Молекулы натриевого (Na)-канала. Воротные токи. Избирательность натриевых каналов.

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 ионов Na+.

1. Сенсор ионного канала.
2. Сенсор ионного канала — чувствительная часть канала, ко­торая воспринимает сигналы, природа которых может быть различна.
3. На этой основе выделяют:
4. • потенциалзависимые ионные каналы;
5. • рецепторуправляемые ионные каналы;
6. • лигандуправляемые (лигандзависимые);
7. • 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.

1. В мембране любой клетки имеется большой набор разно­образных (по скорости) ионных каналов, от активации кото­рых зависит функциональное состояние клеток.
2. Потенциалуправляемые каналы.
3. Потенциалуправляемый канал состоит из:
4. • поры, заполненной водой;
5. • устья;
6. • селективного фильтра;
7. • активационных и инактивационных ворот;
8. • сенсора напряжения.
9. 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.
10. 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 мкм2 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 мкм2 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.

1. Другой тип потенциалзависимых калиевых каналов акти­вируется только после предварительной гиперполяризации, он формирует быстрый транзиторный калиевый ток, который быстро инактивируется.
2. Ионы кальция облегчают открытие потенциалзависимых калиевых каналов, изменяя параметры реагирования.
3. Са+-каналы.
4. Потенциалуправляемые каналы вносят существенный вклад как в регуляцию входа кальция в цитоплазму, так и в электрогенез.
5. Белки, образующие кальциевые каналы, состоят из пяти субъединиц (al, a2, b, g, d).
6. Главная субъединица al формирует собственно канал и содержит места связывания для различных модуляторов каль­циевых каналов.
7. Было обнаружено несколько структурно различных al субъединиц кальциевых каналов в нервных клетках млекопи­тающих (обозначенных как А, В, С, D и Е).
8. Функционально кальциевые каналы различных типов от­личаются друг от друга активацией, кинетикой, проводимос­тью одиночного канала и фармакологией.
9. В клетках описано до шести типов потенциалуправляемых кальциевых каналов (Т-, L-, N-, P-, Q-, R- каналы).
10. Активность потенциалуправляемых каналов плазмалеммы регулируется различными внутриклеточными вторич­ными посредниками и мембранно-связанными G-белками.
11. Кальциевые потенциалзависимые каналы обнаружены в большом количестве в цитоплазматических мембранах нейро­нов, миоцитах гладких, поперечно-полосатых и сердечных мышц и в мембранах эндоплазматического ретикулума.
12. Са2+-каналы СПР являются олигомерными протеинами, встроенными в мембрану СПР.
13. Са2+-управляемые Са2+-каналы СПР.
14. Эти кальциевые каналы были впервые выделены из ске­летных и сердечных мышц.
15. Оказалось, что Са2+-каналы СПР в этих мышечных тканях имеют молекулярные различия и кодируются различными ге­нами.
16. Са2+-каналы СПР в сердечных мышцах непосредственно связаны с высокопороговыми Са2+-каналами плазмалеммы (L-тип) через кальцийсвязывающие белки, образуя, таким обра­зом, функционально активную структуру — «триаду».
17. В скелетных мышцах деполяризация плазмалеммы прямо активирует освобождение Са2+ из эндоплазматического ретикулума благодаря тому, что Са2+-каналы плазмалеммы служат потенциалчувствительными передатчиками активирующего сигнала непосредственно Са2+-каналам СПР через связываю­щие белки.
18. Таким образом, Са2+-депо скелетных мышц обладают ме­ханизмом освобождения Са2+, вызываемым деполяризацией (RyRl-тип).
19. В отличие от скелетных мышц, эндоплазматические Са2+-каналы кардиомиоцитов не связаны с плазмалеммой, и для стимуляции освобождения Са2+ из депо требуется увели­чение концентрации цитозольного кальция (RyR2-тип).
20. Кроме этих двух типов Са2+-активируемых Са2ч-каналов, недавно был идентифицирован третий тип Са2+-каналов СПР (RyR3-тип), который еще изучен не достаточно.
21. Для всех кальциевых каналов характерна медленная акти­вация и медленная инактивация по сравнению с натриевыми каналами.
22. При деполяризации мышечной клетки (выпячивания цитоплазматических мембран — Т-трубочки подходят к мембра­нам эндоплазматического ретикулума) происходит потенциалзависимое открытие кальциевых каналов мембран саркоплазматического ретикулума.
23. 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.
24. Такое увеличение концентрации кальция инициирует процесс сокращения миофибрилл.
25. 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.

Ионные каналы

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

Основные черты

Ионные каналы регулируют поток ионов через мембрану во всех клетках. Они представляют собой белковую молекулу или комплекс нескольких молекул, которые пронизывают липидный слой клеточной мембраны насквозь. Внутри белка находится сквозное отверстие, или пора, по которой могут двигаться ионы.

Пора открывается и закрывается с помощью движений белковой молекулы самого канала или вспомогательных белков — так называемый «Воротные механизм». При открывании времени через канал движутся ионы, которых заставляет перемещаться электрохимический градиент по обе стороны клеточной мембраны.

Таким образом, каналы являются проводниками пассивного транспорта.

Движение ионов через канал приводит к изменению мембранного потенциала клетки или вхождения новых ионов в клетку (в первую очередь ионов кальция и хлора). Это в дальнейшем приводит к изменению функции клетки. Трансмембранный градиент поддерживается для немногих малых ионов: катионов (Na +, Ca 2+, K +, H +) и анионов (Cl -, OH -).

Тем не менее, существует несколько сотен генов, кодирующих различные ионные каналы живых организмов. Это многообразие связано в частности с многообразием воротных механизмов. Белковая молекула канала воспринимает определенный вид энергии и в ответ меняет свою конформацию так, чтобы время канала открылась или закрылась.

Распространены потенциалзависимые каналы, то есть те, которые открываются в ответ на определенную разность потенциалов на мембране, и хемозалежни каналы, то есть те, которые изменяют конформацию после связывания со специфической молекулой.

Есть также каналы, которые меняют свою способность пропускать ионный ток в ответ на изменение температуры, pH, давление на мембрану, свет и т.

Молекулярное строение

Эти комплексы обычно имеют вид цилиндрической структуры, составленной из одной или нескольких идентичных, гомологичных или различных белковых молекул, плотно упакованных вокруг заполненной водой поры, проходит через липидный бислой мембраны.

Если эти белковые молекулы или субъединицы канала являются продуктами одного гена, то канал является гомомером, если же разных — то гетерометром. По количеству субъединиц различают мономеры, димеры, триммеры, тетрамеры, пентамер, октамер т.

Например, калиевые каналы часто является гомотетрамерамы — то есть образованные четырьмя одинаковыми субъединицами. По обычной номенклатурой, субъединицы, формирующие время, называются α-субъединицами, тогда как вспомогательные субъединицы — β, γ и так далее.

Каждая α-субъединица состоит из нескольких (2-7) трансмембранных сегментов (что чаще всего является α-спиралями), Р-петли, которая выстилает время, цитоплазматических концов и внеклеточного петель.

Свойства ионных каналов

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

Биологическая роль

Открытие и закрытие ионных каналов лежат в основе передачи нервных импульсов, а проводимость каналов является основой работы электрических синапсов. Поэтому ионные каналы крайне важными компонентами нервной системы.

Действительно, большинство наступательных и защитных токсинов, которые организмы развили для прекращения работы нервные системы хищников и добычи (например, яды, выделяемые пауками, скорпионами, змеями, рыбами, пчелами, морскими моллюсками и другими организмами) работают из-за блокирования ионных Калалы.

Ионные каналы вовлечены в поддержание напряжения в митохондриях эукариот и на плазматических мембранах прокариот, которая используется для получения энергии в виде АТФ — основного «топлива» клеток.

Кроме того, многочисленные ионные каналы отвечают за широкий спектр биологических процессов, которые привлекают быстрые изменения состояния клетки, например сердечной деятельности, сокращения скелетных и гладких мышц, транспорт питательных веществ через эпителий, работе T-лимфоцитов, секреции гормонов. При разработке новых лекарств ионные каналы — очень частые мишени.

Многообразие ионных каналов

Единой классификации ионных каналов на сегодняшний день не существует. Каналы систематизируют по селективностью к ионам (анионные, катионные, натриевые, калиевые, хлорные и т.д.

), по механизму активации (потенциалзависимые, лигандкеровани, депокеровани, механорецепторы, температурозалежни и т.п.), по чувствительности к химическим веществам (например, АТФ-зависимые, TTX- нечувствительны), по генетической гомологией.

В украинской научной литературе предложена следующая классификация:

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

Заболевания, связанные с ионными каналами

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

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

Как изучают ионные каналы

Мембранная теория

Долгое время цитологи спорили, как устроена клетка. Между собой конкурировали две теории: мембранная и фазовая.

Мембранная теория предполагала наличие полупроницаемого барьера, который бы отделял цитоплазму от межклеточного пространства, создавая градиенты веществ.

Фазовая теория исключала наличие такого барьера, а гомеостаз в клетке поддерживают белки-акцепторы различных веществ — акцепторы калия, натрия, кислорода, глюкозы и др. Открытие электронной микроскопии показало победу мембранной теории.

Поэтому следующим шагом стало изучение свойств мембраны. Ходжкин и Бернард Кац обнаружили способность гигантского аксона кальмара пропускать различные ионы при различных мембранных потенциалах. Так появилась гипотеза о наличии селективных ионных каналов. В дальнейшем она блестяще подтвердилась.

Методы исследования

Первые исследования ионных каналов были осуществлены с помощью микроэлектродов на гигантских возбуждающих клетках. Развитие микроэлектродной техники привело к созданию метода фиксации потенциала на участке мембраны.

Сначала исследования проводились только на функциональном уровне, дальше гены каналов был клонирован и их стали также изучать генетически и структурно.

Также ионные каналы теперь искусственно вводят в клетки, почти не имеют собственных каналов (яйцеклетки, иммортализовани клеточные линии и т.п.), где изучают их функции.

Используют ряд молекулярно-биологических и оптических методов (ПЦР, количественную ПЦР, ПЦР для одной клетки, иммунохимических методы, флуоресцентную микроскопию). Некоторые канальные белки удалось закристализуваты и провести рентгеноструктурный анализ. Другие структуры предусмотрены пока теоретически.

Вклад украинских ученых в исследования ионных каналов

В Институте физиологии имени А.А. Богомольца НАН Украины еще с 1950-х начались исследования электрических свойств клеток. У истоков этой работы стояли Даниил Воронцов, Платон Костюк, Михаил Шуба.

Впервые в мире Костюк и Хрусталь доказали наличие отдельных кальциевых каналов в клеточной мембране нервных клеток.

В дальнейшем под руководством Платона Костюка группой Николая Веселовского было впервые описано токи через кальциевые каналы Т-типа, а группой Олега Крышталя — через пуриновые и протончутливи каналы.

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

• 
• 

Ионные каналы, их строение. Классификация ионных каналов. Натриевый и калиевый каналы

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 9Следующая ⇒

Ионные каналы (ИК) — это мембранные молекулярные структуры, образованные интегральными (трансмембранными) белками, пронизывающими клеточную мембрану поперёк в виде нескольких петель и образующими в мембране сквозной канал (пору).

Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются дополнительные молекулярные системы: открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции.

ИК могут иметь не один, а несколько участков (сайтов) для связывания с управляющими веществами (лигандами).

ИК состоят из белков сложной структуры (белков-каналоформеров).

Белки ИК имеют определённую конформацию, образующую трансмембранную пору, и «вшиты» в липидный слой мембраны. Канальный белковый комплекс может состоять либо из одной белковой молекулы, либо из нескольких белковых субъединиц, одинаковых или разных по строению.

Эти субъединицы могут кодироваться разными генами, синтезироваться на рибосомах по-отдельности и затем собираться в виде целостного канала. В другом случае канал может представлять собой единый полипептид, который в виде петель прошивает мембрану несколько раз.

На начало XXI века известно более 400 белков-каналоформеров, для биосинтеза которых используется 1-2% генома человека.

Домены — это отдельные компактно оформленные части канального белка или субъединиц. Сегменты — это части белкка-каналоформера, свёрнутые спирально и прошивающие мембрану. Концевые домены белка-каналоформера (N- и С-терминальные домены) могут торчать из мембраны как наружу, так и внутрь клетки.

Практически все ИК имеют в составе своих субъединиц регуляторные домены, способные связываться с различными управляющими веществами (регуляторными молекулами) и за счёт этого менять состояние или свойства канала.

В потенциал-активируемых ИК один из трансмембранных сегментов содержит специальный набор аминокислот с положительными зарядами и работает как сенсор электрического потенциала мембраны. При изменении потенциала такой сенсор меняет состояние канала с открытого на закрытое или наоборот.

Таким образом, ИК могут управляться определёнными воздействиями извне, это важное их свойство.

ИК в своём составе могут иметь также вспомогательные субъединицы, выполняющие модуляторные, структурные или стабилизирующие функции. Один класс таких субъединиц — внутриклеточные, расположенные полностью в цитоплазме, а второй — мембранные, т.к. они имеют трансмембранные домены, прошивающие мембрану.

• Классификация ионных каналов:
• • По типу активации -Потенциалзависимые
• -Лигандзависимые
• -Механоактивируемые
• • По селективности -Селективные (Na, K, Ca, Cl)
• -Неселективные
• • По кинетике -Быстрые
• -Медленные
• -Смешанные
• Натриевый канал

Является потенциалзависимым ионным каналом, который обеспечивает быстрое увеличение натриевой проводимости, ответственное за фазу деполяризации при развитии потенциала действия в нервных и мышечных клетках.

Каналы, выделенные из тканей млекопитающих, имеют молекулярную массу ~335000.

Na+ -каналы взаимодействуют с различными токсинами, в частности с тетродотоксином, сакситоксином и α-токсином скорпиона, которые очень прочно связываются с канальными белками и могут использоваться при количественных биохимических измерениях.

Калиевый канал

Потенциалзависимые К-каналы расположенны как в плазматической мембране, так и в саркоплазматическом ретикулуме.

Общим свойством этих каналов является чувствительность к ингибирующему действию тетраэтиламмония , 4-аминопиридина и Cs , хотя эффективность действия этих ингибиторов на разные подтипы каналов существенно различна.

Эти каналы активируются при деполяризации и осуществляют реполяризацию мембраны во время потенциала действия . Скорость их инактивации низка — от 100 мс до нескольких секунд.

5. Понятие о возбудимости. Параметры возбудимости нервно-мышечной системы: порог раздражения (реобаза), полезное время (хронаксия). Зависимость силы раздражения от времени его действия (кривая Гоорвега-Вейса). Рефрактерность.

Возбудимость – это способность (свойство) некоторых физиологических систем отвечать на внешнее или внутреннее воздействие специализированной ответной реакцией – генерацией потенциала действия.

Клетки, способные к возбуждению (в организме человека), — мышечные, нервные, секреторные — называют возбудимыми. Все прочие клетки являются раздражимыми. Из этого следует, что раздражимость более общее свойство живых систем, тогда как возбудимость является частным и специализированным проявлением раздражимости.

Для любой возбудимой системы существует своя минимальная сила стимула, вызывающая возбуждение. Она получила название порог или реобаза.

Любой раздражитель должен действовать не меньше определенного времени, чтобы вызвать реакцию возбуждения это время именуют латентное или полезное время.

Хронаксия — это частный случай полезного времени действия стимула величиной в 2 порога (2 реобазы).

Лабильность – мера возбудимости или максимальный ритм импульсации, который способна воспроизвести возбудимая система в единицу времени. Величина лабильности обратно пропорциональна длительности фазы абсолютной рефрактерности, т.е. 1/АРФ (сек).

Закон длительности раздражений. Ответная реакция ткани зависит от длительности раздражения, но осуществляется в определенных пределах и носит прямо пропорциональный характер. Существует зависимость между силой раздражения и временем его действия. Эта зависимость выражается в виде кривой силы и времени.

Эта кривая называется кривой Гоорвега—Вейса—Лапика. Кривая показывает, что каким бы сильным ни был бы раздражитель, он должен действовать определенный период времени. Если временной отрезок маленький, то ответная реакция не возникает.

Если раздражитель слабый, то бы как длительно он ни действовал, ответная реакция не возникает. Сила раздражителя постепенно увеличивается, и в определенный момент возникает ответная реакция ткани.

Эта сила достигает пороговой величины и называется реобазой (минимальной силой раздражения, которая вызывает первичную ответную реакцию). Время, в течение которого действует ток, равный реобазе, называется полезным временем.

График зависимости «сила-время/длительность» (кривая Гоорвега-Вейса-Лапика)

Рефрактерность – (физиологическое свойство возбудимых тканей) временное снижение возбудимости одновременно с возникшим в ткани возбуждением. Рефрактерность бывает абсолютной (нет ответа ни на какой раздражитель) и относительной (возбудимость восстанавливается, и ткань отвечает на подпороговый или сверхпороговый раздражитель);

6. Ионные насосы (АТФ-азы): К+-Na+-евая, Са2+-евая (плазмолеммы и саркоплазматического ретикулума). Н+-К+-лбменник.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

045. Воротные механизмы потенциалзависимых ионных каналов

Потенциалзависимые натриевые каналы в плазматических мембранах различных клеток представлены несколькими типами. Это белковая молекула массой около 230 кДа, состоящая из 4 субъединиц и домена, несущего сильный положительный заряд.

В структуре ионного канала выделяют два основных функциональных элемента :

• селективный фильтр,
• воротный механизм (ворота).

Селективный фильтр канала предназначен для захвата только тех ионов, которые проводятся через канал. Степень селективности определяется стереометрией белковой молекулы и зарядом аминокислотных остатков.

Ионная пора имеет размер, строго соответствующий проводимому иону с учетом гидратной оболочки.

Вместе с тем степень избирательности ионной поры не абсолютна, через натриевый канал могут следовать, хоть и значительно хуже, и близкие по заряду и величине ионы натрия.

В последние годы в экспериментах выяснилось, что селективный фильтр обладает неизменяемой структурой, не способной изменять просвет в разных условиях. Переходы канала из открытого состояния в закрытое и обратно связаны с работой не селективного фильтра, а воротного механизма.

Под воротными процессами, происходящими в той части ионного канала, которая называется «воротами», понимают такие изменения конформации белковых молекул, образующих канал, в результате которых его пора может сжиматься или расширяться. В первом случае «ворота» закрыты, а во втором — открыты.

Следовательно, «воротами» принято называть те функциональные группы белковых молекул, которые обеспечивают воротные процессы. Важно, что «ворота» приводятся в движение физиологическими стимулами, т.е. такими, которые присутствуют в естественных условиях.

Среди физиологических стимулов особую роль играют сдвиги мембранного потенциала, что и предопределяет активацию потенциалзависимых ионных каналов.

Современная функциональная модель натриевого потенциалзависимого канала предусматривает существование в нем двух типов ворот, работающих со сдвигом фаз. Они отличаются инерционными свойствами.

Более подвижные (легкие) названы m-воротами, более инерционные (тяжелые) — h-воротами (использованы буквы m и h, обозначающие константы в дифференциальных уравнениях Ходжкина и Хаксли, описывающих ионные токи через мембрану). При потенциале покоя m-ворота открыты, h-ворота закрыты, и движение Na+ по каналу невозможно.

При деполяризации плазмолеммы ворота обоих типов приходят в движение, но в силу неодинаковой инерции m-ворота успевают открыться раньше, чем закроются h-ворота. В этот миг натриевый канал открыт полностью и Na+ успевает на протяжении нескольких миллисекунд войти в клетку. Это и есть фаза деполяризации.

Реполяризация начинается после закрытия тяжелых h-ворот, то есть после прекращения потока натрия, и обусловлена активностью калиевых каналов.

Дыры в клетках как основа жизни | Телеграф | Вокруг Света

Ионные каналы представляют собой белковые структуры, встроенные в мембраны живых клеток. Они создают поры для транспорта ионов на поверхности мембран. Благодаря этому становится возможной возбудимость нервных клеток, передача нервных импульсов с нерва на мышцу и секреция гормонов. Блокирование ионного транспорта приводит к серьёзным нарушениям в организме.

В медицинских новостях то и дело появляется информация о том, что учёные нашли очередной способ воздействия на ионные каналы — то они пытаются их активировать, то, наоборот, спешат блокировать. Например, совсем недавно были опубликовано сообщение об исследованиях профессора Тель-Авивского университета (Tel Aviv University) Майкла Гуревитца (Michael Gurevitz), который разрабатывает новое болеутоляющее на основе компонентов яда израильского жёлтого скорпиона — одного из самых опасных скорпионов в мире. Предполагается, что этот препарат будет воздействовать на натриевые каналы, которые отвечают за восприятие боли, и станет эффективным обезболевающим нового поколения. Об ионных каналах вспоминают, и когда речь заходит об онкологических заболеваниях , сердечно-сосудистых отклонениях и даже вредных пристрастиях. Так что же это за каналы и почему их работа так важна?

Клетка в дырку

Живая клетка — это не статичное образование, в ней постоянно происходит обмен веществ, ведь взаимодействие клеток друг с другом и внешней средой — необходимое условие для поддержания жизни организма. Обмен этот происходит через мембрану (оболочку) клеток, через которую при необходимости должны проникать многие элементы: ионы, аминокислоты, нуклеотиды.

Чтобы мембрана при необходимости могла быть проницаема для этих элементов, в ней есть специальные транспортные белки, которые образуют поры, своеобразные «дыры» в мембране.

Эти поры представляют собой закупоренные молекулами воды каналы диаметром менее 1 нм, и эти мембранные каналы обладают относительной избирательностью по отношению к типу молекул, которые могут через них проходить.

Есть, к примеру, кальциевые, натриевые, калиевые каналы — и они не пропускают другие ионы, кроме специфических. Такая избирательность канала обусловлена его зарядом и структурой.

Для проведения потока ионов через свою пору ионные каналы используют разность потенциалов. Так как возникающий при движении ионов ток можно измерить — причём даже для одиночного канала, за поведением мембранных ионных каналов легко наблюдать. Каналы спонтанно и часто открываются и закрываются.

И эти переходы из одной формы в другую можно изучать методами рентгеновской дифракции, мёссбауэровской спектроскопии и ядерно-магнитного резонанса.

Благодаря этим исследованиям стало ясно, что эти каналы — высокоорганизованные струтуры, не просто трубка с водой, а лабиринт быстро двигающихся электрически нейтральных и заряженных молекулярных групп.

Японский деликатес — рыба фугу. Поскольку в ней содержится тетродоксин (яд, блокирующий натриевые каналы мембран нервных клеток), готовить это блюдо в Японии имеют право только повара, прошедшие курс обучения и получившие лицензию. Впрочем, сообщения об отравившихся фугу появляются в СМИ с завидной регулярностью.

Существуют десятки разновидностей ионных каналов. Самую большую группу составляют калиевые каналы, в которую входит около сорока видов. И каждая разновидность уникальна по своим структурным характеристикам и выполняемым функциям.

Например, калиевые каналы большой проводимости (через них проходит бóльшее количество ионов калия, чем по другим каналам) состоят из круных фрагментов белка, субъединиц, свернутых в α-спираль.

Их дополняют относительно короткие фрагменты, которые кроме первичной спиральной обладают также вторичной β-структурой. Они, в свою очередь, подразделяются на β-1, β-2, β-3 или β-4, каждая из которых придаёт каналу уникальные свойства.

Например, β-4 делает канал устойчивым к блокатору ибериотоксину. Если же блокада канала осуществлена удачно, ток через канал проходить не будет.

Зачем вообще нужны эти высокоорганизованные «дыры» в клетках? Ионные каналы — это основа жизни. Они обеспечивают возбудимость нервной системы, передачу нервных импульсов с нерва на мышцу, секрецию гормонов.

Активирование ионных каналов запускает каскады физиологических реакций, обусловливает наше мышление, работу сердечной мышцы и дыхательной диафрагмы, даже наши привязанности (например, к алкоголю ) и те современные учёные склоны объяснять особенностями работы ионных каналов.

Блокирование этих важных каналов приводит к серьёзнейшим изменениям в организме. И нет ничего удивительного в том, что ионные каналы стали основной мишенью для разработки новых ядов и химического оружия. Так, один из мощнейших нервнопаралитических ядов, известных человечеству, тетродотоксин, блокирует натриевые каналы.

Благодаря большим размерам молекулы тетродотоксин буквально закупоривает пору натриевого канала, так что прохождение ионов натрия через неё становится невозможным, и нервный импульс не передаётся от клетки к клетке. Мышцы замирают — ведь они подчиняются сигналам нервной системы.

Токсины сходного действия, например конотоксин, находятся в арсенале змей и морских моллюсков и помогают им парализовать жертву.

Ионные каналы в медицине

В медицине сегодняшнего дня целый ряд заболеваний объясняют нарушением в работе ионных каналов. Хотя они имеют совершенно разные пути лечения, общность их причин позволило выделить их в отдельную группу. Они включают как приобретенные, так и наследственные недуги.

В 2003 году Нобелевская премия по химии была присуждена американскому учёному Родерику Маккиннону (Roderick McKinnon) за открытие структуры ионного канала. В 1998 году ему удалось кристаллографическими методами получить трёхмерную молекулярную структуру калиевого канала бактерии Streptomyces lividans.

Например, с нарушением функции целой группы ионных каналов, включая натриевые и калиевые, связывают развитие синдрома хронической усталости . Из наследственных заболеваний, вызванных нарушением функционирования ионных каналов, можно упомянуть эпилепсию, которая вызвана сбоями в работе калиевых каналов большой проводимости.

Под руководством профессора Ричарда Алдрича (Richard Aldrich) из Техасского университета в Сан-Антонио (University of Texas at San Antonio) удалось доказать, ставя опыты на трансгенных мышах , у которых был заблокирован ген KCNMB4, что при недостаточном количестве бета4 субъединиц калиевый канал неадекватно отвечает на нервное возбуждение, что приводит к конвульсиям.

С недостаточной функцией β-1 субъединицы канала связывают развитие гипертонии.

Если по какой-то причине аминокислотный состав белка β-1 субъединицы не соответствует норме, то канал с такой субъединицей не в состоянии поддерживать расширение стенкок сосудов, из-за чего возникает напряжение артерий и развивается гипертония. Об этом свидетельствуют, например, исследования Ральфа Кёлера (Ralf Köhler) из Университета Южной Дании (Syddansk Universitet).

• Ещё одно широко распространённое сердечно-сосудистое заболевание — синдром удлинённого QT связывают с мутациями в генах, кодирующих калиевые каналы сердечной мышцы, которое приводит к усилению активности калиевых каналов и меняет нормальный поток калия в сердечной мышце.
• Нарушения функций кальциевых каналов приводят к атаксиям — состояниям, при которых невозможна координация движений.
• Наконец, муковисцидоз (или фиброзно-кистозная дегенерация) — тяжелейшее заболевание дыхательной системы и желудочно-кишечного тракта наряду с другими причинами связывают с мутациями в CFTR гене, кодирующем хлорный канал.
• Так что нормальное функционирование ионных каналов любого типа исключительно важно для здоровья человека.

Взять каналы на прицел!

Сегодня фармацевты активно работают над созданием препаратов, воздействующих на них. Пожалуй, одни из самых популярных из существующих подобных препаратов, — антиаритмические средства, которые нормализуют нарушенный ритм сердечных сокращений.

К ним относятся так называемые «антагонисты кальция» (например, верапамил), которые препятствуют проникновению ионов кальция из межклеточного пространства в мышечные клетки сердца и сосудов через медленные кальциевые каналы L-типа.

Снижая концентрацию ионов кальция в клетках сердечной мыщцы и стенках сосудов, антагонисты кальция расширяют коронарные и периферические артерии.

Активаторы калиевых каналов (икорандил, миноксидил, диазоксид, пинацидил) тоже вызывают расширение коронарных сосудов и сосудов в периферических органах. Воздействовать на калиевые каналы пытаются и для остановки инсультов, вызванных спазмом сосудов головного мозга.

Капсаицин в изобилии содержится в стручках перца чили. Благодаря  ему открываются ионные каналы TRPV1, через которые беспрепятственно проходят молекулы синтетического аналога лидокаина (QX-314). Эксперименты на животных уже показали, что капсаициновая модель доставки обезболивающего очень эффективна.

Популярные в хирургической практике местные анестетики — лидокаин и новокаин блокируют ощущение боли путём закупорки натриевых каналов. Правда, побочный эффект этих препаратов состоит в том, что они приводят к потере не только болевой, но и тактильной чувствительности.

Однако удалось установить, что на помощь в такой ситуации могут прийти другие ионные каналы — так называемые TRP (Transient receptor potential). Это семейство каналов насчитывает множество видов, которые характеризуются слабой селективностью и пропускают большинство положительно заряженных ионов, включая натрий, кальций и магний.

Особая группа TRP каналов, которая расположена в нервных клетках, реагирующих на боль, чувствительна к присутствию активного компонента перца чили — капсаицину.

Если активировать TRP каналы капсаицином, то последующее введение лидокаина будет избирательно блокировать только эти TRP каналы, то есть каналы, расположеные исключительно в болевых нейронах.

Таким образом, можно будет избавиться от побочного действия обезболевающего.

Относительная простота тестирования работы ионных каналов и многообещающие результаты делают их привлекательной мишенью для фармацевтической индустрии.

К тому же, многие ныне существующие препараты со временем теряют свою эффективность: организм привыкает к ним и реагирует не так, как задумывали создатели. Учёным приходится постоянно искать пути устранения различных сбоев, а ионные каналы — это, можно сказать, основа жизни.

И сегодня манипуляции ими, с одной стороны, привлекают многомиллиардные инвестиции, а с другой — дают определённую надежду страдающим самыми разными недугами.