Структурно функциональная организация ионных каналов. Ионные каналы, их строение

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.

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.

Последнее обновление: 28/10/2013

Вторая статья из серии «Основы физиологии человека и животных». Речь пойдёт о механизме формирования потенциала действия - основы любого движения.

Возбудимые клетки (которыми являются в той или иной степени все клетки организма животного) в покое имеют избыток отрицательного заряда, формирующий . Если клетка подвергается внешнему раздражению, она переходит в возбуждённое состояние и генерирует другой потенциал - потенциал действия.

Реализует этот процесс система ионных каналов в мембране клетки, регулирующая концентрации электрически заряженных частиц - ионов. Все каналы, независимо от специализации, управляются определёнными силами. Это может быть изменение потенциала на клеточной мембране - в случае потенциал-зависимых каналов, повышение концентрации определённых активных веществ - для лиганд-зависимых или растяжение мембраны - для механически управляемых каналов.

Каналы - это специфические белки, встроенные в мембрану. Каждый тип каналов пропускает определённые ионы. Это система пассивного транспорта: ионы проходят через них благодаря диффузии, а каналы просто контролируют концентрацию проходящих частиц, регулируют для них проницаемость мембраны.

В формировании потенциала действия, как и потенциала покоя, принимают участие главным образом ионы натрия и калия.

Натриевые каналы имеют достаточно простое строение: это белок из трёх разных субъединиц, которые образуют структуру, похожую на пору - то есть трубку с внутренним просветом. Канал может находиться в трёх состояниях: закрытом, открытом и инактивированном (закрыт и невозбудим). Это обеспечивается локализацией отрицательных и положительных зарядов в самом белке; эти заряды притягиваются к противоположным, существующим на мембране, и таким образом канал при изменении состояния мембраны открывается и закрывается. Когда он открыт, ионы натрия могут беспрепятственно проникать через него в клетку по градиенту концентрации. Это очень короткий момент времени - буквально доли миллисекунды.

Калиевые каналы устроены ещё проще: это отдельные субъединицы, имеющие в разрезе трапециевидную форму; они расположены почти вплотную друг к другу, но между ними всегда остаётся зазор. Калиевые каналы не закрываются до конца, в состоянии покоя калий свободно уходит из цитоплазмы (по градиенту концентрации).

И натриевые, и калиевые каналы являются потенциал-зависимыми - они работают в зависимости от изменений электрического потенциала мембраны.

При формировании потенциала действия происходит резкая кратковременная перезарядка мембраны. Это обеспечивается несколькими последовательными процессами.

Сначала под воздействием внешнего раздражения (например, электрического тока) мембрана деполяризуется - то есть заряды с разных её сторон меняются на противоположные (внутри клетки заряд переходит в положительный, снаружи - в отрицательный). Это является сигналом к открытию натриевых каналов, которых на поверхности одной мембраны огромное число - может быть до 12 тысяч. Момент, в который начинают открываться каналы, носит название критического уровня деполяризации. Ток, который даёт эту критическую деполяризацию, назван пороговым.

Интересно, что повышение силы тока после достижения пороговой величины не меняет характеристик получающегося в итоге потенциала действия. Значение для открытия каналов имеет не амплитуда тока, а полученное мембраной количество энергии - «количество электричества». Эта закономерность получила название «всё или ничего» - либо есть полноценный ответ на раздражение при его величине от пороговой и выше, либо ответа нет вообще, если раздражение пороговой величины не достигло. При этом значение пороговой величины определяется длительностью подаваемого раздражения.

Действителен этот закон, правда, только в рамках отдельной клетки. Если брать, например, нерв, составленный большим количеством разных аксонов, амплитуда тоже будет иметь значение, потому что ответ на раздражение мы увидим только тогда, когда каналы активируются во всех клетках - то есть при большем суммарном значении порогового тока.

После открытия каналов натрий начинает поступать в клетку, и его ток значительно превышает ток выходящего по градиенту калия. Это значит, что проницаемость мембраны для натрия становится больше, чем для калия. В определённый момент открываются почти все натриевые каналы. Это происходит лавинообразно: от той точки, в которую пришёл стимул, в обе стороны. Таким образом, концентрация натрия в клетке резко повышается.

После этого концентрации ионов должны вернуться к исходным. Это обеспечивает такое общее свойство каналов, как рефрактерность: канал, который сработал, некоторое время после этого неактивен и не может возбудиться под действием раздражающего стимула.

Натриевые каналы в момент максимального ответа на раздражение становятся рефрактерны, проницаемость для натрия резко падает. Калиевые каналы, напротив, начинают активно работать, и ток калия из клетки возрастает. Таким образом из клетки уходит избыток положительно заряженных ионов и восстанавливается изначальный потенциал покоя. Этот период времени, пока не восстановятся натриевые каналы и исходный потенциал (это может занимать около миллисекунды), клетка не способна возбудиться.

Поскольку способность клеток к возбуждению обеспечивает работу организма как целого и возможность центрального контроля всех клеток организма, яды, блокирующие каналы, являются одними из самых опасных для человека и многих животных.

Один из самых страшных блокаторов каналов - тетродотоксин, вещество, вырабатываемое рыбой фугу. Для него значение LD50 (50% Level of Death - доза, от которой умрут 50 человек из ста) равно 10 миллиграмм на килограмм веса, то есть примерно в тысячу раз меньше, чем для цианида. Его молекулы связываются прочной связью с белком натриевого канала, когда он в закрытом состоянии, и полностью блокируют возможность возникновения потенциала действия. Похожие токсины вырабатывают некоторые водоросли. Яд скорпиона, напротив, держит все каналы в постоянно открытом состоянии.

Ну ладно скорпион, а вот зачем такое страшное оружие водорослям - загадка.

Есть что сказать? Оставть комментарий!.

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

Основные черты

Ионные каналы регулируют поток ионов через мембрану во всех клетках. Они представляют собой белковую молекулу или комплекс нескольких молекул, которые пронизывают липидный слой клеточной мембраны насквозь. Внутри белка находится сквозное отверстие, или пора, по которой могут двигаться ионы. Пора открывается и закрывается с помощью движений белковой молекулы самого канала или вспомогательных белков — так называемый «Воротные механизм». При открывании времени через канал движутся ионы, которых заставляет перемещаться электрохимический градиент по обе стороны клеточной мембраны. Таким образом, каналы являются проводниками пассивного транспорта.

Движение ионов через канал приводит к изменению мембранного потенциала клетки или вхождения новых ионов в клетку (в первую очередь ионов кальция и хлора). Это в дальнейшем приводит к изменению функции клетки. Трансмембранный градиент поддерживается для немногих малых ионов: катионов (Na +, Ca 2+, K +, H +) и анионов (Cl -, OH -). Тем не менее, существует несколько сотен генов, кодирующих различные ионные каналы живых организмов. Это многообразие связано в частности с многообразием воротных механизмов. Белковая молекула канала воспринимает определенный вид энергии и в ответ меняет свою конформацию так, чтобы время канала открылась или закрылась. Распространены потенциалзависимые каналы, то есть те, которые открываются в ответ на определенную разность потенциалов на мембране, и хемозалежни каналы, то есть те, которые изменяют конформацию после связывания со специфической молекулой. Есть также каналы, которые меняют свою способность пропускать ионный ток в ответ на изменение температуры, pH, давление на мембрану, свет и т.

Молекулярное строение

Эти комплексы обычно имеют вид цилиндрической структуры, составленной из одной или нескольких идентичных, гомологичных или различных белковых молекул, плотно упакованных вокруг заполненной водой поры, проходит через липидный бислой мембраны. Если эти белковые молекулы или субъединицы канала являются продуктами одного гена, то канал является гомомером, если же разных — то гетерометром. По количеству субъединиц различают мономеры, димеры, триммеры, тетрамеры, пентамер, октамер т. Например, калиевые каналы часто является гомотетрамерамы — то есть образованные четырьмя одинаковыми субъединицами. По обычной номенклатурой, субъединицы, формирующие время, называются α-субъединицами, тогда как вспомогательные субъединицы — β, γ и так далее. Каждая α-субъединица состоит из нескольких (2-7) трансмембранных сегментов (что чаще всего является α-спиралями), Р-петли, которая выстилает время, цитоплазматических концов и внеклеточного петель.

Свойства ионных каналов

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

Биологическая роль

Открытие и закрытие ионных каналов лежат в основе передачи нервных импульсов, а проводимость каналов является основой работы электрических синапсов. Поэтому ионные каналы крайне важными компонентами нервной системы. Действительно, большинство наступательных и защитных токсинов, которые организмы развили для прекращения работы нервные системы хищников и добычи (например, яды, выделяемые пауками, скорпионами, змеями, рыбами, пчелами, морскими моллюсками и другими организмами) работают из-за блокирования ионных Калалы. Ионные каналы вовлечены в поддержание напряжения в митохондриях эукариот и на плазматических мембранах прокариот, которая используется для получения энергии в виде АТФ — основного «топлива» клеток. Кроме того, многочисленные ионные каналы отвечают за широкий спектр биологических процессов, которые привлекают быстрые изменения состояния клетки, например сердечной деятельности, сокращения скелетных и гладких мышц, транспорт питательных веществ через эпителий, работе T-лимфоцитов, секреции гормонов. При разработке новых лекарств ионные каналы — очень частые мишени.

Многообразие ионных каналов

Единой классификации ионных каналов на сегодняшний день не существует. Каналы систематизируют по селективностью к ионам (анионные, катионные, натриевые, калиевые, хлорные и т.д.), по механизму активации (потенциалзависимые, лигандкеровани, депокеровани, механорецепторы, температурозалежни и т.п.), по чувствительности к химическим веществам (например, АТФ-зависимые, TTX- нечувствительны), по генетической гомологией. В украинской научной литературе предложена следующая классификация:

• Лигандкеровани ионные каналы
  • Cys-петельные — гомо- или гетеропентамерни
    • Неселективные катионные: никотиновый ацетилхолиновых рецепторов, серотониновый рецептор
    • Селективные хлорные: глицинового рецептор, ГАМК А рецептор, ГАМК С рецептор
  • Глутаматных рецепторов — гомо- или гетеротетрамеры
    • AMPA-рецепторы, каинатни рецепторы, NMDA-рецепторы
  • Пуриновые рецепторы — гомо- или гетеротетрамеры
    • P2X рецепторы
• Потенциалзависимые ионные каналы
  • Натриевые каналы
    • тетродоксин-чувствительные
    • тетродоксин-нечувствительны
  • Кальциевые каналы
    • L-типа
    • N-типа
    • P / Q-типа
    • R-типа
    • T-типа — низькопорогови кальциевые каналы
• Калиевые каналы
  • Потенциалзависимые
    • Shaker- Shab- Shal- Shaw-родственные
    • KvLQT1-родственные
    • eag-родственные
    • erg-родственные
    • elc-родственные
  • кальций-активированные
    • большой проводимости BK
    • малой проводимости SK
    • Na-, Cl-активированные
    • OH-активированные
  • Входного выпрямления
    • G-белок регулируемые GIRK
    • АТФ-зависимые калиевые каналы K-ATP
  • фоновые
    • двопородоменни (2P)
• Каналы, управляемые циклическими нуклеотидами
• Депокеровани и арахидонатрегульовани каналы
• Каналы "транзиентной рецепторного потенциала" (ТРТ)
  • • TRPC, "классические"
    • TRPV, "ванилоидни" TRPV1
    • TRPM, "меластатинови" TRPM8
    • TRPA, "анкирином"
    • TRPP, "полицистинови"
    • TRPML, "муколипины"
• Натриевые потенциалзависимые дегенеринподибни
  • эпителиальные ENaC
  • протончутливи ASIC
• Анионные ионные каналы
  • Хлорные каналы ClC

Заболевания, связанные с ионными каналами

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

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

Как изучают ионные каналы

Мембранная теория

Долгое время цитологи спорили, как устроена клетка. Между собой конкурировали две теории: мембранная и фазовая. Мембранная теория предполагала наличие полупроницаемого барьера, который бы отделял цитоплазму от межклеточного пространства, создавая градиенты веществ. Фазовая теория исключала наличие такого барьера, а гомеостаз в клетке поддерживают белки-акцепторы различных веществ — акцепторы калия, натрия, кислорода, глюкозы и др. Открытие электронной микроскопии показало победу мембранной теории. Поэтому следующим шагом стало изучение свойств мембраны. Ходжкин и Бернард Кац обнаружили способность гигантского аксона кальмара пропускать различные ионы при различных мембранных потенциалах. Так появилась гипотеза о наличии селективных ионных каналов. В дальнейшем она блестяще подтвердилась.

Методы исследования

Первые исследования ионных каналов были осуществлены с помощью микроэлектродов на гигантских возбуждающих клетках. Развитие микроэлектродной техники привело к созданию метода фиксации потенциала на участке мембраны. Сначала исследования проводились только на функциональном уровне, дальше гены каналов был клонирован и их стали также изучать генетически и структурно. Также ионные каналы теперь искусственно вводят в клетки, почти не имеют собственных каналов (яйцеклетки, иммортализовани клеточные линии и т.п.), где изучают их функции. Используют ряд молекулярно-биологических и оптических методов (ПЦР, количественную ПЦР, ПЦР для одной клетки, иммунохимических методы, флуоресцентную микроскопию). Некоторые канальные белки удалось закристализуваты и провести рентгеноструктурный анализ. Другие структуры предусмотрены пока теоретически.

Вклад украинских ученых в исследования ионных каналов

В Институте физиологии имени А.А. Богомольца НАН Украины еще с 1950-х начались исследования электрических свойств клеток. У истоков этой работы стояли Даниил Воронцов, Платон Костюк, Михаил Шуба. Впервые в мире Костюк и Хрусталь доказали наличие отдельных кальциевых каналов в клеточной мембране нервных клеток. В дальнейшем под руководством Платона Костюка группой Николая Веселовского было впервые описано токи через кальциевые каналы Т-типа, а группой Олега Крышталя — через пуриновые и протончутливи каналы.

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

селективные (проницаемы только для одного вида ионов). По характеру ионов, которые они пропускают на Na+, Ca++, Cl-, K+-каналы;

неселективные (проницаемы для нескольких видов ионов);

2) По способу регуляции делятся на:

потенциалзависимые (электровозбудимые, потенциалуправляемые)

Потенциалнезависимые (хемовозбудимые, (лиганд-рецептор -зависимые), хемоуправляемые)

Механовозбудимые (механоуправляемые).

Потенциал покоя и действия. Мембранно-ионная теория происхождения потенциала покоя и действия. Местное и распространяющееся возбуждение.

Установлено, что мембрана любой живой клетки поляризована, внутренняя поверхность элетроотрицательна по отношению к наружной. Мембранный потенциал равен - (минус) 70 - (90) мв. При возбуждении происходит снижение величины исходного потенциала покоя с перезарядкой мембраны. Формирование и сохранение потенциала покоя обусловлено непрерывным движением ионов по ионным каналам мембраны, постоянно существующей разностью концентраций катионов по обе стороны мембраны, непрерывной работой натрий-калиевого насоса. За счет постоянного удаления из клетки иона натрия и активного переноса в клетку иона калия сохраняется разность концентраций ионов и поляризация мембраны. Концентрация иона калия в клетке превышает внеклеточную концентрацию в 30 - 40 раз, внеклеточная концентрация натрия примерно на порядок выше внутриклеточной. Электроотрицательность внутренней поверхности мембраны обусловлена наличием в клетке избытка анионов органических соединений, абсолютная величина потенциала покоя (мембранный потенциал, трансмембранный потенциал, равновесный калиевый потенциал) обусловлена главным образом соотношением внутри- и внеклеточной концентраций ионов калия и удовлетворительно описывается уравнением Нернста : (1)

Современная теория учитывает так же:

1) разницу концентраций ионов натрия, хлора, кальция;

2) проницаемость (Р) мембраны для каждого иона в текущий момент времени.

Наличие потенциала покоя позволяет клетке практически мгновенно после действия раздражителя перейти из состояния функционального покоя в состояние возбуждения.

Возникновение потенциала действия (деполяризация)

I – мембранный потенциал

1 - потенциал покоя, 2-- медленная деполяризация, 3 - быстрая деполяризация, 4 - быстрая реполяризация, 5 – медленная реполяризация, 6- гиперполяризация

II - возбудимость

а – нормальная, б – повышенная, в –абсолютная рефрактерность,

г – относительная рефрактерность, д – супернормальность,

е -субнормальность

Потенциал действия (ПД) развивается при наличии исходной поляризации мембраны (потенциала покоя) благодаря изменению проницаемости ионных каналов (натриевых и калиевых). После действия раздражителя потенциал покоя уменьшается, активация каналов повышает их проницаемость для ионов натрия , который входит в клетку и обеспечивает процесс деполяризации. Поступление в клетку иона натрия уменьшает электроотрицательность внутренней поверхности мембраны, что способствует активации новых ионных натриевых каналов и дальнейшему поступлению в клетку иона натрия. Действуют силы:

а) электростатическое притяжение внутриклеточных анионных группировок;

б) концентрационный градиент ионов натрия, направленный внутрь клетки.

Пик потенциала действия обусловлен равновесием поступления в клетку ионов натрия и равным их удалением под влиянием сил отталкивания одноимённо заряженных ионов.