Ионный канал. Определение. Молекулярная конструкция. Селективный фильтр. Механизм транспорта иона через ионный канал. Классификация ионных каналов по их функциям Селективность способность ионных каналов избирательно пропускать

Ионные каналы образованы белками, они весьма разнообразны по устройству и меха­низму их действия. Известно более 50 видов каналов, каждая нервная клетка имеет более 5 видов каналов. Состояние активации управ­ляемого ионного канала обычно длится око­ло 1 мс, иногда до 3 мс и значительно боль­ше, при этом через один канал может пройти 12-20 млн ионов.

Классификация ионных каналов прово­дится по нескольким признакам.

По возможности управления их функцией различают управляемые и неуправляе­мые каналы (каналы утечки ионов). Через неуправляемые каналы ионы перемещаются постоянно, но медленно, естественно, при наличии электрохимического градиента, как и в случае быстрого перемещения ионов по управляемым каналам. Управляемые каналы имеют ворота с механизмами их управления, поэтому ионы через них могут проходить только при открытых воротах.

По скорости движения ионов каналы могут быть быстрыми и медленными. Напри­мер, потенциал действия в скелетной мышце возникает в следствие активации быстрых Nа- и К-каналов. В развитии потенциала действия сердечной мышцы наряду с бы­стрыми каналами для Nа + и К + важную роль играют медленные каналы - кальциевые, ка­лиевые и натриевые.

В зависимости от стимула, активирую­щего или инактивирующего, управляемые ионные каналы различают несколько их видов: а) потенциалчувствительные, б) хемочувствительные,в) механочувствительные, г) кальцийчувствительные, д) каналы, чувст­вительные ко вторым посредникам. Послед­ние расположены во внутриклеточных мем­бранах, они изучены недостаточно, так же как и кальцийчувствительные каналы. При взаимодействии медиатора (лиганда) с рецепторами, расположенными на поверхности клеточной мембраны, может происходить от­крытие ворот хемочувствительных каналов, поэтому их называют также рецепторуправляемыми каналами. Л и г а н д - это биологи­чески активное вещество или фармакологи­ческий препарат, активирующий или блокирующий рецептор. Открытие хемочувстви­тельных каналов происходит в результате конформационных изменений рецепторного комплекса. Ворота потенциалзависимых ка­налов открываются и закрываются при изме­нении величины мембранного потенциала. Поэтому в конструкции их воротного механизма должны быть частицы, несущие элект­рический заряд. Механочувствительные ка­налы активируются и инактивируются сдав­ливанием и растяжением. Кальцийчувстви­тельные каналы активируются, как видно из названия, кальцием, причем Са 2+ может ак­тивировать как собственные каналы, напри­мер Са-каналы саркоплазматического ретикулума, так и каналы других ионов, напри­мер каналы ионов К + . Мембраны возбудимых клеток (гладких и поперечнополосатых мышц, в том числе и сердечной мышцы, нервной системы) содержат потенциале-, хемо-, механо- и кальцийчувствительные ка­налы. Следует заметить, что кальций-чувствительные каналы - это один из примеров хемо­чувствительных каналов.

В зависимости от селективности разли­чают ионоселективные каналы, пропускаю­щие только один ион, и каналы, не обладаю­щие селективностью. Имеются Nа-, К-, Са-, С1- и Nа/Са-селективные каналы. Есть кана­лы, пропускающие несколько ионов, напри­мер Nа + , К + и Са 2+ в клетках миокарда, т.е. не обладающие селективностью. Наиболее высока степень селективности потенциал чувствительных (потенциалзависимых) каналов, несколько ниже она у хемочувствительных (рецепторзависимых) каналов. Например, при действии ацетилхолина на Н-холинорецептор постсинаптической мембраны в нерв­но-мышечном синапсе активируются ионные каналы, через которые проходят одновремен­но ионы Nа + , К + и Са 2+ . Механочувствитель­ные каналы являются вообще неселективны­ми для одновалентных ионов и Са 2+ .

Один и тот же ион может иметь не­сколько видов каналов. Наиболее важными из них для формирования биопотенциалов являются следующие.

Каналы для К + :

а) неуправляемые каналы покоя (каналы утечки) через которые К + постоянно выходит из клетки, что является глав­ным фактором в формировании мем­бранного потенциала(потенциала покоя);

б) потенциалчувствительные управляемые К-каналы;

в) К-каналы, активируемые Са 2+ ;

г) каналы, активируемые и другими иона­ми и веществами, например ацетилхолином, что обеспечивает гиперполяризацию миоцитов сердца.

Каналы для Nа + - управляемые быстрые и медленные и неуправляемые (каналы утечки ионов):

а) потенциалчувствительные быстрые Na-каналы - быстро активирующиеся при уменьшении мембранного потенциала, обеспечивают вход Nа + в клетку во вре­мя ее возбуждения;

б) рецепторуправляемые Nа-каналы, активируемые ацетилхолином в нервно-мы­шечном синапсе, глутаматом - в си­напсах нейронов ЦНС;

в) медленные неуправляемые Nа-каналы-каналы утечки, через которые Nа + постоянно диффундирует в клетку и пере носит с собой другие молекулы, напри­мер глюкозу, аминокислоты, молекулы-переносчики. Таким образом, Nа-каналы утечки обеспечивают вторичный транспорт веществ и участие Nа + в фор­мировании мембранного потенциала.

Каналы для Са 2+ весьма разнообразны и наиболее сложны: рецепторуправляемые и потенциалуправляемые, медленные и бы­стрые:

а) медленные кальциевые потенциалчувствительные каналы (новое название: L-типа), медленно активирующиеся при деполяризации клеточной мембра­ны, обусловливают медленный вход Са 2+ в клетку и медленный кальциевый потенциал, например, у кардиомиоцитов. Имеются в исчерченных и гладких мышцах, в нейронах ЦНС;

б) быстрые кальциевые потенциалчувствительные каналы саркоплазматического ретикулума обеспечивают выход Са 2+ в гиалоплазму и электромеханическое со­пряжение.

Каналы для хлора имеются в скелетных и сердечных миоцитах, эритроцитах, в неболь­шом количестве в нейронах и сконцентри­рованы в синапсах. Потенциалуправляемые С1 - каналы имеются в кардиомиоцитах, ре­цепторуправляемые в синапсах ЦНС и ак­тивируются тормозными медиаторами ГАМК и глицином.

Структура ионных каналов и их функци­онирование . Каналы имеют устье и селектив­ный фильтр, а управляемые каналы - и во­ротный механизм; каналы заполнены жид­костью, их размеры 0,3-0,8 нм. Селектив­ность ионных каналов определяется их раз­мером и наличием в канале заряженных час­тиц. Эти частицы имеют заряд, противопо­ложный заряду иона, который они притяги­вают, что обеспечивает проход иона через данный канал (одноименные заряды, как из­вестно, отталкиваются). Через ионные кана­лы могут проходить и незаряженные частицы. Ионы, проходя через канал, должны из­бавиться от гидратной оболочки, иначе их размеры будут больше размеров канала. Диа­метр иона Nа + , например, с гидратной обо­лочкой равен 0,3 нм, а без гидратной оболоч­ки - 0,19 нм. Слишком мелкий ион, проходя через селективный фильтр, не может отдать гидратную оболочку, поэтому он не может пройти через канал. Однако, по-видимому, имеются и другие механизмы селективности клеточной мембраны. Гипотеза «просеива­ния» не в состоянии объяснить, например, почему К + не проходит через открытые Nа-каналы в начале цикла возбуждения клет­ки, но тем не менее она дает удовлетвори­тельное, а в некоторых случаях и абсолютно убедительное объяснение избирательной (се­лективной) проницаемости клеточных мем­бран для разных частиц и ионов.

У каналов одного и того же вида возможно взаимовлияние друг на друга. Так, открытие одних электроуправляемых ка­налов способствует активации рядом распо­ложенных электрочувствительных каналов, в то время как открытие одного хемо- или механочувствительного канала и прохождение через него ионов практически не влияют на состояние соседних таких же каналов. Час­тичная деполяризация клеточной мембраны за счет активации механочувствительных ка­налов может привести к активации потенциалчувствительных каналов Nа + , К + (или Cl -) и Са 2+ .

Ионные каналы блокируются специфи­ческими веществами и фармакологическими препаратами, что широко используется с ле­чебной целью. Специфическим блокатором механочувствительных каналов является Gadolinium (Gd 3+). Блокаторами различных потенциалчувствительных каналов являются разные препараты или химические вещества. Так, например, блокатором хемочувствительного (рецепторчувствительного) канала эффекторных клеток, активируемого ацетилхо­лином, является атропин. Потенциалзависимые Nа-каналы блокируются тетродотоксином (действует только снаружи клетки); кальциевые - двухвалентными ионами, на­пример ионами никеля, марганца, а также верапамилом, нифедипином. Число ионных каналов на клеточной мембране огромно. Так, на 1 мкм 2 насчитывают примерно 50 Nа-каналов, в среднем они располагаются на расстоянии 140 нм друг от друга. Успеш­ное изучение ионных каналов дает возмож­ность глубже понять механизм действия фар­макологических препаратов, а значит, более успешно применять их в клинической прак­тике. Новокаин, например, как местный анестетик снимает болевые ощущения пото­му, что он, блокируя Nа-каналы, прекращает проведение возбуждения по нервным волок­нам.

Затраты энергии при транспорте веществ через мембрану. На процессы транспорта веществ в организ­ме расходуется значительная часть энергии. Тем не менее транспорт веществ осуществля­ется весьма экономично, поскольку обычно транспорт одних частиц обеспечивает пере­ход других, о чем свидетельствуют многие факты.

В процессе работы Nа/К-насоса энергия расходуется на перенос Na + из клетки в окружающую ее среду, тогда как перенос К + в клетку происходит без непосредственной затраты энергии в результате конформации белковой молекулы (Nа/К-АТФазы) после присоединения К + к активному ее участку.

Создание концентрационного градиента ионов, являясь причиной возникновения мембранного потенциала, одновременно формирует осмотический градиент, который в свою очередь создает предпосылки направленного перемещения воды. Созданный электрический градиент принимает участие в переносе заряженных частиц, обеспечивает возникновение потенциала действия и рас­пространение возбуждения.

Процесс перехода воды из одной облас­ти в другую, согласно закону осмоса, обеспе­чивает транспорт всех частиц, растворенных в ней и способных пройти через биологичес­кие фильтры (следование за растворителем). Энергия на переход воды непосредственно не затрачивается (вторичный транспорт), не затрачивается, естественно, энергия и на пере­нос частиц, растворенных в воде, которые следуют вместе с водой.

Натрийзависимый транспорт (транс­порт неэлектролитов) требует затрат энергии на перенос Nа + из клетки, но при этом часто диффузия Nа + в клетку обеспечивает переме­щение мембранных переносчиков, соединен­ных с молекулами глюкозы, аминокислот. Следовательно, глюкоза, аминокислоты могут поступать в клетку вместе с Nа + (симпорт). Обратный захват медиатора в пресинаптическую терминаль из синаптической щели в синапсах ЦНС также осуществляется с помощью подобного механизма. Натрийзависимый транспорт может также обеспечивать челночные движения молекул-перенос­чиков, которые в свою очередь транспорти­руют ионы Са 2+ , Н + из клетки (противотранспорт, антипорт) согласно концентрацион­ному градиенту переносчиков.

Глюкоза и аминокислоты переносятся с помощью облегченной диффузии вторично активно без непосредственной затраты энер­гии.

Диффузия газов в легких между возду­хом и кровью, а также в тканях между кро­вью и интерстицием происходит вообще без затрат энергии, как и обмен ионов НСO3 и Сl- между эритроцитами и плазмой, когда кровь находится в различных тканях организ­ма и легких. Диффузия веществ из кишечни­ка, например глюкозы в кровь после приема с пищей, если ее концентрация в кишечнике больше, происходит согласно градиенту кон­центрации, на создание которого клетки ор­ганизма энергию не затрачивают. Эти два случая (диффузия газов в легком, тканях и частиц - в кишечнике) являются исключе­нием, когда транспорт в организме осущест­вляется вообще без затраты энергии. Однако энергия расходуется на доставку этих ве­ществ в организм - дыхательные движения, приготовление пищи и обработка ее в пищеварительной системе.

Энергия, затрачиваемая сердцем на дви­жение крови по сосудам, обеспечивает не только транспорт кровью всех веществ, в том числе и газов, но и образование фильтрата (движение всех частиц) в тканях организма и мочеобразование.

Таким образом, первичный транспорт нескольких ионов, главным из которых является Nа + , обеспечивает перенос подавляющего большинства веществ в организме.

Все виды транспорта играют жизненно важную роль в процессе жизнедеятельности клеток и организма в целом. В частности, транспорт ионов обеспечивает формирова­ние мембранных потенциалов клеток мы­шечной и нервной тканей, одной из функций последней является регуляция различных систем организма.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Физиология возбудимых тканей

Значение изучения раздела.. Раздел Физиология возбудимых тканей изучается первым в курсе нормальной физиологии Возбудимые ткани играют важную..

Электрические явления в тканях
1.2.1.Открытие «животного электричества» В конце XVIII в. (1786 г.) профессор анато­мии Болонского университета Луиджи Гальвани провел ряд опытов, положивших начало целена

Локальный потенциал (локальный ответ)
При раздражении возбудимой ткани не всегда возникает ПД. В частности, если сила раздражителя мала, деполяризация не достигнет критического уровня, естественно, не возникнет импульс­ное - распростра

Законы раздражения возбудимых тканей
Ответная реакция возбудимой ткани на действие раздражителя зависит от двух групп факторов: от возбудимости возбудимой ткани и от характеристик раздражителя. Возбудимость клетки изменяется

Тесты 1-2 уровня для самоконтроля знаний

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

Строение и функции клеточных мембран.

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

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

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

4. Высвобождение нейромедиаторов в синаптических окончаниях.

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

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

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

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

Электрические характеристики мембран:

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

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

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

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

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

Все ионные каналы подразделяются на следующие группы:

1. По избирательности:

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

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

1. По характеру пропускаемых ионов:

a) калиевые

b) натриевые

c) кальцевые

d) хлорные

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

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

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

4. По механизмам открывания:

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

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

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

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

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

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

Неспецифические ионные каналы не имеют ворот.

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

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

2.Активированном, и те и другие ворота открыты.

3.Инактивированном, активационные ворота открыты, а инактивационные закрыты

Функции ионных каналов:

1. Калиевый (в покое) – генерация потенциала покоя

2. Натриевый – генерация потенциала действия

3. Кальциевый - генерация медленных действий

4. Калиевый (задержанное выпрямление) – обеспечение реполяризации

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 1. Классификация ионных каналов

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

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

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

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

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

Типы ионных каналов

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

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

Пассивные каналы

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

Механочувствительные каналы

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

Потенциалзависимые каналы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Лигандзависимые ионные каналы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Каналы щелевых (плотных) контактов клеток

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

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

Натриевые каналы

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

Потенциалзависимые натриевые каналы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Потенциалнезависимые натриевые каналы

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

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

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

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

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

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

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

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

Калиевые каналы

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

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

Пассивные калиевые каналы

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

Потенциалзависимые калиевые каналы

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

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

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

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

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

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

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

Лигандзависимые калиевые каналы

Представлены большим числом каналов, чувствительных к действию разнообразных лигандов.

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

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

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

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

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

Известны потенциалнечувствительные активируемые натрием калиевые каналы.

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

Кальциевые каналы

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

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

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

Потенциалзависимые кальциевые каналы

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

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

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

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

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

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

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

Пассивные кальциевые каналы

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

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

Лигандзависимые кальциевые каналы

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

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

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

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

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

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

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

Механочувствительные кальциевые каналы

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

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

Хлорные каналы

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

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

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

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

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

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

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

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

Аквапорины

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

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

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

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

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

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

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.

Биологические мембраны – это функционально активные структуры клеток, ограничивающие цитоплазму и большинство внутриклеточных структур; образуют единую внутриклеточную систему канальцев, складок и замкнутых полостей.

Структурная основа мембраны – двойной слой фосфолипидов, в который встроены мембранные белки. Толщина клеточных мембран 6-12 нм. Молекулы липидов амфотерны. Своими гидрофильными частями они обращены в сторону водной среды (межклеточная жидкость и цитоплазма), гидрофобные части молекул направлены внутрь фосфолипидного бислоя. Такая структура идеально подходит для раздела внеклеточной и внутриклеточной фаз.

Белки, интегрированные в двойной слой фосфолипидов своими полярными участками, образуют гидрофильную поверхность в водной фазе. Они выполняют различные функции: рецепторную, ферментативную, образуют ионные каналы, являются мембранными насосами и переносчиками ионов и молекул.

Большинство наших знаний об устройстве ионного канала, является результатом функциональной реконструкции. Каждый канал имеет устье, селективный фильтр, ворота и механизм управления воротами.

Часть каналов являются электроуправляемыми, т.е. управляются за счет разности потенциалов на мембране (потенциал-зависимые ионные каналы). Для этого рядом с каналом имеется электрический сенсор, который в зависимости от величины мембранного потенциала либо открывает ворота каналов, либо держит их закрытыми.

Второй вариант ионных каналов – рецептороуправляемые. Ворота управляются за счет рецептора, расположенного на поверхности мембраны (открываются при взаимодействии медиатора с рецептором). В некоторых рецептороуправляемых каналах между рецептором и воротным механизмом имеется промежуточная стадия (посредник типа цАМФ, протеинкиназы и т.д.)

Ионные каналы обеспечивают два важных свойства мембраны: селективность и проводимость.

Селективность – или избирательность канала обеспечивается его особой белковой структурой, геометрией канала.

Например, диаметр иона натрия – 0,19 нм, вместе с гидратной оболочкой он становится около 0,3 нм. Устье натриевого канала 0,3 – 0,5 нм. Чтобы пройти через канал (особенно через селективный фильтр), ион натрия или другой ион должен освободиться от гидратной оболочки и только в «голом» виде может пройти через канал. Слишком большой ион не может войти в устье, слишком маленький не способен отдать гидратную оболочку в селективном фильтре, поэтому не может выскочить из канала.

Натриевые каналы (рис. 6) имеют ворота 2-х типов – активационные (m-ворота) и инактивационные (h-ворота). В условиях покоя активационные ворота закрыты, но готовы в любую минуту открыться, а инактивационные – открыты. При снижении МП (деполяризация до 60 мВ) активационные ворота открываются и впускают ионы натрия в клетку, но вскоре начинают закрываться инактивационные ворота (происходит инактивация натриевых каналов). Некоторое время спустя закрываются активационные ворота, открываются инактивационные, и канал готов к новому циклу. Канал блокируется тетродотоксином, местными анестетиками (новокаин и др.).

Рис. 6. Работа натриевых каналов и «воротных» механизмов.

А – в покое m-ворота закрыты; Б – при возбуждении m-ворота открыты; В – закрытие h-ворот (инактивация) при деполяризации.

Калиевые каналы тоже достаточно селективны – в основном пропускают ионы калия. Блокируются тетраэтиламмонием. Процессы инактивации у них выражены слабо. Зато имеются особые калиевые каналы, активирующиеся при повышении внутриклеточной концентрации кальция и деполяризации клеточной мембраны. Активация калий-калльцийзависимых каналов ускоряет реполяризацию (восстановление МП покоя).

Кальциевые каналы. Входящий кальциевый ток недостаточно велик, чтобы нормально деполяризовать клеточную мембрану. Кальций выступает в роли вторичного

посредника (мессенджера). Активация кальциевых каналов обеспечивается деполяризацией клеточной мембраны, напр., входящим натриевым током. Инактивация кальциевых каналов происходит при повышении внутриклеточной концентрации свободного кальция. Однако белки цитоплазмы связывают кальций, что позволяет некоторое время поддерживать стабильную величину кальциевого тока, хотя и на низком уровне; при этом натриевый ток полностью подавляется. Блокируются кальциевые каналы ионами марганца, никеля, кадмия (2-хвалентные ионы), а также лекарственными веществами (верапамил).

Различают пассивный (без затрат энергии) и активный (энергозависимый) транспорт ионов через мембраны.

Пассивный идет за счет простой и облегченной диффузии.

Простая диффузия идет в соответствии с законом Фика – по химическому, электрохимическому или осмотическому градиенту. Напр., в клетке натрия 14 ммоль, а в среде 140 ммоль, в этом случае пассивный поток должен быть направлен в клетку.

Для пассивной простой диффузии вещество должно быть жирорастворимым. Гидрофильные вещества в фосфолипидном бислое мембраны пройти не могут.

Облегченная диффузия происходит или при наличии специализированных каналов или с участием переносчиков, которые специфически связываются с переносимой молекулой, а затем способствуют ее переносу по градиенту концентрации.

Активный транспорт ионов насосами клеточных мембран обеспечивает поддержание ионных градиентов по обе стороны мембраны. Энергия затрачивается на перенос данного вещества против градиента его концентрации.

Доказано участие в активном транспорте ионов специализированных ферментных систем – АТФ-аз, которые осуществляют гидролиз АТФ. Различают:

Натрий–калиевая–АТФ–аза («натриевый насос») обнаружена в мембранах клеток всех животных, растений и микроорганизмов. Это мембранный белок, имеющий два центра связывания ионов. Один из них (натриевый) расположен на внутренней поверхности клеточной мембраны, второй (калиевый) – на ее внешней поверхности. Специфическим ингибитором фермента является сердечный гликозид – строфантин (уабаин), блокирующий работу натриевого насоса. Гидролиз одной молекулы АТФ сопровождается выведением из клетки трех ионов натрия и закачиванием в клетку двух ионов калия. При увеличении количества ионов калия во внеклеточной среде или ионов натрия внутри клетки работа насоса усиливается.

Кальциевая–АТФ-аза («кальциевый насос») наиболее широко распространена в мембранах саркоплазматического ретикулума мышечных клеток.

Протонная–АТФ-аза («протонный насос») – в мембранах митохондрий.