), Cl − (хлора) и Ca 2 + (кальция). Из-за открывания и закрывания ионных каналов меняется концентрация ионов по разные стороны мембраны и происходит сдвиг мембранного потенциала.
Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются молекулярные системы открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции. Ионные каналы могут иметь несколько участков (сайтов) для связывания с управляющими веществами.
Энциклопедичный YouTube
1 / 5
✪ Мембранные потенциалы - Часть 1
✪ Пассивный транспорт Простая и облегченная диффузия Ионные каналы
✪ Калий-натриевый насос.flv
✪ 207. Планирование обзора на каналы youtube об Образовании. Oxford University
✪ Обзор каналов выпуск 15 - Образовательные каналы
Субтитры
Нарисую небольшую клетку. Это будет типичная клетка, и она наполнена калием. Мы знаем, что клетки любят накапливать его внутри себя. Много калия. Пусть его концентрация будет где-то 150 миллимоль на литр. Огромное количество калия. Возьмем это в скобки, потому что скобки обозначают концентрацию. Снаружи также имеется некоторое количество калия. Здесь концентрация будет примерно 5 миллимоль на литр. Я покажу вам, как будет устанавливаться градиент концентрации. Это не происходит само по себе. Для этого требуется много энергии. Два иона калия закачиваются внутрь, и одновременно с этим три иона натрия покидают клетку. Так ионы калия попадают внутрь изначально. Теперь, когда они внутри, будут ли они удерживаться тут сами по себе? Конечно, нет. Они находят анионы, небольшие молекулы или атомы с отрицательным зарядом, и располагаются вблизи них. Таким образом суммарный заряд становится нейтральным. У каждого катиона есть свой анион. И обычно эти анионы являются белками, какими-то структурами, у которых имеется отрицательная боковая цепь. Это может быть и хлорид, или, например, фосфат. Что угодно. Любой из этих анионов подойдет. Изображу еще несколько анионов. Итак, вот два иона калия, которые просто проникли внутрь клетки, вот как все это выглядит теперь. Если все хорошо и статично, то вот как они выглядят. И на самом деле, чтобы быть совсем справедливым, здесь также есть маленькие анионы, которые находятся здесь наравне с ионами калия. В клетке есть маленькие отверстия, через которые калий может вытекать наружу. Давайте посмотрим, как это будет выглядеть и как это повлияет на происходящее здесь. Итак, у нас есть эти маленькие каналы. Через них может пройти только калий. То есть эти каналы очень специфичны в отношении калия. Ничто другое не может пройти через них. Ни анионы, ни белки. Ионы калия как бы разыскивают эти каналы и рассуждают: «Ух ты, как интересно! Здесь столько калия! Надо бы выйти наружу». И все эти ионы калия просто покидают клетку. Выходят наружу. И в результате происходит интересная вещь. Большинство из них переместилось наружу. Но снаружи уже есть несколько ионов калия. Я сказал, что здесь был вот этот маленький ион, и он может теоретически проникнуть внутрь. Он может проникнуть в эту клетку, если захочет. Но дело в том, что в общей сложности, суммарно, у вас происходит больше перемещений наружу, чем внутрь. Теперь я стираю этот путь, потому что хочу, чтобы вы запомнили, что у нас имеется больше ионов калия, которые стремятся выйти наружу вследствие наличия градиента концентрации. Это первый этап. Давайте я это запишу. Градиент концентрации приводит к тому, что калий перемещается наружу. Калий начинает перемещаться наружу. Выходит из клетки. А что потом? Давайте, я нарисую его в процессе выхода наружу. Этот ион калия теперь находится здесь, а этот - здесь. Остаются только анионы. Они остались после ухода калия. И эти анионы начинают производить отрицательный заряд. Очень большой отрицательный заряд. Лишь несколько анионов, перемещающихся туда и обратно, создают отрицательный заряд. А ионы калия на внешней стороне думают, что все это очень интересно. Вот здесь имеется отрицательный заряд. А раз он там есть, они притягиваются к нему, поскольку сами обладают положительным зарядом. Их тянет к отрицательному заряду. Они хотят вернуться. Теперь задумайтесь. У вас имеется градиент концентрации, который выталкивает калий наружу. Но, с другой стороны, присутствует мембранный потенциал, - в данном случае отрицательный - который возникает из-за того, что калий оставил после себя анион. Этот потенциал стимулирует калий к тому, чтобы возвращаться назад. Одна сила, концентрация, выталкивает ион калия наружу, другая сила, мембранный потенциал, который создается калием, заставляет его возвращаться внутрь. Освобожу немного места. Сейчас покажу вам кое-что любопытное. Построим две кривые. Я постараюсь ничего не пропустить на этом слайде. Нарисую все здесь и тогда будет видно небольшой фрагмент этого. Строим две кривые. Одна из них будет для градиента концентрации, а другая - для мембранного потенциала. Это будут ионы калия снаружи. Если следить за ними в течение времени - это время - получится примерно следующее. Ионы калия стремятся выйти наружу и в определенной точке достичь равновесия. Проделаем то же самое со временем на этой оси. Это у нас будет мембранный потенциал. Начинаем в нулевой временной точке и получаем отрицательный результат. Отрицательный заряд будет становиться все больше и больше. Начинаем в нулевой точке мембранного потенциала, и именно в точке, где ионы калия начинают выходить наружу, происходит следующее. В общих чертах все очень похоже, но это происходит как бы параллельно изменениям концентрационного градиента. И когда эти два значения уравняются между собой, когда количество ионов калия, выходящих наружу, равно количеству ионов калия, которые возвращаются внутрь, получается вот такое плато. И оказывается, что заряд при этом составляет минус 92 милливольта. В этой точке, где практически отсутствует различие с точки зрения суммарного перемещения ионов калия, наблюдается равновесие. У него даже есть свое название - «равновесный потенциал для калия». При достижении значения минус 92 - а оно различается в зависимости от типа ионов - при достижении минус 92 для калия, создается равновесие потенциалов. Запишу, что заряд для калия равен минус 92. Это происходит только тогда, когда клетка проницаема лишь для одного элемента, например, для ионов калия. И все равно может возникнуть вопрос. Вы можете рассуждать: «Так, секундочку! Если ионы калия перемещаются наружу - что так и есть - тогда разве в определенной точке у нас не возникает более низкая концентрация, поскольку калий уже вышел отсюда, и более высокая концентрация вот здесь обеспечивается за счет перемещения калия наружу?» Технически это так. Здесь, снаружи, содержится больше ионов калия. И я не упомянул о том, что объем тоже меняется. Здесь получается более высокая концентрация. И то же самое справедливо для клетки. Технически здесь более низкая концентрация. Но фактически я не изменил значения. И причина в следующем. Посмотрите на эти значения, это моли. И это огромное число, согласны? 6,02 умножить на 10 в минус 23 степени, совсем не маленькое число. И если вы умножите его на 5, то получится примерно - давайте я быстро посчитаю, что у нас получилось. 6 умножить на 5 будет 30. А здесь миллимоли. От 10 до 20 молей. Это просто огромное количество ионов калия. А для создания отрицательного заряда их нужно совсем немного. То есть изменения, вызванные перемещениями ионов, будут незначительными по сравнению с 10 в 20 степени. Вот почему изменения концентрации не учитываются.
Типы ионных каналов
Классификация ионных каналов проводится по различным параметрам и поэтому единой унифицированной классификации для них пока не существует.
Так, возможна классификация по структуре (строению) и происхождению от однотипных генов .
По этому принципу, например, выделяют три семейства лиганд-активируемых ионных каналов :
- с пуриновыми рецепторами (АТФ-активируемые);
- с никотиновыми АХ-рецепторами , ГАМК -, глицин - и серотонин -рецепторами ;
- с глутаматными рецепторами .
При этом в одно и то же семейство попадают ионные каналы с разной ионной селективностью, а также с рецепторами к разным лигандам . Но зато образующие эти каналы белки имеют большое сходство в строении и происхождении.
Ионные каналы также можно классифицировать по селективности в зависимости от проходящих через них ионов : натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные , протонные (водородные).
Согласно функциональной классификации , ионные каналы группируются по способам управления их состоянием на следующие виды:
- Неуправляемые (независимые).
- Потенциал -управляемые (потенциал-чувствительные, потенциал-зависимые, voltage-gated).
- Лиганд-управляемые (хемо-управляемые, хемочувствительные, хемозависимые, лиганд-зависимые, рецептор -активируемые).
- Опосредованно-управляемые (вторично-управляемые, ион-активируемые, ион-зависимые, мессенджер -управляемые, управляемые метаботропными рецепторами).
- Совместно-управляемые (NMDA-рецепторно-канальный комплекс). Они открываются одновременно как лигандами, так и определённым электрическим потенциалом мембраны . Можно сказать, что у них двойное управление. Пример: NMDA-рецепторно-канальный комплекс, имеющий сложную систему управления, включающую в себя 8 рецепторных участков-сайтов, с которыми могут связываться различные лиганды.
- Стимул -управляемые (механочувствительные, механосенситивные, активируемые растяжением (stretch) липидного бислоя, протон -активируемые, температурно-чувствительные).
- Актин -управляемые (актин-регулируемые, actin-regulated, actin-gated channels).
- Коннексоны (двойные поры).
Наиболее часто встречаются два типа каналов: ионные каналы с лиганд-зависимыми воротами (находятся, в частности, в постсинаптической мембране нервно-мышечных соединений) и ионные каналы с потенциал-зависимыми воротами. Лиганд-зависимые каналы превращают химические сигналы, приходящие к клетке, в электрические; они необходимы, в частности, для работы химических синапсов . Потенциал-зависимые каналы нужны для распространения потенциала действия .
Работа ионных каналов
Неуправляемые (независимые) ионные каналы
Эти каналы обычно находятся в открытом состоянии и постоянно пропускают через себя ионы за счёт диффузии по градиенту их концентрации и/или по электрическому градиенту зарядов по обе стороны мембраны. Некоторые неуправляемые каналы различают вещества и пропускают через себя по градиенту концентрации все молекулы меньше определённой величины, их называют «неселективные каналы» или «поры». Существуют также «селективные каналы», которые благодаря своему диаметру и строению внутренней поверхности переносят только определённые ионы. Примеры: калиевые каналы , участвующие в формировании мембранного потенциала покоя, хлоридные каналы , эпителиальные натриевые каналы , анионные каналы эритроцитов.
Потенциал-зависимые ионные каналы
Эти каналы отвечают за распространение потенциала действия, они открываются и закрываются в ответ на изменение мембранного потенциала . Например, натриевые каналы. Если мембранный потенциал поддерживается на уровне потенциала покоя , натриевые каналы закрыты и натриевый ток отсутствует. Если мембранный потенциал сдвигается в положительную сторону, то натриевые каналы откроются, и в клетку начнут входить. Но закрывшись, они отличаются от состояния, в котором находились до открытия, теперь они не могут открываться в ответ на деполяризацию мембраны, то есть они инактивированы. В таком состоянии они останутся до тех пор, пока мембранный потенциал не вернется к исходному значению и не пройдет восстановительный период, занимающий несколько миллисекунд.
Лиганд-зависимые ионные каналы
Эти каналы открываются, когда медиатор , связываясь с их наружными рецепторными участками, меняет их конформацию . Открываясь, они впускают ионы , изменяя этим мембранный потенциал . Лиганд-зависимые каналы почти нечувствительны к изменению мембранного потенциала. Они генерируют электрический потенциал, сила которого зависит от количества медиатора, поступающего в синаптическую щель и времени, которое он там находится.
Свойства ионных каналов
Для каналов характерна ионная специфичность. Каналы одного типа пропускают только ионы калия, другого - только ионы натрия и т. д.
Селективность - это избирательно повышенная проницаемость ионного канала для определённых ионов и пониженная для других. Такая избирательность определяется селективным фильтром - самым узким местом канальной поры. Фильтр, кроме узких размеров, может иметь также локальный электрический заряд.
Ионный канал в искусстве
Скульптура Рождение Идеи высотой 1,5 метра, в основу которой положена структура калиевого канала KcsA, была создана для лауреата Нобелевской премии Родерика Маккинона (Roderick MacKinnon) . Работа содержит проволочный каркас, удерживающий выдутый из жёлтого стекла объект, который репрезентирует основную полость канальной структуры.
Краткое описание:
Сазонов В.Ф. Ионные каналы мембраны [Электронный ресурс] // Кинезиолог, 2009-2017: [сайт]. Дата обновления: 31.01.2017..__.201_). _Обзор ионных каналов мембраны. Определение понятия "ионные каналы", их строение, свойства, функции, функциональные состояния, функциональная классификация.
Введение
Ионные каналы (ИК) клеточной мембраны имеют огромное значение для жизни клеток. Они обеспечивают обмен клетки с окружающей средой веществом, энергией и информацией, с них начинаются и ими поддерживаются процессы возбуждения и торможения в нервной системе и мышцах, именно они (вместе и другими молекулярными рецепторами) обеспечивают восприятие клеткой внешних сигналов. С помощью ИК происходит передача в клетку управляющих сигналов из окружающей её среды. Именно ИК обеспечивают синаптическую передачу возбуждения от возбуждённого нейрона на другие клетки. Обобщая, можно сказать, что почти все важнейшие физиологические процессы в организме начинаются с ионных каналов и поддерживаются ими!
Определение понятия
Ионные каналы мембраны - это маленькие белковые трубочки разного диаметра, вставленные в клеточную мембрану, через которые внутрь клетки или наружу могут перемещаться ионы. Перемещение ионов через ионные каналы приводит к изменению концентрации ионов внутри и снаружи клетки, а также к изменению электрического потенциала мембраны. Перемещение в клетку ионов кальция через кальциевые каналы запускает в ней различные внутренние биохимические процессы. Существует множество видов ионных каналов. © 2014-2017 Сазонов В.Ф. © 2014-2016 kineziolog.bodhy.ru..
Ионный канал клеточной мембраны - это отверстие в мембране, обмётанное по краям белковой нитью, через которое через мембрану могут перемещаться ионы. Белковая нить нужна для того, чтобы отверстие не затянулось жировым слоем мембраны. Во многих случаях белковая нить, или каналообразующий белок, обладает функциональной активностью и контролирует пропускную способность канала по отношению к различным ионам. © 2014-2017 Сазонов В.Ф. © 2014-2016 kineziolog.bodhy.ru..
Итак, ионные каналы (ИК) - это сложные трансмембранные белковые структуры, пронизывающие клеточную мембрану поперёк в виде нескольких петель и образующие в мембране сквозное отверстие (пору). Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются дополнительные молекулярные системы: открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции. ИК могут иметь не один, а несколько участков (сайтов) для связывания с управляющими веществами (лигандами).
Ионные каналы можно рассматривать как транспортный механизм , обеспечивающий перемещение ионов между цитоплазмной клетки и наружной средой.
Кроме ИК в мембране суцществуют и другие транспортные системы для переноса через неё различных веществ (смотрите транспортные механизмы мембраны). Так, перенос веществ может осуществляться специальными транспортными белками , или транслоказами . Транслоказы - это несколько иное понятие, чем ИК. В отличие от мембранных каналов , транслоказы в процессе переноса вещества через мембрану взаимодействуют с ним как с лигандом и при этом претерпевают конформационные изменения . По кинетике перенос веществ с помощью транслоказ в виде облегчённой диффузии напоминает ферментативную реакцию.
Упрощённое определение:
Ионные каналы - это поры (дырочки) в клеточной липидной мембране, которые "обшиты" по краям белковой нитью, чтобы дырочки не затянулись. Эти поры могут становиться пошире или поуже: либо сами по себе, либо при определённых воздействиях. Каналы могут иметь разное строение, поэтому разные виды каналов имеют разную проницаемость, избирательность и управляемость.
Итак, ионный канал - это интегральный белок, образующий в мембране пору для обмена клетки с окружающей средой ионами K + , Na + , H + , Ca 2+ , Cl - , а также водой, и способный изменять свою проницаемость.
Аквапорины - водные неионные каналы мембраны
В мембране существуют и неионные каналы. Например, аквапорины - это специальные водные каналы , пропускающие через себя воду. Это тоже мембранные каналы, хотя их формально нельзя назвать "ионными каналами".
Пространственная структура канального белка-аквапорина представляет собой цилиндрический канал, по которому движутся молекулы воды. Через него проходит вода и только вода, но не ионы. Аминокислоты в этом белке расположены таким образом, что полярность создаваемого ими электростатического поля переключается в центре канала на обратную. Поэтому молекулы воды, дойдя до середины канала, переворачиваются так, что их дипольные моменты в верхней и нижней части канала оказываются направленными в противоположные стороны. Такое переориентирование предотвращает просачивание через канал заряженных ионов. Аквапорин не пропускает даже ионы гидроксония H3O+ (то есть гидратированные протоны, или ионы водорода), от концентрации которых зависит кислотность среды. При этом клеточный мембранный "водопровод" обладает потрясающей пропускной способностью: он пропускает до миллиарда молекул воды в секунду. Сейчас известно уже около 200 разновидностей белков водных каналов у растений и животных, в том числе 11 - у человека. Благодаря аквапоринам клетки не только регулируют свой объём и внутреннее давление, но и выполняют такие важные функции, как всасывание воды в почках животных и корешках растений.
В настоящее время в молекулярной биологии в основном завершён описательный период в исследовании многообразия катион-транспортирующих ионных каналов в клетках эукариот. Теперь на первый план выходят проблемы познания механизмов регуляции ионных каналов и описание их участия в реакциях живой клетки на различные воздействия и на изменение её микроокружения.
Регулирумый перенос ионов через гидрофильные поры мембраны с помощью управляемых ИК является важнейшим свойством живых клеток, как электровозбудимых, так и невозбудимых.
В связи с этим целесообразно использовать в классификации ионных каналов именно принцип управления их деятельностью. Принцип управления состоянием ионных каналов и был положен в основу предложенной нами () функциональной классификации ионных каналов.
Видео: Ионные каналы в мембране
Строение ИК
ИК состоят из белков сложной структуры (белков-каналоформеров). Схематические изображения ИК приведены ниже, например: .
На рисунке справа показан натриевый канал: вид сверху, с наружной стороны мембраны (Источник: Horn R. (2011). Peering into the spark of life . Nature 475 , 305–306).
Белки ИК имеют определённую конформацию, образующую трансмембранную пору, и "вшиты" в липидный слой мембраны. Канальный белковый комплекс может состоять либо из одной белковой молекулы, либо из нескольких белковых субъединиц, одинаковых или разных по строению. Эти субъединицы могут кодироваться разными генами, синтезироваться на рибосомах по-отдельности и затем собираться в виде целостного канала. В другом случае канал может представлять собой единый полипептид, который в виде петель прошивает мембрану несколько раз. На начало XXI века известно более 400 белков-каналоформеров, для биосинтеза которых используется 1-2% генома человека.
Домены - это отдельные компактно оформленные части канального белка или субъединиц. Сегменты - это части белкка-каналоформера, свёрнутые спирально и прошивающие мембрану. Концевые домены белка-каналоформера (N- и С-терминальные домены) могут торчать из мембраны как наружу, так и внутрь клетки.
Практически все ИК имеют в составе своих субъединиц регуляторные домены , способные связываться с различными управляющими веществами (регуляторными молекулами) и за счёт этого менять состояние или свойства канала. В потенциал-активируемых ИК один из трансмембранных сегментов содержит специальный набор аминокислот с положительными зарядами и работает как сенсор электрического потенциала мембраны. При изменении потенциала такой сенсор меняет состояние канала с открытого на закрытое или наоборот. Таким образом, ИК могут управляться определёнными воздействиями извне, это важное их свойство.
ИК в своём составе могут иметь также вспомогательные субъединицы , выполняющие модуляторные, структурные или стабилизирующие функции. Один класс таких субъединиц - внутриклеточные, расположенные полностью в цитоплазме, а второй - мембранные, т.к. они имеют трансмембранные домены, прошивающие мембрану.
По структуре ИК возможно провести их классификацию, о чём будет сказано ниже.
Свойства ИК
Селективность - это избирательная повышенная проницаемость ИК для определённых ионов. Для других ионов проницаемость понижена. Такая избирательность определяется селективным фильтром - самым узким местом канальной поры. Фильтр, кроме узких размеров, может иметь также локальный электрический заряд. Например, катион-селективные каналы обычно имеют в области своего селективного фильтра отрицательно заряженные остатки аминокислот в составе белковой молекулы, которые притягивают положительные катионы и отталкивают отрицательные анионы, не пропуская их через пору.
Управляемая проницаемость - это способность ИК открываться или закрываться при определённых управляющих воздействиях на канал. Понятно, что закрытый канал имеет пониженную проницаемость, а открытый - повышенную. По этому свойству ИК можно классифицировать в зависимости от способов их открытия: например, потенциал-активируемые, лиганд-активируемые и т.д.
Инактивация - это способность ИК через некоторое время после своего открытия автоматически понижать свою проницаемость даже в том случае, когда открывший их активирующий фактор продолжает действовать.
Быстрая инактивация - это особый процесс со своим особым механизмом, отличающийся от медленного закрытия канала (медленной инактивации). Закрытие (медленная инактивация) канала происходит за счёт процессов, противоположных процессам, обеспечившим его открытие, т.е. за счёт изменения конформации канального белка. А вот, например, у потенциал-активируемых каналов быстрая инактивация происходит с помощью специальной молекулярной "пробки-затычки", напоминающей пробку на цепочке, которую обычно используют в ваннах. Эта пробка представляет собой аминокислотную (полипептидную) петлю с утолщением на конце в виде трёх аминокислот, которым и затыкается внутреннее устье канала со стороны цитоплазмы. Именно поэтому потенциал-зависимые ИК для натрия, обеспечивающие развитие потенциала действия и движение нервного импульса, могут пропускать в клетку ионы натрия только в течение нескольких миллисекунд, а затем они автоматически закрываются своими молекулярными пробками, несмотря на то, что открывающая их деполяризация продолжает действовать. Другим механизмом инактивации ИК может служить модификация дополнительными субъединицами внутриклеточного устья канала.
Блокировка - это способность ИК под действием веществ-блокаторов фиксировать какое-то одно своё состояние и не реагировать на обычные управляющие воздействия. В таком состоянии канал просто перестаёт давать ответы на управляющие воздействия. Блокировку вызывают вещества-блокаторы , которые могут называться антагонистами , блокаторами или литиками .
Антагонисты - это вещества, препятствующие активирующему действию других веществ на ИК. Такие вещества способны хорошо связываться с рецепторным участком ИК, но не способны изменить состояние канала, вызвать его ответную реакцию. Получается блокада рецептора и вместе с ним - блокада ИК. Следует помнить, что антагонисты не обязательно вызывают полную блокаду рецептора и его ИК, они могут действовать более слабо и лишь ингибировать (угнетать) работу канала, но не прекращать её полностью
Агонисты-антагонисты - это вещества, которые обладают слабым стимулирующим влиянием на рецептор, но при этом блокируют действие естественных эндогенных управляющих веществ.
2. Потенциал-управляемые (потенциал-чувствительные, потенциал-зависимые, потенциал-активируемые, voltage-gated). Так, потенциал-управляемые натриевые каналы открываются под действием сдвига электрического потенциала мембраны, превышающего критический уровень деполяризации. Поэтому при достижении определённого порогового уровня деполяризации мембраны они открываются, а при обратном снижении уровня деполяризации - оказываются закрытыми. Но важно знать то, что ещё до обратного снижения уровня деполяризации эти каналы закрываются с внутренней стороны специальными белковыми "пробками" и это происходит автоматически, незасисимо от изменений деполяризации. Вследствие этого потенциал-управляемые натриевые ИК находятся в открытом состоянии всего несколько миллисекунд, а потом закрываются "пробкой", т.е. инактивируются. Окончательно они переходят в закрытое состояние при реполяризации и восстановлении потенциала покоя. Как при химической, так и при фармакологической модификации таких ИК у них сохраняется основной механизм активации и инактивации в ответ на сдвиг мембранного потенциала, что и определяет быстрые изменения катионной проницаемости возбудимых мембран за счёт потенциал-управляемых ИК. Именно такого типа потенциал-управляемые натриевые ИК обеспечивают перемещение нервного импульса по мембране нейрона (смотри: потенциал действия и нервный импульс). Такие потенциал-зависимые натриевые каналы I открываются на уровне КУД, т.е. -55mV, они и формируют потенциал действия и нервный импульс.
Примеры: тетродотоксин-чувствительные натриевые каналы, потенциал-активируемые К-каналы, калиевые Kdr-каналы задержанного выпрямления, кальциевые каналы пресинаптических окончаний аксонов .
На рисунке справа - условная схема работы потенциал-управляемого ИК (кликните на рисунок, чтобы увидеть процесс в динамике).
3. Хемо -управляемые (хемочувствительные, хемозависимые, лиганд-управляемые, лиганд-зависимые, рецептор-активируемые). Они открываются при связывании с рецепторным участком канала специфического лиганда (управляющего вещества: трансмиттера или его миметика). Такие каналы обычно локализованы в химических синапсах на их постсинаптических мембранах и преобразуют химический сигнал, возникающий за счёт пресинаптического высвобождения нейромедиатора, в постсинаптический электрический локальный потенциал. Смотри: локальный потенциал , 3_3 Синапсы , синапсы, медиаторы и модуляторы .
Примеры: каналы с никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами nAChR), серотониновыми рецепторами (5-HT3), глициновыми, ГАМК-рецепторами (GABAA и GABAC).
На рисунке справа - лиганд-управляемый ионный канал с никотиновым ацетилхолиновым рецептором (никотин - миметик, ацетилхолин - трансмиттер). Канал состоит из 5 субъединиц и поры в центре. Вверху - поперечный разрез этих субъединиц: a1, a2, b, g, d. Внизу - участки субъединиц, образующих «воротную систему» канала. Представлены аминокислотные последовательности М2 a-спирали в b- и d-. Из 5 субъединиц, образующих пору, изображены лишь 4, а ближайшая к нам удалена, чтобы были видны участки М2, облицовывающие ионный канал, и ворота. Видно, что большая часть молекулы белка выходит за пределы внешней поверхности плазматической мембраны, образуя молекулярные рецепторы к лиганду. Каждая из двух a-субъединица содержит связывающий центр для ацетилхолина, следовательно, с рецептором может связаться 2 молекулы лиганда (нейротрансмиттера или нейромиметика). Ворота, находящиеся в пределах поры, открываются при связывании ацетилхолина с рецепторным участком канала. Отрицательно заряженные остатки глутаминовой и аспарагиновой аминокислот (они выделены синим цветом) имеются в обоих концах М2-спиралей, т.е. с двух сторон поры, благодаря чему предотвращается вход в канал анионов, а катионы Na + и К + при его закрытом состоянии могут быть связаны уже в самом канале.
Видео: Работа хемо-управляемого (лиганд-управляемого) ионного канала
4. Стимул-управляемые (механочувствительные, механосенситивные, стретч-активируемые, stretch-activated, протон-активируемые, температурно-чувствительные).
Они открываются под воздействием специфичного и адекватного для них стимула (раздражителя). Такие каналы обеспечивают сенсорное восприятие и располагаются в мембране сенсорных рецепторов.
Пример: механочувствительные ИК
рецепторных волосковых клеток, обеспечивающих слуховое восприятие; температурно-чувствительные ИК
терморецепторов кожи, обеспечивающие восприятие тепла и холода.
В настоящее время стимул-управляемые механочувствительные ИК обнаружены не только в специализированных механорецепторных структурах, но также и в мембранах бактерий, грибов, растений, позвоночных и беспозвоночных животных. Механочувствительные каналы не только обеспечивают сенсорное восприятие механического раздражения, но также вовлечены в контроль клеточного цикла, регуляцию объёма и роста клеток, секрецию и эндоцитоз.
TRP-каналы в мембране терморецепторов кожи обеспечивают термотрансдукцию, открываясь при различных значениях темпераруры. Они пропускают катионы, особенно ионы кальция.
5. Совместно-управляемые (NMDA-рецепторно-канальный комплекс). Они открываются одновременно как лигандами, так и определённым электрическим потенциалом мембраны. Можно сказать, что у них двойное управление.
Пример: NMDA-рецепторно-канальный комплекс , имеющий сложную систему управления, включающую в себя 8 рецепторных участков-сайтов, с которыми могут связываться различные лиганды.
6. Опосредованно -управляемые (вторично-управляемые, ион-активируемые, ион-зависимые, мессенджер-управляемые, управляемые метаботропными рецепторами). Они открываются и закрываются не под действием прямых внешних сигналов, а вследствие опосредованного воздействия на них внутриклеточных вторичных мессенджеров (ионов кальция Са 2+ , цАМФ, цГМФ, ИФ3, диацилглицерола). Основной механизм такого управления - фосфорилирование ионного канала с внутренней стороны мембраны.
Опосредованное вторичными мессенджерами управление является не прямым, а вторичным. Оно зависит не только от внешнего воздействующего сигнала, но и от наличия, концентрации и активности вторичных мессенджеров. Пусковым сигналом к началу этого процесса может служить воздействие на так называемый метаботропный рецептор , не относящийся к структуре самого управляемого ионного канала и расположенный на мембране где-то отдельно от него. Воздействие на метаботропный рецептор приводит к повышению в клетке концентрации вторичных посредников-мессенджеров. Это ионы Са 2+ , цАМФ, цГМФ, ИФ3, диацилглицерол. Они активируют соответствующие ферменты-протеинкиназы: А-киназы (цАМФ-зависимые), G-киназы (цГМФ-зависимые), В-киназы (кальций-кальмодулин-зависимые) или С-киназы (кальций-фосфолипид-зависимые). В свою очередь, активированные киназы фосфорилируют ИК мембраны изнутри клетки, т.е. присоединяют к ним фосфаты. В результате этого канал может перейди надолго в новое состояние (открытое или, наоборот, закрытое). После срезания фосфатов ферментом фосфатазой канал возвращается к своему прежнему состоянию. В некоторых случаях такой вторичный мессенджер, как G-белок в виде своей активной субъединицы бета-гамма может сам присоединиться к ионному каналу и поменять его состояние. Так, например, могут открываться (активироваться) калиевые каналы при раздражении ацетилхолином мускариновых рецепторов, связанных с G-белком.
Примеры: Са 2+ -активируемые хлорные каналы, кальций-активируемые калиевые каналы, цГМФ-активируемые натриевые каналы палочек сетчатки глаза .
Вот, например, опосредованные ион-управляемые кальций-активируемые хлорные каналы являются одним из основных компонентов системы эпителиальной секреции, сенсорной трансдукции , регулирования нейронной и сердечной возбудимости у животных. В клетках растений кальций-активируемые хлорные каналы ответственны за состояние тургора клетки. При повышении концентрации ионов кальция внутри клетки эти каналы открываются и начинают пропускать ионы хлора.
К опосредованно-управляемым (мессенджер-управляемым) ионным каналам формально можно отнести также все каналы, которые управляются "изнутри" с помощью посредников - вторичных мессенджеров. Такой способ управления чаще всего является дополнительным по отношению к "внешнему управлению", и получается, что к мессенджер-управляемым каналам относится большинство каналов из других групп нашей функциональной классификации. Например, все те ИК, которые могут подвергаться фосфорилированию.
7. Актин-управляемые (актин-регулируемые, actin-regulated, actin-gated channels). Они открываются и закрываются за счёт разборки-сборки примембранных микрофиламентов с участием актин-связывающих белков.
В электроневозбудимых клетках активация и инактивация актин-управляемых потенциал-независимых натриевых каналов контролируется процессами разборки-сборки примембранных микрофиламентов с участием актин-связывающих белков. Актиновые элементы цитоскелета, по-видимому, представляют важнейшую часть потенциал-независимого воротного механизма, управляющего открыванием и закрыванием каналов. Именно сборка микрофиламентов на цитоплазматической стороне мембраны приводит к инактивации таких каналов.
8. Коннексоны (двойные поры). Образуют в мембранах контактирующих клеток сквозные непрерывные каналы через две мембраны сразу в зоне щелевых контактов для взаимного обмена веществами между этими клетками. Через коннексоны передаются электрические сигналы, аминокислоты и небольшие молекулы управляющих веществ: цАМФ, InsP 3 , аденозин, АДФ и АТФ. Они состоят из 6 белковых субъединиц (коннексинов), живущих всего несколько часов. Коннексины - это политопные интегральные мембранные белки 4 раза прошивающие мембрану, имеющие две внеклеточные петли (EL-1 и EL-2), цитоплазматическую петлю (CL) с N-концом (AT) и C-концом (CT), вдающимися в цитоплазму. Через коннексоны соединяется внутренняя среда соседствующих клеток.
Коннексоны являются "неспецифически-управляемыми" каналами. Их состояние регулируется pH, электрическим потенциалом, ионами Са 2+ , фосфорилированием и другими факторами.
Коннексоны найдены практически во всех видах клеток.
9. «Энерго-зависимые транспортёры» (ионные насосы, ионные помпы, ионные обменники, транспортёры). Это особая группа динамичных пор, проводящих ионы через мембрану, которые формально не относятся к ИК. Их деятельность обеспечивается энергией расщепления АТФ. Они представлены мембранными ферментными белками АТФазами, которые активно протаскивают через себя ионы, используя для этого энергию расщепления АТФ, и обеспечивают активный транспорт ионов через мембрану даже против их градиента концентрации.
Примеры: натрий-калиевый насос, протонный насос, кальциевый насос .
Примеры ионных каналов разного типа
Ацетилхолиновый рецептор лиганд-управляемого (хемозависимого) ионного канала
На рисунке слева представлена структурная модель лиганд-управляемого ацетилхолинового ИК.
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.
Модель возбудимой мембраны по теории Ходжкина-Хаксли предполагает регулируемый перенос ионов через мембрану. Однако непосредственный переход иона через липидный бислой весьма затруднен, а следовательно, был бы мал и поток ионов.
Это и ряд других соображений дали основание считать, что в мембране должны быть некоторые специальные структуры - проводящие ионы. Такие структуры были найдены и названы ионными каналами. Подобные каналы выделены из различных объектов: плазматической мембраны клеток, постсинаптической мембраны мышечных клеток и других объектов. Известны также ионные каналы, образованные антибиотиками.
Основные свойства ионных каналов:
1) селективность;
2) независимость работы отдельных каналов;
3) дискретный характер проводимости;
4) зависимость параметров каналов от мембранного потенциала.
Рассмотрим их по порядку.
1. Селективностью называют способность ионных каналов избирательно пропускать ионы какого-либо одного типа.
Еще в первых опытах на аксоне кальмара было обнаружено, что ионы Na+ и Кт по-разному влияют на мембранный потенциал. Ионы К+ меняют потенциал покоя, а ионы Na+ - потенциал действия. В модели Ходжкина-Хаксли это описывается путем введения независимых калиевых и натриевых ионных каналов. Предполагалось, что первые пропускают только ионы К+, а вторые - только ионы Na+.
Измерения показали, что ионные каналы обладают абсолютной селективностью по отношению к катионам (катион-селективные каналы) либо к анионам (анион-селективные каналы). В то же время через катион-селективные каналы способны проходить различные катионы различных химических элементов, но проводимость мембраны для неосновного иона, а значит, и ток через нее, будет существенно ниже, например, для Na + -кaнала калиевый ток через него будет в 20 раз меньше. Способность ионного канала пропускать различные ионы называется относительной селективностью и характеризуется рядом селективности - соотношением проводимостей канала для разных ионов, взятых при одной концентрации. При этом для основного иона селективность принимают за 1. Например, для Na+-канала этот ряд имеет вид:
Na + : К + = 1: 0,05.
2. Независимость работы отдельных каналов. Прохождение тока через отдельный ионный канал не зависит от того, идет ли ток через другие каналы. Например, К + -каналы могут быть включены или выключены, но ток через Nа + -каналы не меняется. Влияние каналов друг на друга происходит опосредованно: изменение проницаемостей каких-либо каналов (например, натриевых) меняет мембранный потенциал, а уже он влияет на проводимости прочих ионных каналов.
3. Дискретный характер проводимости ионных каналов. Ионные каналы представляют собой субъединичный комплекс белков, пронизывающий мембрану. В центре его существует трубка, сквозь которую могут проходить ионы. Количество ионных каналов на 1 мкм 2 поверхности мембраны определяли с помощью радиоактивно меченного блокатора натриевых каналов - тетродотоксина. Известно, что одна молекула ТТХ связывается только с одним каналом. Тогда измерение радиоактивности образца с известной площадью позволило показать, что на 1 мкм 2 аксона кальмара находится около 500 натриевых каналов.
Те трансмембранные токи, которые измеряют в обычных экспериментах, например, на аксоне кальмара длиной 1 см и диаметром 1 мм, то есть площадью 3*10 7 мкм 2 , обусловлены суммарным ответом (изменением проводимости) 500 3 10 7 -10 10 ионных каналов. Для такого ответа характерно плавное во времени изменение проводимости. Ответ одиночного ионного канала меняется во времени принципиально иным образом: дискретно и для Nа+-каналов, и для К+- , и для Са 2+ -каналов.
Впервые это было обнаружено в 1962 г. в исследованиях проводимости бислойных липидных мембран (БЛМ) при добавлении в раствор, омывающий мембрану, микроколичеств некоторого вещества, индуцировавшего возбуждение. На БЛМ подавали постоянное напряжение и регистрировали ток I(t). Запись тока во времени имела вид скачков между двумя проводящими состояниями.
Одним из эффективных методов экспериментального исследования ионных каналов стал разработанный в 80-е годы метод локальной фиксации потенциала мембраны ("Patch Clamp"), (рис. 10).
Рис. 10. Метод локальной фиксации потенциала мембраны. МЭ - микроэлектрод, ИК - ионный канал, М - мембрана клетки, СФП - схема фиксации потенциала, I - ток одиночного канала
Суть метода заключается в том, что микроэлектрод МЭ (рис. 10) тонким концом, имеющим диаметр 0,5-1 мкм, присасывается к мембране таким образом, чтобы в его внутренний диаметр попал ионный канал. Тогда, используя схему фиксации потенциала, можно измерять токи, которые проходят только через одиночный канал мембраны, а не через все каналы одновременно, как это происходит при использовании стандартного метода фиксации потенциала.
Результаты экспериментов, выполненных на различных ионных каналах, показали, что проводимость ионного канала дискретна и он может находиться в двух состояниях: открытом или закрытом. Переходы между состояниями происходят в случайные моменты времени и подчиняются статистическим закономерностям. Нельзя сказать, что данный ионный канал откроется именно в этот момент времени. Можно лишь сделать утверждение о вероятности открывания канала в определенном интервале времени.
4. Зависимость параметров канала от мембранного потенциала. Ионные каналы нервных волокон чувствительны к мембранному потенциалу, например натриевый и калиевый каналы аксона кальмара. Это проявляется в том, что после начала деполяризации мембраны соответствующие токи начинают изменяться с той или иной кинетикой. Этот процесс происходит следующим образом: Ион-селективный канал имеет сенсор - некоторый элемент своей конструкции, чувствительный к действию электрического поля (рис. 11). При изменении мембранного потенциала меняется величина действующей на него силы, в результате эта часть ионного канала перемещается и меняет вероятность открывания или закрывания ворот - своеобразных заслонок, действующих по закону "все или ничего". Экспериментально показано, что под действием деполяризации мембраны увеличивается вероятность перехода натриевого канала в проводящее состояние. Скачок напряжения на мембране, создаваемый при измерениях методом фиксации потенциала, приводит к тому, что большое число каналов открывается. Через них проходит больше зарядов, а значит, в среднем, протекает больший ток. Существенно, что процесс роста проводимости канала определяется увеличением вероятности перехода канала в открытое состояние, а не увеличением диаметра открытого канала. Таково современное представление о механизме прохождения тока через одиночный канал.
Плавные кинетические кривые токов, регистрируемых при электрических измерениях на больших мембранах, получаются вследствие суммации многих скачкообразных токов, протекающих через отдельные каналы. Их суммирование, как показано выше, резко уменьшает флуктуации и дает достаточно гладкие зависимости трансмембранного тока от времени.
Ионные каналы могут быть чувствительны и к другим физическим воздействиям: механическим деформациям, связыванию химических веществ и т.д. В этом случае они являются структурной основой, соответственно, механорецепторов, хемо-рецепторов и т.д.
Изучение ионных каналов в мембранах есть одна из важных задач современной биофизики.
Структура ионного канала.
Ион-селективный канал состоит из следующих частей (рис. 11): погруженной в бислой белковой части, имеющей субъединичное строение; селективного фильтра, образованного отрицательно заряженными атомами кислорода, которые жестко расположены на определенном расстоянии друг от друга и пропускают ионы только определенного диаметра; воротной части.
Ворота ионного канала управляются мембранным потенциалом и могут находиться как в закрытом состоянии (штриховая линия), так и в открытом состоянии (сплошная линия). Нормальное положение ворот натриевого канала - закрытое. Под действием электрического поля увеличивается вероятность открытого состояния, ворота открываются и поток гидратированных ионов получает возможность проходить сквозь селективный фильтр.
Если ион подходит по диаметру, то он сбрасывает гидратную оболочку и проскакивает на другую сторону ионного канала. Если же ион слишком велик по диаметру, как, например, тетраэтиламмоний, он не в состоянии пролезть сквозь фильтр и не может пересечь мембрану. Если же, напротив, ион слишком мал, то у него возникают сложности в селективном фильтре, на сей раз связанные с трудностью сброса гидратной оболочки иона.
Блокаторы ионных каналов либо не могут пройти сквозь него, застревая в фильтре, либо, если это большие молекулы, как ТТХ, они стерически соответствуют какому-либо входу в канал. Так как блокаторы несут положительный заряд, их заряженная часть втягивается в канал к селективному фильтру как обычный катион, а макромолекула закупоривает его.
Таким образом, изменения электрических свойств возбудимых биомембран осуществляется с помощью ионных каналов. Это белковые макромолекулы, пронизывающие липидный бислой, которые могут находиться в нескольких дискретных состояниях. Свойства каналов, селективных для ионов К + , Na + и Са 2+ , могут по-разному зависеть от мембранного потенциала, что и определяет динамику потенциала действия в мембране, а также отличия таких потенциалов в мембранах разных клеток.
Рис. 11. Схема строения натриевого ионного канала мембраны в разрезе
Обратная связь.
| 1 совершенно несогласен | 2 несогласен | 3 не знаю | 4 согласен | 5 совершенно согласен | ||
| Это занятие развило мои навыки по решению проблем. | ||||||
| Для успешного прохождения этого занятия от меня требовалась только хорошая память. | ||||||
| Это занятие развило моё умение работать в команде. | ||||||
| Данное занятие улучшило мои аналитические способности. | ||||||
| Данное занятие улучшило мои навыки изложения письменного материала. | ||||||
| На занятии требовалось глубокое понимание материала. |
(1)
