Строение и функции ионных каналов. Ионы Na + , K + , Са 2+ , Сl - проникают внутрь клетки и выходят наружу через специальные, заполненные жидкостью каналы. Размер каналов довольно мал (диаметр 0,5-0,7 нм). Расчеты показывают, что суммарная площадь каналов занимает незначительную часть поверхности клеточной мембраны.
Функцию ионных каналов изучают различными способами. Наиболее распространенным является метод фиксации напряжения, или «voltage-clamp» (рис. 2.2). 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. Совместное использование метода фиксации потенциала и специфических блокаторов ионных каналов привело к открытию различных типов ионных каналов в клеточной мембране.
В настоящее время установлены многие типы каналов для различных ионов (табл. 2.1). Одни из них весьма специфичны, вторые, кроме основного иона, могут пропускать и другие ионы.
Изучение функции отдельных каналов возможно методом локальной фиксации потенциала «path-clamp»; рис. 2.3, А). 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.
Таблица 2.1. Важнейшие ионные каналы и ионные токи возбудимых клеток
Примечание. ТЭА - тетраэтиламмоний; ТТХ - тетродотоксин.
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).
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 – способность клетки отвечать на раздражение формирование ПД и специфической реакцией.
1) фаза локального ответа – частичная деполяризация мембраны (вхождение Na + в клетку). Если нанести раздражитель небольшой, то ответ – сильнее.
Локальная деполяризация – фаза экзальтации.
2) фаза абсолютной рефрактерности – свойство возбудимых тканей не формировать ПД ни при каком по силе раздражителе
3) фаза относительной рефрактерности.
4) фаза медленной реполяризации – раздражение – опять сильный ответ
5) фаза гиперполяризации – возбудимость меньше (субнормальная), стимул должен быть большим.
Функциональная лабильность – оценка возбудимости ткани через максимально возможное количество ПД в единицу времени.
Законы возбуждения:
1) закон силы – сила раздражителя должна быть пороговой или надпороговой (минимальная величина силы, которая вызывает возбуждение). Чем сильнее раздражитель, тем сильнее возбуждение – только для объединений ткани (нервный ствол, мышца, исключение – ГМК).
2) закон времени – длительной действующего раздражителя должна быть достаточной для возникновения возбуждения.
Между силой и временем обратно пропорциональная зависимость в границах между минимальным временем и минимальной силой. Минимальная сила – реобаза – сила, которая вызывает возбуждение и не зависит от длительности. Минимальное время – полезное время. Хронаксия – возбудимость той или иной ткани, время, при котором возникает возбуждение, равно двум реобазам.
Чем больше сила, тем больше ответ до определенного значения.
Факторы, создающие МПП:
1) разность концентраций натрия и калия
2) различная проницаемость для натрия и калия
3) работа Na-К насоса (3 Na + выводится, 2 К + возвращается).
Зависимость между силой раздражителя и продолжительностью его воздействия, необходимого для возникновения минимальной ответной реакции живой структуры, очень хорошо можно проследить на так называемой кривой силы - времени (кривая Гоорвега-Вейса-Лапика).
Из анализа кривой следует, что, как бы ни велика была сила раздражителя, при недостаточной длительности его воздействия ответной реакции не будет (точки слева от восходящей ветви гиперболы). Аналогичное явление наблюдается при продолжительном действии подпороговых раздражителей. Минимальная сила тока (или напряжения), способная вызвать возбуждение, названа Лапиком реобазой (отрезок ординаты ОА). Наименьший промежуток времени, в течение которого ток, равный по силе удвоенной реобазе, вызывает в ткани возбуждение, называют хронаксией (отрезок абсциссы OF), которая представляет собой показатель пороговой длительности раздражения. Хронаксия измеряется в δ (тысячные доли секунды). По величине хронаксии можно судить о скорости возникновения возбуждения в ткани: чем меньше хронаксия, тем быстрее возникает возбуждение. Хронаксия нервных и мышечных волокон человека равна тысячным и десятитысячным долям секунды, а хронаксия так называемых медленных тканей, например мышечных волокон желудка лягушки, - сотым долям секунды.
Определение хронаксии возбудимых тканей получило широкое распространение не только в эксперименте, но и в физиологии спорта, в клинике. В частности, путем измерения хронаксии мышцы невропатолог может установить наличие повреждения двигательного нерва. Необходимо отметить, что раздражитель может быть достаточно сильным, иметь пороговую длительность, но низкую скорость нарастания во времени до пороговой величины, возбуждение в этом случае не возникает. Приспособление возбудимой ткани к медленно нарастающему раздражителю получило название аккомодации. Аккомодация обусловлена тем, что за время нарастания силы раздражителя в ткани успевают развиться активные изменения, повышающие порог раздражения и препятствующие развитию возбуждения. Таким образом, скорость нарастания раздражения во времени, или градиент раздражения, имеет существенное значение для возникновения возбуждения.
Закон градиента раздражения. Реакция живого образования на раздражитель зависит от градиента раздражения, т. е. от срочности или крутизны нарастания раздражителя во времени: чем выше градиент раздражения, тем сильнее (до определенных пределов) ответная реакция возбудимого образования.
Следовательно законы раздражения отражают сложные взаимоотношения между раздражителем и возбудимой структурой при их взаимодействии. Для возникновения возбуждения раздражитель должен иметь пороговую силу, обладать пороговой длительностью и иметь определенную скорость нарастания во времени.
6. Ионные насосы (АТФ-азы): K+-Na+-евая, Ca2+-евая (плазмолеммы и саркоплазматического ретикулума), H+–K+-обменник.
Согласно современным представлениям, в биологических мембранах имеются ионные насосы,работающие за счет свободной энергии гидролиза АТФ, - специальные системы интегральных белков (транспортные АТФазы).
В настоящее время известны три типа электрогенных ионных насосов, осуществляющих активный перенос ионов через мембрану (рис.13).
Перенос ионов транспортными АТФазами происходит вследствие сопряжения процессов переноса с химическими реакциями, за счет энергии метаболизма клеток.
При работе К+-Na+-АТФазы за счет энергии, освобождающейся при гидролизе каждой молекулы АТФ, в клетку переносится два иона калия и одновременно из клетки выкачиваются три иона натрия. Таким образом, создается повышенная по сравнению с межклеточной средой концентрация в клетке ионов калия и пониженная натрия, что имеет огромное физиологическое значение.
Признаки «бионасоса»:
1. Движение против градиента электрохимического потенциала.
2. поток вещества сопряжён с гидролизом АТФ (или другого источника энергии).
3. асимметрия транспортной машины.
4. насос in vitro способен гидролизовать АТФ только в присутствии тех ионов, которые он переносит in vivo.
5. при встраивании насоса в искусственную среду он способен сохранять селективность.
Молекулярный механизм работы ионных АТФаз до конца не изучен. Тем не менее прослеживаются основные этапы этого сложного ферментативного процесса. В случае К+-Nа+-АТФазы насчитывается семь этапов переноса ионов, сопряженных с гидролизом АТФ.
На схеме видно, что ключевыми этапами работы фермента являются:
1) образование комплекса фермента с АТФ на внутренней поверхности мембраны (эта реакция активируется ионами магния);
2) связывание комплексом трех ионов натрия;
3) фосфорилирование фермента с образованием аденозиндифосфата;
4) переворот (флип-флоп) фермента внутри мембраны;
5) реакция ионного обмена натрия на калий, происходящая на внешней поверхности мембраны;
6) обратный переворот ферментного комплекса с переносом ионов калия внутрь клетки;
7) возвращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов калия и неорганического фосфата (Р).
Таким образом, за полный цикл происходят выброс из клетки трех ионов натрия, обогащение цитоплазмы двумя ионами калия и гидролиз одной молекулы АТФ.
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:
селективного фильтра;
активационных и инактивационных ворот;
сенсора напряжения.
поры, заполненной водой;
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.
Все каналы, имеющиеся в живых тканях, а сейчас мы знаем несколько сотен разновидностей каналов, можно разделить на два основных типа. Первый тип – это каналы покоя, которые спонтанно открываются и закрываются без всяких внешних воздействий. Они важны для генерации мембранного потенциала покоя. Второй тип - это так называемые gate-каналы, или воротные каналы (от слова «ворота»). В покое эти каналы закрыты и могут открываться под действием тех или иных раздражителей. Некоторые разновидности таких каналов принимают участие в генерации потенциалов действия.
Большинство ионных каналов характеризуются избирательностью (селективностью), то есть через определенный вид каналов проходят только определенные ионы. По этому признаку различают натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные каналы. Селективность каналов определяется размерами поры, размерами иона и его гидратной оболочки, зарядом иона, а также зарядом внутренней поверхности канала. Однако встречаются и неселективные каналы, которые могут пропускать сразу два вида ионов: например, калий и натрий. Есть каналы, через которые могут проходить все ионы и даже более крупные молекулы.
Существует классификация ионных каналов по способу активации (рис. 9). Некоторые каналы специфически отвечают на физические изменения в клеточной мембране нейрона. Наиболее яркими представителями этой группы являются потенциал-активируемые каналы . Примерами могут служить чувствительные к потенциалу на мембране натриевые, калиевые, кальциевые ионные каналы, которые отвечают за формирование потенциала действия. Эти каналы открываются при определенном потенциале на мембране. Так, натриевые и калиевые каналы открываются при потенциале около -60 мВ (внутренняя поверхность мембраны заряжена отрицательно по сравнению с наружной поверхностью). Кальциевые каналы открываются при потенциале -30 мВ. К группе каналов, активирующихся физическими изменениями, относятся
Рис 9. Способы активации ионных каналов
(А) Ионные каналы, активируемые изменением мембранного потенциала или растяжением мембраны. (Б) Ионные каналы, активируемые химическими агентами (лигандами) с внеклеточной, либо с внутриклеточной стороны.
также механо-чувствительные каналы , которые отвечают на механические воздействия (растяжение или деформация клеточной мембраны). Ионные каналы другой группы открываются тогда, когда химические вещества активируют специальные рецепторные связывающие центры на молекуле канала. Такие лиганд-активируемые каналы подразделяются на две подгруппы, в зависимости от того, являются ли их рецепторные центры внутриклеточными или внеклеточными. Лиганд-активируемые каналы, отвечающие на внеклеточные стимулы, также называют ионотропными рецепторами. Такие каналы чувствительны к медиаторам и принимают самое непосредственное участие в передаче информации в синаптических структурах. К лиганд-активируемым каналам, активирующимся с цитоплазматической стороны, относятся каналы, чувствительные к изменениям концентрации специфических ионов. Например, кальций-активируемые калиевые каналы активируются локальным повышением концентрации внутриклеточного кальция. Такие каналы играют важную роль в реполяризации клеточной мембраны во время завершения потенциала действия. Помимо ионов кальция, типичными представителями внутриклеточных лигандов являются циклические нуклеотиды. Циклический ГМФ, например, отвечает за активацию натриевых каналов в палочках сетчатки. Такой тип канала играет принципиальную роль в работе зрительного анализатора. Отдельным видом модуляции работы канала путем связывания внутриклеточного лиганда является фосфорилирование/дефосфорилирование определенных участков его белковой молекулы под действием внутриклеточных ферментов – протеинкиназ и протеинфосфатаз.
Представленная классификация каналов по способу активации в значительной степени условна. Некоторые ионные каналы могут активироваться только при нескольких воздействиях. Например, кальций-активируемые калиевые каналы чувствительны также к изменению потенциала, а некоторые потенциал-активируемые ионные каналы чувствительны к внутриклеточным лигандам.
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.
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. Изображение белка появилось на обложке журнала «Science», редакция которого посчитала открытие Маккиннона одним из десяти самых выдающихся научных достижений года. Этот белок состоит из 4 субъединиц, имеющих α-спиральное строение. Через полость в центре и переносится катион калия. Иллюстрация: BNL/DoE, Rockefeller University/Roderick MacKinnon |
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.
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.
Новости партнёров
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 Са2+ 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 Са2+ 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 Са2+. Механочувствительные каналы являются вообще неселективными для одновалентных ионов и Са2+.
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 Са2+;
- 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 Са2+ 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 Са2+ 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 Са2+ 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 Са2+.
Ионные каналы блокируются специфическими веществами и фармакологическими препаратами, что широко используется с лечебной целью. Специфическим блокатором механочувствительных каналов является Gadolinium (Gd3+). 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 мкм2 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 Са2+, 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.