клеточную мембрану поперёк в виде нескольких петель и образующие в мембране сквозное отверстие (пору). Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются дополнительные молекулярные системы: открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции. ИК могут иметь не один, а несколько участков (сайтов) для связывания с управляющими веществами (лигандами).
Ионные каналы можно рассматривать как транспортный механизм
, обеспечивающий перемещение ионов между цитоплазмной клетки и наружной средой.
Кроме ИК в мембране суцществуют и другие транспортные системы для переноса через неё различных веществ (смотрите транспортные механизмы мембраны). Так, перенос веществ может осуществляться специальными транспортными белками
, или транслоказами
. Транслоказы - это несколько иное понятие, чем ИК. В отличие от мембранных каналов
, транслоказы
в процессе переноса вещества через мембрану взаимодействуют
с ним как с лигандом и при этом претерпевают конформационные изменения
. По кинетике перенос веществ с помощью транслоказ в виде облегчённой диффузии напоминает ферментативную реакцию.
Упрощённое определение:
Ионные каналы - это поры (дырочки) в клеточной липидной мембране, которые "обшиты" по краям белковой нитью, чтобы дырочки не затянулись. Эти поры могут становиться пошире или поуже: либо сами по себе, либо при определённых воздействиях. Каналы могут иметь разное строение, поэтому разные виды каналов имеют разную
проницаемость,
избирательность и управляемость.
Итак, ионный канал - это интегральный белок, образующий в мембране пору для обмена клетки с окружающей средой ионами K + , Na + , H + , Ca 2+ , Cl - , а также водой, и способный изменять свою проницаемость.
Аквапорины - водные неионные каналы мембраны
В мембране существуют и неионные каналы. Например, аквапорины
- это специальные водные каналы
, пропускающие через себя воду. Это тоже мембранные
каналы, хотя их формально нельзя назвать "ионными каналами".
Пространственная структура канального белка-аквапорина представляет собой цилиндрический канал, по которому движутся молекулы воды. Через него проходит вода и только вода, но не ионы. Аминокислоты в этом белке расположены таким образом, что полярность создаваемого ими электростатического поля переключается в центре канала на обратную. Поэтому молекулы воды, дойдя до середины канала, переворачиваются так, что их дипольные моменты в верхней и нижней части канала оказываются направленными в противоположные стороны. Такое переориентирование предотвращает просачивание через канал заряженных ионов. Аквапорин не пропускает даже ионы гидроксония H3O+ (то есть гидратированные протоны, или ионы водорода), от концентрации которых зависит кислотность среды. При этом клеточный мембранный "водопровод" обладает потрясающей пропускной способностью: он пропускает до миллиарда молекул воды в секунду. Сейчас известно уже около 200 разновидностей белков водных каналов у растений и животных, в том числе 11 - у человека. Благодаря аквапоринам клетки не только регулируют свой объём и внутреннее давление, но и выполняют такие важные функции, как всасывание воды в почках животных и корешках растений.
В настоящее время в молекулярной биологии в основном завершён описательный период в исследовании многообразия катион-транспортирующих ионных каналов в клетках эукариот. Теперь на первый план выходят проблемы познания механизмов регуляции ионных каналов
и описание их участия в реакциях живой клетки на различные воздействия и на изменение её микроокружения.
Регулирумый перенос ионов через гидрофильные поры мембраны с помощью управляемых ИК является важнейшим свойством живых клеток, как электровозбудимых, так и невозбудимых.
В связи с этим целесообразно использовать в классификации ионных каналов именно принцип управления
их деятельностью. Принцип управления состоянием ионных каналов и был положен в основу предложенной нами () функциональной классификации ионных каналов.
Видео:
Ионные каналы в мембране
Строение ИК
ИК состоят из белков сложной структуры (белков-каналоформеров). Схематические изображения ИК приведены ниже, например: .
На рисунке справа показан натриевый канал: вид сверху, с наружной стороны мембраны (Источник: Horn R. (2011). Peering into the spark of life . Nature
475
, 305–306).
Белки ИК имеют определённую конформацию, образующую трансмембранную пору, и "вшиты" в липидный слой мембраны. Канальный белковый комплекс может состоять либо из одной белковой молекулы, либо из нескольких белковых субъединиц, одинаковых или разных по строению. Эти субъединицы могут кодироваться разными генами, синтезироваться на рибосомах по-отдельности и затем собираться в виде целостного канала. В другом случае канал может представлять собой единый полипептид, который в виде петель прошивает мембрану несколько раз. На начало XXI века известно более 400 белков-каналоформеров, для биосинтеза которых используется 1-2% генома человека.
Домены - это отдельные компактно оформленные части канального белка или субъединиц. Сегменты - это части белкка-каналоформера, свёрнутые спирально и прошивающие мембрану. Концевые домены белка-каналоформера (N- и С-терминальные домены) могут торчать из мембраны как наружу, так и внутрь клетки.
Практически все ИК имеют в составе своих субъединиц регуляторные домены
, способные связываться с различными управляющими веществами (регуляторными молекулами) и за счёт этого менять состояние или свойства канала. В потенциал-активируемых ИК один из трансмембранных сегментов содержит специальный набор аминокислот с положительными зарядами и работает как сенсор электрического потенциала
мембраны. При изменении потенциала такой сенсор меняет состояние канала с открытого на закрытое или наоборот. Таким образом, ИК могут управляться определёнными воздействиями извне, это важное их свойство.
ИК в своём составе могут иметь также вспомогательные субъединицы
, выполняющие модуляторные, структурные или стабилизирующие функции. Один класс таких субъединиц - внутриклеточные, расположенные полностью в цитоплазме, а второй - мембранные, т.к. они имеют трансмембранные домены, прошивающие мембрану.
По структуре ИК возможно провести их классификацию, о чём будет сказано ниже.
Свойства ИК
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. Понятно, что 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.
2. Потенциал-управляемые
(потенциал-чувствительные, потенциал-зависимые, потенциал-активируемые, voltage-gated). Так, потенциал-управляемые натриевые каналы открываются под действием сдвига электрического потенциала мембраны, превышающего критический уровень деполяризации. Поэтому при достижении определённого порогового уровня деполяризации мембраны они открываются, а при обратном снижении уровня деполяризации - оказываются закрытыми. Но важно знать то, что ещё до обратного снижения уровня деполяризации эти каналы закрываются с внутренней стороны специальными белковыми "пробками" и это происходит автоматически, незасисимо от изменений деполяризации. Вследствие этого потенциал-управляемые натриевые ИК находятся в открытом состоянии всего несколько миллисекунд, а потом закрываются "пробкой", т.е. инактивируются. Окончательно они переходят в закрытое состояние при реполяризации и восстановлении потенциала покоя. Как при химической, так и при фармакологической модификации таких ИК у них сохраняется основной механизм активации и инактивации в ответ на сдвиг мембранного потенциала, что и определяет быстрые изменения катионной проницаемости возбудимых мембран за счёт потенциал-управляемых ИК. Именно такого типа потенциал-управляемые натриевые ИК обеспечивают перемещение нервного импульса по мембране нейрона (смотри: потенциал действия и нервный импульс). Такие потенциал-зависимые натриевые каналы I открываются на уровне КУД, т.е. -55mV, они и формируют потенциал действия и нервный импульс.
На рисунке справа - условная схема работы потенциал-управляемого ИК (кликните на рисунок, чтобы увидеть процесс в динамике).
3. Хемо
-управляемые
(хемочувствительные, хемозависимые, лиганд-управляемые, лиганд-зависимые, рецептор-активируемые). Они открываются при связывании с рецепторным участком канала специфического лиганда (управляющего вещества: трансмиттера или его миметика). Такие каналы обычно локализованы в химических синапсах на их постсинаптических мембранах и преобразуют химический сигнал, возникающий за счёт пресинаптического высвобождения нейромедиатора, в постсинаптический электрический локальный потенциал. Смотри: локальный потенциал
, 3_3 Синапсы
, синапсы,
медиаторы и модуляторы .
Примеры: каналы с никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами nAChR), серотониновыми рецепторами (5-HT3), глициновыми, ГАМК-рецепторами (GABAA и GABAC).
На рисунке справа - лиганд-управляемый ионный канал с никотиновым ацетилхолиновым рецептором (никотин - миметик, ацетилхолин - трансмиттер). Канал состоит из 5 субъединиц и поры в центре. Вверху - поперечный разрез этих субъединиц: a1, a2, b, g, d. Внизу - участки субъединиц, образующих «воротную систему» канала. Представлены аминокислотные последовательности М2 a-спирали в b- и d-. Из 5 субъединиц, образующих пору, изображены лишь 4, а ближайшая к нам удалена, чтобы были видны участки М2, облицовывающие ионный канал, и ворота. Видно, что большая часть молекулы белка выходит за пределы внешней поверхности плазматической мембраны, образуя молекулярные рецепторы к лиганду. Каждая из двух a-субъединица содержит связывающий центр для ацетилхолина, следовательно, с рецептором может связаться 2 молекулы лиганда (нейротрансмиттера или нейромиметика). Ворота, находящиеся в пределах поры, открываются при связывании ацетилхолина с рецепторным участком канала. Отрицательно заряженные остатки глутаминовой и аспарагиновой аминокислот (они выделены синим цветом) имеются в обоих концах М2-спиралей, т.е. с двух сторон поры, благодаря чему предотвращается вход в канал анионов, а катионы Na + и К + при его закрытом состоянии могут быть связаны уже в самом канале.
Видео:
Работа хемо-управляемого (лиганд-управляемого) ионного канала
Они открываются под воздействием специфичного и адекватного для них стимула (раздражителя). Такие каналы обеспечивают сенсорное восприятие и располагаются в мембране сенсорных рецепторов.
В настоящее время стимул-управляемые механочувствительные ИК обнаружены не только в специализированных механорецепторных структурах, но также и в мембранах бактерий, грибов, растений, позвоночных и беспозвоночных животных. Механочувствительные каналы не только обеспечивают сенсорное восприятие механического раздражения, но также вовлечены в контроль клеточного цикла, регуляцию объёма и роста клеток, секрецию и эндоцитоз.
TRP-каналы в мембране терморецепторов кожи обеспечивают термотрансдукцию, открываясь при различных значениях темпераруры. Они пропускают катионы, особенно ионы кальция.
5. Совместно-управляемые
(NMDA-рецепторно-канальный комплекс). Они открываются одновременно как лигандами, так и определённым электрическим потенциалом мембраны. Можно сказать, что у них двойное управление.
Пример: NMDA-рецепторно-канальный комплекс
, имеющий сложную систему управления, включающую в себя 8 рецепторных участков-сайтов, с которыми могут связываться различные лиганды.
6.Опосредованно
-управляемые
(вторично-управляемые, ион-активируемые, ион-зависимые, мессенджер-управляемые, управляемые метаботропными рецепторами). Они открываются и закрываются не под действием прямых внешних сигналов, а вследствие опосредованного воздействия на нихвнутриклеточных
вторичных мессенджеров
(ионов кальция Са 2+ , цАМФ, цГМФ, ИФ3, диацилглицерола). Основной механизм такого управления - фосфорилирование
ионного канала с внутренней стороны мембраны.
Опосредованное вторичными мессенджерами управление является не прямым, а вторичным. Оно зависит не только от внешнего воздействующего сигнала, но и от наличия, концентрации и активности вторичных мессенджеров. Пусковым сигналом к началу этого процесса может служить воздействие на так называемый метаботропный рецептор
, не относящийся к структуре самого управляемого ионного канала и расположенный на мембране где-то отдельно от него. Воздействие на метаботропный рецептор приводит к повышению в клетке концентрации вторичных посредников-мессенджеров. Это ионы Са 2+ , цАМФ, цГМФ, ИФ3, диацилглицерол. Они активируют соответствующие ферменты-протеинкиназы: А-киназы (цАМФ-зависимые), G-киназы (цГМФ-зависимые), В-киназы (кальций-кальмодулин-зависимые) или С-киназы (кальций-фосфолипид-зависимые). В свою очередь, активированные киназы фосфорилируют ИК мембраны изнутри клетки, т.е. присоединяют к ним фосфаты. В результате этого канал может перейди надолго в новое состояние (открытое или, наоборот, закрытое). После срезания фосфатов ферментом фосфатазой канал возвращается к своему прежнему состоянию. В некоторых случаях такой вторичный мессенджер, как G-белок в виде своей активной субъединицы бета-гамма может сам присоединиться к ионному каналу и поменять его состояние. Так, например, могут открываться (активироваться) калиевые каналы при раздражении ацетилхолином мускариновых рецепторов, связанных с G-белком.
Примеры: Са 2+ -активируемые хлорные каналы, кальций-активируемые калиевые каналы, цГМФ-активируемые натриевые каналы палочек сетчатки глаза
.
Вот, например, опосредованные ион-управляемые кальций-активируемые
хлорные каналы
являются одним из основных компонентов системы эпителиальной секреции, сенсорной трансдукции , регулирования нейронной и сердечной возбудимости у животных. В клетках растений кальций-активируемые хлорные каналы
ответственны за состояние тургора клетки. При повышении концентрации ионов кальция внутри клетки эти каналы открываются и начинают пропускать ионы хлора.
К опосредованно-управляемым (мессенджер-управляемым) ионным каналам формально можно отнести также все каналы, которые управляются "изнутри" с помощью посредников - вторичных мессенджеров. Такой способ управления чаще всего является дополнительным по отношению к "внешнему управлению", и получается, что к мессенджер-управляемым каналам относится большинство каналов из других групп нашей функциональной классификации. Например, все те ИК, которые могут подвергаться фосфорилированию.
7. Актин-управляемые
(актин-регулируемые, actin-regulated, actin-gated channels). Они открываются и закрываются за счёт разборки-сборки примембранных микрофиламентов с участием актин-связывающих белков.
В электроневозбудимых клетках
активация и инактивация актин-управляемых потенциал-независимых натриевых каналов контролируется процессами разборки-сборки примембранных микрофиламентов с участием актин-связывающих белков. Актиновые элементы цитоскелета, по-видимому, представляют важнейшую часть потенциал-независимого воротного механизма, управляющего открыванием и закрыванием каналов. Именно сборка микрофиламентов на цитоплазматической стороне мембраны приводит к инактивации таких каналов.
8. Коннексоны
(двойные поры). Образуют в мембранах контактирующих клеток сквозные непрерывные каналы через две мембраны сразу в зоне щелевых контактов для взаимного обмена веществами между этими клетками. Через коннексоны передаются электрические сигналы, аминокислоты и небольшие молекулы управляющих веществ: цАМФ, InsP 3 , аденозин, АДФ и АТФ. Они состоят из 6 белковых субъединиц (коннексинов), живущих всего несколько часов. Коннексины
- это политопные интегральные мембранные белки 4 раза прошивающие мембрану, имеющие две внеклеточные петли (EL-1 и EL-2), цитоплазматическую петлю (CL) с N-концом (AT) и C-концом (CT), вдающимися в цитоплазму. Через коннексоны соединяется внутренняя среда соседствующих клеток.
Коннексоны являются "неспецифически-управляемыми" каналами. Их состояние регулируется pH, электрическим потенциалом, ионами Са 2+ , фосфорилированием и другими факторами.
Коннексоны найдены практически во всех видах клеток.
9. «Энерго-зависимые транспортёры»
(ионные насосы, ионные помпы, ионные обменники, транспортёры). Это особая группа динамичных пор, проводящих ионы через мембрану, которые формально не относятся к ИК. Их деятельность обеспечивается энергией расщепления АТФ. Они представлены мембранными ферментными белками АТФазами, которые активно протаскивают через себя ионы, используя для этого энергию расщепления АТФ, и обеспечивают активный транспорт ионов через мембрану даже против их градиента концентрации.
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.
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…
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).
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.
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.
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.
Примеры: каналы с никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами nAChR), серотониновыми рецепторами (5-HT3), глициновыми, ГАМК-рецепторами (GABAA и GABAC).
