Ionenkanalen van celmembranen.

Zo nu en dan verschijnt er informatie in medisch nieuws dat wetenschappers een andere manier hebben gevonden om ionenkanalen te beïnvloeden - ze proberen ze te activeren, of integendeel, ze hebben haast om ze te blokkeren. Zo is onlangs een rapport gepubliceerd over het onderzoek van Michael Gurevitz, professor aan de Universiteit van Tel Aviv, die een nieuwe pijnstiller ontwikkelt op basis van de componenten van het gif van de Israëlische gele schorpioen – een van de gevaarlijkste schorpioenen ter wereld. De verwachting is dat dit medicijn zal inwerken op natriumkanalen, die verantwoordelijk zijn voor de perceptie van pijn, en een effectieve pijnstiller van een nieuwe generatie zal worden. Ionenkanalen worden ook herinnerd als het gaat om kanker, hart- en vaatziekten en zelfs verslavingen. Wat zijn deze kanalen en waarom is hun werk zo belangrijk?

Kooi in het gat

Een levende cel is geen statische formatie; er vindt voortdurend metabolisme plaats, omdat de interactie van cellen met elkaar en de externe omgeving een noodzakelijke voorwaarde is voor het in stand houden van het leven van het organisme. Deze uitwisseling vindt plaats via het membraan (omhulsel) van cellen, waardoor, indien nodig, veel elementen moeten binnendringen: ionen, aminozuren, nucleotiden.

Om ervoor te zorgen dat het membraan, indien nodig, doorlaatbaar is voor deze elementen, bevat het speciale transporteiwitten die poriën vormen, een soort ‘gaten’ in het membraan. Deze poriën zijn kanalen die verstopt zijn met watermoleculen met een diameter van minder dan 1 nm, en deze membraankanalen zijn relatief selectief in het type moleculen dat erdoorheen kan. Er zijn bijvoorbeeld calcium-, natrium- en kaliumkanalen - en ze laten geen andere dan specifieke ionen door. Deze selectiviteit van het kanaal is te danken aan de lading en structuur ervan.

Om de stroom van ionen door hun porie te geleiden, gebruiken ionenkanalen een potentiaalverschil. Omdat de stroom die wordt gegenereerd door de beweging van ionen kan worden gemeten, zelfs voor een enkel kanaal, is het gedrag van membraanionkanalen gemakkelijk waar te nemen. De grachten openen en sluiten spontaan en frequent. En deze overgangen van de ene vorm naar de andere kunnen worden bestudeerd met behulp van röntgendiffractie, Mössbauer-spectroscopie en nucleaire magnetische resonantie. Dankzij deze onderzoeken werd duidelijk dat deze kanalen zeer georganiseerde structuren zijn, niet alleen een buis met water, maar een labyrint van snel bewegende elektrisch neutrale en geladen moleculaire groepen.

Er zijn tientallen soorten ionkanalen. De grootste groep bestaat uit kaliumkanalen, waaronder ongeveer veertig soorten. En elke variëteit is uniek in zijn structurele kenmerken en functies. Kaliumkanalen met een hoge geleidbaarheid (er gaan een groter aantal kaliumionen doorheen dan door andere kanalen) bestaan ​​​​bijvoorbeeld uit grote eiwitfragmenten, subeenheden, gevouwen in een α-helix. Ze worden aangevuld met relatief korte fragmenten, die naast de primaire spiraalstructuur ook een secundaire β-structuur hebben. Ze zijn op hun beurt onderverdeeld in β-1, β-2, β-3 of β-4, die elk het kanaal unieke eigenschappen geven. β-4 maakt het kanaal bijvoorbeeld resistent tegen de blokker iberiotoxine. Als de kanaalblokkade met succes wordt uitgevoerd, zal er geen stroom door het kanaal gaan.

Waarom zijn deze goed georganiseerde ‘gaten’ in cellen überhaupt nodig? Ionenkanalen vormen de basis van het leven. Ze zorgen voor de prikkelbaarheid van het zenuwstelsel, de overdracht van zenuwimpulsen van de zenuw naar de spier en de afscheiding van hormonen. Activering van ionkanalen veroorzaakt cascades van fysiologische reacties, bepaalt ons denken, het werk van de hartspier en het ademhalingsdiafragma, zelfs onze verslavingen (bijvoorbeeld aan alcohol) en die moderne wetenschappers de neiging hebben uit te leggen door de eigenaardigheden van het werk van ionkanalen .

Het blokkeren van deze belangrijke kanalen leidt tot ernstige veranderingen in het lichaam. En het is niet verrassend dat ionkanalen een belangrijk doelwit zijn geworden voor de ontwikkeling van nieuwe vergiften en chemische wapens. Zo blokkeert een van de krachtigste zenuwvergiften die de mensheid kent, tetrodotoxine, de natriumkanalen. Vanwege de grote omvang van het molecuul verstopt tetrodotoxine letterlijk de porie van het natriumkanaal, zodat de doorgang van natriumionen erdoorheen onmogelijk wordt en de zenuwimpuls niet van cel naar cel wordt overgedragen. De spieren bevriezen - omdat ze de signalen van het zenuwstelsel gehoorzamen. Gifstoffen met een soortgelijk effect, zoals conotoxine, worden aangetroffen in het arsenaal aan slangen en zeeschelpdieren en helpen hen het slachtoffer te verlammen.

Ionenkanalen in de geneeskunde

In de hedendaagse geneeskunde worden een aantal ziekten verklaard door verstoringen in de werking van ionkanalen. Hoewel ze totaal verschillende behandeltrajecten hebben, maakt de gemeenschappelijke oorzaak het mogelijk om ze in een aparte groep te onderscheiden. Ze omvatten zowel verworven als erfelijke ziekten.

In 2003 werd de Nobelprijs voor de Scheikunde toegekend aan de Amerikaanse wetenschapper Roderick McKinnon voor zijn ontdekking van de structuur van het ionkanaal. In 1998 slaagde hij erin om met behulp van kristallografische methoden de driedimensionale moleculaire structuur van het kaliumkanaal van de bacterie Streptomyces lividans te bepalen. Een afbeelding van het eiwit verscheen op de omslag van het tijdschrift Science, waarvan de redactie de ontdekking van MacKinnon beschouwde als een van de tien meest opmerkelijke wetenschappelijke prestaties van het jaar. Dit eiwit bestaat uit 4 subeenheden met een α-helixstructuur. Het kaliumkation wordt door de holte in het midden getransporteerd. Illustratie: BNL/DoE, Rockefeller University/Roderick MacKinnon

De ontwikkeling van het chronisch vermoeidheidssyndroom wordt bijvoorbeeld in verband gebracht met het disfunctioneren van een hele groep ionkanalen, waaronder natrium en kalium. Onder de erfelijke ziekten veroorzaakt door disfunctie van ionkanalen, kunnen we epilepsie noemen, die wordt veroorzaakt door storingen in kaliumkanalen met grote geleiding. Onder leiding van professor Richard Aldrich van de Universiteit van Texas in San Antonio was het mogelijk om, door experimenten uit te voeren met transgene muizen waarbij het KCNMB4-gen geblokkeerd was, te bewijzen dat bij een onvoldoende aantal beta4-subeenheden het kaliumkanaal onvoldoende reageert. tot nerveuze opwinding, wat leidt tot convulsies.

Onvoldoende functie van de β-1-subeenheid van het kanaal wordt geassocieerd met de ontwikkeling van hypertensie. Als om de een of andere reden de aminozuursamenstelling van het β-1-subeenheideiwit niet normaal is, kan het kanaal met een dergelijke subeenheid de verwijding van de vaatwanden niet ondersteunen, wat spanning in de slagaders veroorzaakt en hypertensie ontstaat. Dit blijkt bijvoorbeeld uit het onderzoek van Ralf Köhler van de Universiteit van Zuid-Denemarken (Syddansk Universitet).

Een andere veel voorkomende hart- en vaatziekten, het lange QT-syndroom, wordt geassocieerd met mutaties in de genen die coderen voor kaliumkanalen in de hartspier, wat leidt tot verhoogde activiteit van kaliumkanalen en de normale kaliumstroom in de hartspier verandert.

Verstoringen in de functies van calciumkanalen leiden tot ataxie - aandoeningen waarbij coördinatie van bewegingen onmogelijk is.

Ten slotte wordt cystische fibrose (of fibrocystische degeneratie), een ernstige ziekte van het ademhalingssysteem en het maagdarmkanaal, samen met andere oorzaken geassocieerd met mutaties in het CFTR-gen, dat codeert voor het chloridekanaal.

De normale werking van welk type ionkanalen dan ook is dus uiterst belangrijk voor de menselijke gezondheid.

Richt op de kanalen!

Tegenwoordig werken apothekers actief aan het ontwikkelen van medicijnen die op hen van invloed zijn. Misschien wel een van de meest populaire bestaande medicijnen zijn anti-aritmica, die het verstoorde hartritme normaliseren. Deze omvatten de zogenaamde “calciumantagonisten” (bijvoorbeeld verapamil), die de penetratie van calciumionen vanuit de intercellulaire ruimte in de spiercellen van het hart en de bloedvaten voorkomen via langzame L-type calciumkanalen. Door de concentratie van calciumionen in de hartspiercellen en vaatwanden te verminderen, verwijden calciumantagonisten de kransslagaders en perifere slagaders.

Kaliumkanaalactivatoren (icorandil, minoxidil, diazoxide, pinacidil) veroorzaken ook verwijding van coronaire bloedvaten en bloedvaten in perifere organen. Ze proberen ook de kaliumkanalen te beïnvloeden om beroertes veroorzaakt door cerebrale vasospasmen te stoppen.

Lokale anesthetica, lidocaïne en novocaïne, populair in de chirurgische praktijk, blokkeren het pijngevoel door natriumkanalen te blokkeren. Het is waar dat de bijwerking van deze medicijnen is dat ze niet alleen leiden tot het verlies van pijn, maar ook van tastgevoeligheid.

Wel kon worden vastgesteld dat andere ionenkanalen – de zogenaamde TRP (Transient Receptor Potential) – in een dergelijke situatie te hulp kunnen komen. Deze familie van kanalen omvat vele soorten die zwak selectief zijn en de meeste positief geladen ionen doorlaten, waaronder natrium, calcium en magnesium.

Een speciale groep TRP-kanalen, die zich bevinden in zenuwcellen die reageren op pijn, zijn gevoelig voor de aanwezigheid van het actieve bestanddeel van chilipepers, capsaïcine. Als TRP-kanalen worden geactiveerd door capsaïcine, zal daaropvolgende toediening van lidocaïne selectief alleen deze TRP-kanalen blokkeren, dat wil zeggen kanalen die zich uitsluitend in pijnneuronen bevinden. Op deze manier is het mogelijk om van de bijwerkingen van de pijnstiller af te komen.

Het relatieve gemak waarmee de werking van ionenkanalen kan worden getest en de veelbelovende resultaten maken ze tot een aantrekkelijk doelwit voor de farmaceutische industrie. Bovendien verliezen veel bestaande medicijnen in de loop van de tijd hun effectiviteit: het lichaam raakt eraan gewend en reageert anders dan de makers het bedoeld hadden. Wetenschappers moeten voortdurend zoeken naar manieren om verschillende mislukkingen te elimineren, en ionkanalen zijn, zou je kunnen zeggen, de basis van het leven. En vandaag de dag trekt hun manipulatie aan de ene kant investeringen van meerdere miljarden dollars aan, en aan de andere kant geeft het enige hoop aan mensen die aan verschillende kwalen lijden.

Partnernieuws

Structuur en functies van ionkanalen. Na + , K + , Ca 2+ , Cl - ionen dringen de cel binnen en verlaten deze via speciale met vloeistof gevulde kanalen. De grootte van de kanalen is vrij klein (diameter 0,5-0,7 nm). Uit berekeningen blijkt dat het totale oppervlak van de kanalen een onbeduidend deel van het celmembraanoppervlak beslaat.

De functie van ionkanalen wordt op verschillende manieren bestudeerd. De meest gebruikelijke is de spanningsklemmethode, of “spanningsklem” (Fig. 2.2). De essentie van de methode is dat met behulp van speciale elektronische systemen tijdens het experiment de membraanpotentiaal wordt veranderd en op een bepaald niveau wordt vastgelegd. In dit geval wordt de grootte van de ionenstroom die door het membraan stroomt gemeten. Als het potentiaalverschil constant is, dan is, in overeenstemming met de wet van Ohm, de stroomsterkte evenredig met de geleidbaarheid van de ionenkanalen. Als reactie op stapsgewijze depolarisatie gaan bepaalde kanalen open en komen de overeenkomstige ionen de cel binnen langs een elektrochemische gradiënt, dat wil zeggen dat er een ionenstroom ontstaat die de cel depolariseert. Deze verandering wordt gedetecteerd door een controleversterker en er wordt een elektrische stroom door het membraan geleid, even groot maar tegengesteld in richting aan de membraanionenstroom. In dit geval verandert het transmembraanpotentiaalverschil niet. Het gecombineerde gebruik van spanningsklem en specifieke ionkanaalblokkers leidde tot de ontdekking van verschillende soorten ionkanalen in het celmembraan.

Momenteel zijn er veel soorten kanalen voor verschillende ionen geïnstalleerd (Tabel 2.1). Sommige daarvan zijn zeer specifiek, terwijl andere, naast het hoofdion, ook andere ionen kunnen doorlaten.

Het bestuderen van de functie van individuele kanalen is mogelijk met behulp van de methode van lokale fixatie van het “path-clamp”-potentieel; rijst. 2.3, A). Een glazen micro-elektrode (micropipet) wordt gevuld met een zoutoplossing, tegen het oppervlak van het membraan gedrukt en er ontstaat een licht vacuüm. In dit geval wordt een deel van het membraan naar de micro-elektrode gezogen. Als er een ionenkanaal in de zuigzone verschijnt, wordt de activiteit van een enkel kanaal geregistreerd. Het systeem van irritatie en registratie van kanaalactiviteit verschilt weinig van het spanningsregistratiesysteem.

Tabel 2.1. De belangrijkste ionenkanalen en ionenstromen van exciteerbare cellen

Opmerking. TEA - tetraethylammonium; TTX - tetrodotoxine.

Het buitenste deel van het kanaal is relatief toegankelijk voor studie; het binnenste deel levert aanzienlijke problemen op. PG Kostyuk ontwikkelde een methode voor intracellulaire dialyse, waarmee men de functie van de invoer- en uitvoerstructuren van ionkanalen kan bestuderen zonder het gebruik van micro-elektroden. Het bleek dat het deel van het ionenkanaal dat open is naar de extracellulaire ruimte qua functionele eigenschappen verschilt van het deel van het kanaal dat naar de intracellulaire omgeving is gericht.

Het zijn ionkanalen die zorgen voor twee belangrijke eigenschappen van het membraan: selectiviteit en geleidbaarheid.

Selectiviteit of selectiviteit, kanaal wordt geleverd door zijn speciale eiwitstructuur. De meeste kanalen worden elektrisch bestuurd, dat wil zeggen dat hun vermogen om ionen te geleiden afhangt van de grootte van de membraanpotentiaal. Het kanaal is heterogeen wat betreft zijn functionele kenmerken, vooral met betrekking tot de eiwitstructuren die zich bij de ingang van het kanaal en bij de uitgang ervan bevinden (de zogenaamde poortmechanismen).

5. Het concept van prikkelbaarheid. Parameters van prikkelbaarheid van het neuromusculaire systeem: irritatiedrempel (rheobase), nuttige tijd (chronaxie). Afhankelijkheid van de sterkte van de irritatie van het tijdstip van optreden (Goorweg-Weiss-curve). Vuurvastheid.

Prikkelbaarheid– het vermogen van een cel om op irritatie te reageren door een actiepotentiaal en een specifieke reactie te vormen.

1) lokale responsfase – gedeeltelijke depolarisatie van het membraan (binnenkomst van Na+ in de cel). Als je een kleine stimulus toepast, is de reactie sterker.

Lokale depolarisatie is de exaltatiefase.

2) fase van absolute vuurvastheid - de eigenschap van prikkelbare weefsels om onder geen enkele stimulussterkte AP's te vormen

3) fase van relatieve vuurvastheid.

4) langzame repolarisatiefase - irritatie - opnieuw een sterke reactie

5) hyperpolarisatiefase – de prikkelbaarheid is minder (subnormaal), de stimulus moet groot zijn.

Functionele labiliteit– beoordeling van de prikkelbaarheid van het weefsel via het maximaal mogelijke aantal AP's per tijdseenheid.

Excitatiewetten:

1) de wet van kracht - de sterkte van de stimulus moet drempel- of bovendrempel zijn (de minimale hoeveelheid kracht die opwinding veroorzaakt). Hoe sterker de stimulus, hoe sterker de excitatie - alleen voor weefselassociaties (zenuwstam, spier, uitzondering - SMC).

2) de wet van de tijd - de duur van de huidige stimulus moet voldoende zijn voor het optreden van excitatie.

Er bestaat een omgekeerd evenredig verband tussen kracht en tijd binnen de grenzen tussen minimale tijd en minimale kracht. De minimale kracht - rheobase - is een kracht die excitatie veroorzaakt en is niet afhankelijk van de duur. Minimale tijd is nuttige tijd. Chronaxie is de prikkelbaarheid van een bepaald weefsel;

Hoe groter de kracht, hoe groter de respons tot een bepaalde waarde.

Factoren die MPP creëren:

1) verschil in concentraties natrium en kalium

2) verschillende permeabiliteit voor natrium en kalium

3) werking van de Na-K-pomp (3 Na+ wordt verwijderd, 2 K+ wordt teruggevoerd).

De relatie tussen de sterkte van de stimulus en de duur van de impact ervan, noodzakelijk voor het optreden van een minimale respons van een levende structuur, kan heel duidelijk worden gevolgd op de zogenaamde kracht-tijdcurve (Goorweg-Weiss-Lapik-curve). .

Uit de analyse van de curve volgt dat, hoe groot de stimulus ook is, er geen reactie zal zijn als de duur van de invloed ervan onvoldoende is (het punt links van de stijgende tak van de hyperbool). Een soortgelijk fenomeen wordt waargenomen bij langdurige blootstelling aan stimuli onder de drempelwaarde. De minimale stroom (of spanning) die excitatie kan veroorzaken, wordt door Lapik rheobase genoemd (ordinaatsegment OA). De kortste periode waarin een stroom gelijk in sterkte tweemaal de rheobase excitatie in het weefsel veroorzaakt, wordt chronaxie (abscissegment OF) genoemd, wat een indicator is van de drempelduur van irritatie. De chronaxie wordt gemeten in δ (duizendsten van een seconde). De omvang van de chronaxie kan worden gebruikt om de snelheid te beoordelen waarmee excitatie in het weefsel plaatsvindt: hoe kleiner de chronaxie, hoe sneller de excitatie plaatsvindt. De chronaxie van menselijke zenuw- en spiervezels is gelijk aan duizendsten en tienduizendsten van een seconde, en de chronaxie van zogenaamde langzame weefsels, bijvoorbeeld de spiervezels van de maag van een kikker, is honderdsten van een seconde.

De bepaling van de chronaxie van prikkelbare weefsels is niet alleen wijdverbreid geworden in experimenten, maar ook in de sportfysiologie en in de kliniek. Met name door het meten van de spierchronaxie kan een neuroloog de aanwezigheid van motorische zenuwbeschadiging vaststellen. Opgemerkt moet worden dat de stimulus behoorlijk sterk kan zijn, een drempelduur kan hebben, maar een lage snelheid van tijdstoename tot de drempelwaarde, in dit geval vindt er geen excitatie plaats; De aanpassing van prikkelbaar weefsel aan een langzaam toenemende stimulus wordt accommodatie genoemd. Accommodatie is te wijten aan het feit dat tijdens de toename van de sterkte van de stimulus actieve veranderingen de tijd hebben om zich in het weefsel te ontwikkelen, waardoor de irritatiedrempel wordt verhoogd en de ontwikkeling van opwinding wordt voorkomen. De snelheid waarmee de stimulatie in de loop van de tijd toeneemt, of de gradiënt van de stimulatie, is dus essentieel voor het optreden van excitatie.

Wet van irritatiegradiënt. De reactie van een levende formatie op een stimulus hangt af van de stimulatiegradiënt, d.w.z. van de urgentie of steilheid van de toename van de stimulus in de loop van de tijd: hoe hoger de stimulatiegradiënt, des te sterker (tot bepaalde grenzen) de reactie van de stimulus. de prikkelbare formatie.

Bijgevolg weerspiegelen de stimulatiewetten de complexe relatie tussen de stimulus en de prikkelbare structuur tijdens hun interactie. Om excitatie te laten plaatsvinden, moet de stimulus een drempelsterkte hebben, een drempelduur hebben en in de loop van de tijd een bepaalde mate van toename hebben.

6. Ionenpompen (ATPasen): K+-Na+-e, Ca2+-e (plasmolemma en sarcoplasmatisch reticulum), H+-K+-wisselaar.

Volgens moderne concepten bevatten biologische membranen ionenpompen die werken met behulp van de vrije energie van ATP-hydrolyse - speciale systemen van integrale eiwitten (transport-ATPasen).

Momenteel zijn er drie soorten elektrogene ionenpompen bekend die actief ionen door het membraan transporteren (Fig. 13).

De overdracht van ionen door transport-ATPasen vindt plaats als gevolg van de koppeling van overdrachtsprocessen met chemische reacties, als gevolg van de energie van het celmetabolisme.

Wanneer K+-Na+-ATPase werkt, worden twee kaliumionen naar de cel overgebracht als gevolg van de energie die vrijkomt tijdens de hydrolyse van elk ATP-molecuul, en worden er tegelijkertijd drie natriumionen uit de cel gepompt. Hierdoor ontstaat een verhoogde concentratie kaliumionen in de cel vergeleken met de intercellulaire omgeving en een verlaagde natriumconcentratie, wat van groot fysiologisch belang is.

Tekenen van een “biopomp”:

1. Beweging tegen de elektrochemische potentiaalgradiënt in.

2. de materiestroom wordt geassocieerd met de hydrolyse van ATP (of een andere energiebron).

3. asymmetrie van het transportvoertuig.

4. De pomp in vitro kan ATP alleen hydrolyseren in aanwezigheid van de ionen die hij in vivo transporteert.

5. Wanneer de pomp in een kunstmatige omgeving is ingebed, kan deze de selectiviteit behouden.

Het moleculaire werkingsmechanisme van ion-ATPasen is niet volledig begrepen. Niettemin kunnen de belangrijkste fasen van dit complexe enzymatische proces worden achterhaald. In het geval van K+-Na+-ATPase zijn er zeven stadia van ionenoverdracht geassocieerd met ATP-hydrolyse.

Het diagram laat zien dat de belangrijkste fasen van het enzym zijn:

1) vorming van een enzymcomplex met ATP op het binnenoppervlak van het membraan (deze reactie wordt geactiveerd door magnesiumionen);

2) binding van drie natriumionen door het complex;

3) fosforylering van het enzym met de vorming van adenosinedifosfaat;

4) revolutie (flip-flop) van het enzym in het membraan;

5) de reactie van ionenuitwisseling van natrium naar kalium, die plaatsvindt op het buitenoppervlak van het membraan;

6) omgekeerde revolutie van het enzymcomplex met de overdracht van kaliumionen naar de cel;

7) terugkeer van het enzym naar zijn oorspronkelijke staat met de afgifte van kaliumionen en anorganisch fosfaat (P).

Tijdens een volledige cyclus komen er dus drie natriumionen vrij uit de cel, wordt het cytoplasma verrijkt met twee kaliumionen en vindt hydrolyse van één ATP-molecuul plaats.

Alle kanalen die aanwezig zijn in levende weefsels, en nu kennen we enkele honderden soorten kanalen, kunnen in twee hoofdtypen worden verdeeld. Het eerste type is rust kanalen, die spontaan open en dicht gaan zonder invloeden van buitenaf. Ze zijn belangrijk voor het genereren van het rustmembraanpotentiaal. Het tweede type is het zogenaamde poortkanalen, of portaal kanalen(van het woord "poort") . In rust zijn deze kanalen gesloten en kunnen onder invloed van bepaalde prikkels opengaan. Sommige soorten van dergelijke kanalen zijn betrokken bij het genereren van actiepotentialen.

De meeste ionkanalen worden gekarakteriseerd selectiviteit(selectiviteit), dat wil zeggen dat alleen bepaalde ionen door een bepaald type kanaal gaan. Op basis van dit kenmerk worden natrium-, kalium-, calcium- en chloridekanalen onderscheiden. De selectiviteit van kanalen wordt bepaald door de grootte van de porie, de grootte van het ion en zijn hydratatieschil, de lading van het ion, evenals de lading van het binnenoppervlak van het kanaal. Er zijn echter ook niet-selectieve kanalen die twee soorten ionen tegelijk kunnen doorgeven: bijvoorbeeld kalium en natrium. Er zijn kanalen waardoor alle ionen en zelfs grotere moleculen kunnen passeren.

Er is een classificatie van ionkanalen volgens activatie methode(Afb. 9). Sommige kanalen reageren specifiek op fysieke veranderingen in het celmembraan van het neuron. De meest prominente vertegenwoordigers van deze groep zijn dat wel spanningsgeactiveerde kanalen. Voorbeelden hiervan zijn spanningsgevoelige natrium-, kalium- en calciumionenkanalen op het membraan, die verantwoordelijk zijn voor de vorming van het actiepotentiaal. Deze kanalen openen bij een bepaald membraanpotentiaal. Natrium- en kaliumkanalen openen dus bij een potentiaal van ongeveer -60 mV (het binnenoppervlak van het membraan is negatief geladen vergeleken met het buitenoppervlak). Calciumkanalen openen bij een potentiaal van -30 mV. De groep kanalen die wordt geactiveerd door fysieke veranderingen omvat:

Figuur 9. Methoden voor het activeren van ionkanalen

(A) Ionenkanalen geactiveerd door veranderingen in membraanpotentiaal of membraanrek. (B) Ionenkanalen geactiveerd door chemische middelen (liganden) vanaf de extracellulaire of intracellulaire kant.

Ook mechanisch gevoelige kanalen die reageren op mechanische spanning (uitrekken of vervormen van het celmembraan). Een andere groep ionkanalen gaat open wanneer chemicaliën speciale receptorbindingsplaatsen op het kanaalmolecuul activeren. Zo een ligand-geactiveerde kanalen zijn verdeeld in twee subgroepen, afhankelijk van het feit of hun receptorcentra intracellulair of extracellulair zijn. Ligand-geactiveerde kanalen die reageren op extracellulaire stimuli worden ook wel genoemd ionotrope receptoren. Dergelijke kanalen zijn gevoelig voor zenders en zijn direct betrokken bij de overdracht van informatie in synaptische structuren. Door ligand geactiveerde kanalen, geactiveerd vanaf de cytoplasmatische kant, omvatten kanalen die gevoelig zijn voor veranderingen in de concentratie van specifieke ionen. Door calcium geactiveerde kaliumkanalen worden bijvoorbeeld geactiveerd door lokale verhogingen van de intracellulaire calciumconcentratie. Dergelijke kanalen spelen een belangrijke rol bij het repolariseren van het celmembraan tijdens de beëindiging van een actiepotentiaal. Naast calciumionen zijn typische vertegenwoordigers van intracellulaire liganden cyclische nucleotiden. Cyclisch GMP is bijvoorbeeld verantwoordelijk voor de activering van natriumkanalen in de netvliesstaven. Dit type kanaal speelt een fundamentele rol in de werking van de visuele analysator. Een afzonderlijk type modulatie van de kanaalwerking door binding van een intracellulair ligand is de fosforylering/defosforylering van bepaalde delen van het eiwitmolecuul ervan onder invloed van intracellulaire enzymen - eiwitkinasen en eiwitfosfatasen.

De gepresenteerde classificatie van kanalen op basis van activeringsmethode is grotendeels willekeurig. Sommige ionkanalen kunnen slechts door enkele stimuli worden geactiveerd. Door calcium geactiveerde kaliumkanalen zijn bijvoorbeeld ook gevoelig voor veranderingen in potentiaal, en sommige spanningsgeactiveerde ionkanalen zijn gevoelig voor intracellulaire liganden.

Iomnye-kanalen-- porievormende eiwitten (enkele of hele complexen) die het potentiaalverschil in stand houden dat bestaat tussen de buiten- en binnenzijde van het celmembraan van alle levende cellen. Ze behoren tot transporteiwitten. Met hun hulp bewegen ionen zich volgens hun elektrochemische gradiënten door het membraan.

IC's bestaan ​​uit eiwitten met een complexe structuur. IR-eiwitten hebben een bepaalde conformatie, vormen een transmembraanporie en worden in de lipidelaag van het membraan ‘genaaid’. Een kanaaleiwitcomplex kan bestaan ​​uit één eiwitmolecuul of uit meerdere eiwitsubeenheden, identiek of verschillend qua structuur. Deze subeenheden kunnen door verschillende genen worden gecodeerd, afzonderlijk op ribosomen worden gesynthetiseerd en vervolgens tot een compleet kanaal worden samengevoegd. Domeinen zijn individuele, compact gevormde delen van een kanaaleiwit of subeenheden. Segmenten zijn delen van een kanaalvormend eiwit die opgerold zijn en het membraan hechten. Bijna alle IC's bevatten hun subeenheden regelgevende domeinen, in staat zich te binden aan verschillende controlestoffen (regulerende moleculen) en daardoor de toestand of eigenschappen van het kanaal te veranderen. Bij spanningsgeactiveerde IR bevat een van de transmembraansegmenten een speciale set aminozuren met positieve lading en werkt als elektrische potentiaalsensor membranen. IC kan ook omvatten accessoire subeenheden, het uitvoeren van modulerende, structurele of stabiliserende functies. Eén klasse van dergelijke subeenheden is intracellulair en bevindt zich volledig in het cytoplasma, en de tweede is membraangebonden ze hebben transmembraandomeinen die het membraan overspannen.

Eigenschappen van ionkanalen:

Selectiviteit - dit is een selectieve verhoogde permeabiliteit van IR voor bepaalde ionen. Voor andere ionen is de permeabiliteit verminderd. Deze selectiviteit wordt bepaald selectief filteren- het smalste punt van de kanaalporie. Het filter kan, naast zijn smalle afmetingen, ook een lokale elektrische lading hebben. Kationselectieve kanalen hebben bijvoorbeeld gewoonlijk negatief geladen aminozuurresiduen in het eiwitmolecuul in hun selectieve filtergebied, die positieve kationen aantrekken en negatieve anionen afstoten, waardoor ze niet door de porie kunnen gaan.

Gecontroleerde doorlaatbaarheid -- dit is het vermogen om te openen of te sluiten onder bepaalde controle-invloeden op het kanaal.

Inactivatie - dit is het vermogen van een ionenkanaal, enige tijd na de opening ervan, om zijn permeabiliteit automatisch te verminderen, zelfs in het geval dat de activerende factor die het kanaal heeft geopend blijft werken.

Slot - dit is het vermogen van een ionkanaal om, onder invloed van blokkerende stoffen, een van zijn toestanden te fixeren en niet te reageren op gewone controle-invloeden. De verstopping wordt veroorzaakt door blokkerende stoffen, die antagonisten, blokkers of lytica kunnen worden genoemd.

Plastic is het vermogen van een ionkanaal om zijn eigenschappen, zijn kenmerken, te veranderen. Het meest voorkomende mechanisme dat voor plasticiteit zorgt is fosforylering aminozuren geleiden eiwitten van de binnenkant van het membraan door enzymen - eiwitkinasen.

Ionenkanalen werken:

Ligand-gated ionenkanalen

Deze kanalen gaan open wanneer een zender zich bindt aan hun buitenste receptorplaatsen en hun conformatie verandert. Wanneer ze opengaan, laten ze ionen binnen, waardoor de membraanpotentiaal verandert. Ligand-gated kanalen zijn vrijwel ongevoelig voor veranderingen in membraanpotentiaal. Ze genereren een elektrisch potentieel, waarvan de sterkte afhangt van de hoeveelheid zender die de synaptische spleet binnengaat en de tijd dat deze daar blijft.

Spanningsafhankelijke ionkanalen

Deze kanalen zijn verantwoordelijk voor de voortplanting van actiepotentialen en openen en sluiten als reactie op veranderingen in het membraanpotentieel. Bijvoorbeeld natriumkanalen. Als de membraanpotentiaal op het rustpotentiaal wordt gehouden, zijn de natriumkanalen gesloten en is er geen natriumstroom. Als de membraanpotentiaal in positieve richting verschuift, zullen de natriumkanalen openen en zullen natriumionen de cel binnenkomen langs een concentratiegradiënt. 0,5 ms nadat de nieuwe membraanpotentiaal is vastgesteld, zal deze natriumstroom een ​​maximum bereiken. En na een paar milliseconden zakt het naar bijna nul. Dit betekent dat de kanalen na enige tijd sluiten als gevolg van inactivatie, zelfs als het celmembraan gedepolariseerd blijft. Maar nadat ze gesloten zijn, verschillen ze van de toestand waarin ze zich bevonden voordat ze opengingen; nu kunnen ze niet meer openen als reactie op de depolarisatie van het membraan, dat wil zeggen dat ze worden geïnactiveerd. Ze blijven in deze toestand totdat de membraanpotentiaal terugkeert naar de oorspronkelijke waarde en een herstelperiode van enkele milliseconden is verstreken.

12. Ionenkanalen...

Een ionkanaal bestaat uit verschillende subeenheden; hun aantal in een individueel ionkanaal varieert van 3 tot 12 subeenheden. In termen van hun organisatie kunnen de subeenheden in het kanaal homoloog zijn (van hetzelfde type); een aantal kanalen wordt gevormd door subeenheden van verschillende typen.

Elk van de subeenheden bestaat uit verschillende (drie of meer) transmembraansegmenten (niet-polaire delen gedraaid in α-helices), extra- en intracellulaire lussen en terminale secties van domeinen (weergegeven door de polaire gebieden van de moleculen die het domein vormen en uitsteken voorbij de bilipidelaag van het membraan).

Elk van de transmembraansegmenten, extra- en intracellulaire lussen en terminale secties van domeinen vervult zijn eigen functie.

Transmembraansegment 2, georganiseerd in de vorm van een a-helix, bepaalt dus de selectiviteit van het kanaal.

De terminale secties van het domein fungeren als sensoren voor extra- en intracellulaire liganden, en een van de transmembraansegmenten speelt de rol van een spanningsafhankelijke sensor.

De derde transmembraansegmenten in de subeenheid zijn verantwoordelijk voor de werking van het poortkanaalsysteem, enz.

Ionenkanalen werken volgens het mechanisme van gefaciliteerde diffusie. De beweging van ionen erdoorheen wanneer de kanalen worden geactiveerd, volgt een concentratiegradiënt. De bewegingssnelheid door het membraan is 10 ionen per seconde.

Specificiteit van ionkanalen.

De meeste zijn selectief, d.w.z. kanalen die slechts één type ion doorlaten (natriumkanalen, kaliumkanalen, calciumkanalen, anionkanalen).

Kanaalselectiviteit.

De selectiviteit van het kanaal wordt bepaald door de aanwezigheid van een selectief filter.

Zijn rol wordt gespeeld door het eerste deel van het kanaal, dat een bepaalde lading, configuratie en grootte (diameter) heeft, waardoor alleen een bepaald type ionen het kanaal binnen kan gaan.

Sommige ionkanalen zijn niet-selectief, zoals lekkanalen. Dit zijn membraankanalen waardoor K+-ionen de cel in rust verlaten langs een concentratiegradiënt, maar via deze kanalen komt ook een kleine hoeveelheid Na+-ionen de cel in rust binnen langs een concentratiegradiënt.

Ionenkanaalsensor.

De ionkanaalsensor is het gevoelige deel van het kanaal dat signalen waarneemt, waarvan de aard kan verschillen.

Op basis hiervan worden de volgende onderscheiden:

spanningsafhankelijke ionkanalen;

receptor-gated ionkanalen;

ligand-afhankelijk (ligand-afhankelijk);

mechanisch geregeld (mechanisch afhankelijk).

Kanalen met een sensor worden gecontroleerd genoemd. Sommige kanalen hebben geen sensor. Dergelijke kanalen worden oncontroleerbaar genoemd.

Ionenkanaalpoortsysteem.

Het kanaal heeft een poort die gesloten is in rust en opent wanneer hij wordt blootgesteld aan een signaal. Sommige kanalen hebben twee soorten poorten: activering (m-gate) en inactivatie (h-gate).

Er zijn drie toestanden van ionkanalen:

een rusttoestand wanneer de poort gesloten is en het kanaal ontoegankelijk is voor ionen;

activeringstoestand wanneer het poortsysteem open is en ionen door het membraan langs het kanaal bewegen;

een staat van inactivatie wanneer het kanaal gesloten is en niet reageert op stimuli.

Geleidingssnelheid (geleiding).

Er zijn snelle en langzame kanalen. ‘Lekkage’-kanalen zijn langzaam, natriumkanalen in neuronen zijn snel.

Het membraan van elke cel bevat een groot aantal verschillende (in termen van snelheid) ionkanalen, waarvan de activering de functionele toestand van de cellen bepaalt.

Spanningsgestuurde kanalen.

Het spanningsgestuurde kanaal bestaat uit:

poriën gevuld met water;

• selectief filter;

  activerings- en inactivatiepoorten;

  spanningssensor.

De diameter van het kanaal is aanzienlijk groter dan de diameter van het ion; in de selectieve filterzone versmalt het tot atomaire afmetingen, dit zorgt ervoor dat dit gedeelte van het kanaal de functie van een selectief filter vervult.

Het openen en sluiten van het poortmechanisme vindt plaats wanneer de membraanpotentiaal verandert, waarbij de poort opent op één waarde van de membraanpotentiaal en sluit op een ander niveau van membraanpotentiaal.

Er wordt aangenomen dat veranderingen in het elektrische veld van het membraan worden waargenomen door een speciaal gedeelte van de kanaalwand, dat een spanningssensor wordt genoemd.

Een verandering in de toestand ervan, veroorzaakt door een verandering in het niveau van de membraanpotentiaal, veroorzaakt de conformatie van de eiwitmoleculen die het kanaal vormen en leidt als gevolg daarvan tot het openen of sluiten van de poort van het ionenkanaal.

Kanalen (natrium, calcium, kalium) hebben vier homologe domeinen - subeenheden (I, II, III, IV). Het domein (aan de hand van het voorbeeld van natriumkanalen) bestaat uit zes transmembraansegmenten georganiseerd in de vorm van α-helices, die elk een andere rol spelen.

Transmembraansegment 5 speelt dus de rol van een porie, transmembraansegment 4 is een sensor die reageert op veranderingen in de membraanpotentiaal, andere transmembraansegmenten zijn verantwoordelijk voor de activering en inactivatie van het poortsysteem van het kanaal. De rol van individuele transmembraansegmenten en subeenheden wordt niet volledig begrepen.

Natriumkanalen (inwendige diameter 0,55 nm) zijn aanwezig in cellen van prikkelbare weefsels. De dichtheid per 1 micron 2 is niet hetzelfde in verschillende weefsels.

In niet-gemyeliniseerde zenuwvezels zijn dit dus 50-200 kanalen, en in gemyeliniseerde zenuwvezels (knopen van Ranvier) - 13.000 per membraanoppervlak van 1 µm. In rust zijn ze gesloten. Het membraanpotentiaal is 70-80 mV.

Blootstelling aan een stimulus verandert het membraanpotentiaal en activeert het spanningsafhankelijke natriumkanaal.

Het wordt geactiveerd wanneer het membraanpotentiaal verschuift van het rustpotentiaalniveau naar het kritische depolarisatieniveau.

Een sterke natriumstroom verschuift het membraanpotentiaal naar een kritisch depolarisatieniveau (CDL).

Het veranderen van de membraanpotentiaal naar -50-40 mV, d.w.z. tot het niveau van een kritisch depolarisatieniveau, veroorzaakt de opening van andere spanningsafhankelijke Na + -kanalen, waardoor de binnenkomende natriumstroom wordt uitgevoerd en de "piek" van het actiepotentiaal vormt.

Natriumionen langs de concentratiegradiënt en chemische gradiënt langs het kanaal bewegen de cel binnen en vormen de zogenaamde inkomende natriumstroom, wat leidt tot een verdere snelle ontwikkeling van het depolarisatieproces.

De membraanpotentiaal verandert van teken naar het tegenovergestelde +10-20 mV. Een positief membraanpotentiaal veroorzaakt de sluiting van natriumkanalen, hun inactivatie.

Spanningsafhankelijke No+-kanalen spelen een leidende rol bij de vorming van het actiepotentiaal, d.w.z. excitatieproces in de cel.

Calciumionen belemmeren de opening van spanningsafhankelijke natriumkanalen, waardoor de responsparameters veranderen.

NAAR + -kanalen

Kaliumkanalen (interne diameter 0,30 nm) zijn aanwezig in cytoplasmatische membranen; er is een aanzienlijk aantal kalium-‘lekkanalen’ uit de cel gedetecteerd.

In rust zijn ze open. Via hen, in een rusttoestand, "lekt" kalium uit de cel langs een concentratiegradiënt en een elektrochemische gradiënt.

Dit proces wordt een uitgaande kaliumstroom genoemd, die leidt tot de vorming van een rustmembraanpotentiaal (-70-80 mV). Deze kaliumkanalen kunnen alleen voorwaardelijk worden geclassificeerd als spanningsafhankelijk.

Wanneer de membraanpotentiaal verandert tijdens depolarisatie, wordt de kaliumstroom geïnactiveerd.

Tijdens repolarisatie wordt een inkomende K+ stroom gevormd via spanningsafhankelijke kanalen, die de K+ vertraagde gelijkrichtstroom wordt genoemd.

Een ander type spanningsafhankelijke K+-kanalen. Langs hen verschijnt een snelle uitgaande kaliumstroom in het subdrempelgebied van de membraanpotentiaal (positieve spoorpotentiaal). Inactivatie van het kanaal vindt plaats als gevolg van sporenhyperpolarisatie.

Een ander type spanningsafhankelijke kaliumkanalen wordt pas geactiveerd na voorafgaande hyperpolarisatie; het vormt een snelle voorbijgaande kaliumstroom die snel wordt geïnactiveerd.

Calciumionen vergemakkelijken de opening van spanningsafhankelijke kaliumkanalen, waardoor de responsparameters veranderen.

Ca + -kanalen.

Spanningsafhankelijke kanalen leveren een belangrijke bijdrage aan zowel de regulatie van de calciuminvoer in het cytoplasma als aan de elektrogenese.

De eiwitten die calciumkanalen vormen bestaan ​​uit vijf subeenheden (al,a2,b,g,d).

De hoofdsubeenheid vormt zelf het kanaal en bevat bindingsplaatsen voor verschillende calciumkanaalmodulatoren.

Er zijn verschillende structureel verschillende α-calciumkanaalsubeenheden ontdekt in zenuwcellen van zoogdieren (aangeduid met A, B, C, D en E).

Functioneel verschillen verschillende soorten calciumkanalen van elkaar wat betreft activering, kinetiek, geleiding van één kanaal en farmacologie.

Er zijn maximaal zes typen spanningsafhankelijke calciumkanalen beschreven in cellen (T-, L-, N-, P-, Q-, R-kanalen).

De activiteit van spanningsafhankelijke kanalen in het plasmamembraan wordt gereguleerd door verschillende intracellulaire tweede boodschappers en membraangebonden G-eiwitten.

Spanningsafhankelijke calciumkanalen worden in grote hoeveelheden aangetroffen in de cytoplasmatische membranen van neuronen, myocyten van gladde, dwarsgestreepte en hartspieren, en in de membranen van het endoplasmatisch reticulum.

De SPR Ca2+-kanalen zijn oligomere eiwitten ingebed in het SPR-membraan.

Ca 2+ - gecontroleerd door Sa 2+ - SPR-kanalen.

Deze calciumkanalen werden eerst geïsoleerd uit de skelet- en hartspier.

Het bleek dat de SPR Ca 2+-kanalen in deze spierweefsels moleculaire verschillen hebben en door verschillende genen worden gecodeerd.

Ca 2+ kanalen van de SPR in de hartspieren zijn rechtstreeks verbonden met hoogdrempelige Ca 2+ kanalen van het plasmalemma (L-type) via calciumbindende eiwitten, waardoor een functioneel actieve structuur wordt gevormd - een "triade".

In skeletspieren activeert depolarisatie van het plasmamembraan direct de afgifte van Ca 2+ uit het endoplasmatisch reticulum vanwege het feit dat de Ca 2+ kanalen van het plasmamembraan dienen als spanningsgevoelige zenders van het activeringssignaal rechtstreeks naar het Ca 2 + kanalen van de SPR via bindende eiwitten.

Ca2+-opslagplaatsen in skeletspieren hebben dus een mechanisme voor de afgifte van Ca2+, veroorzaakt door depolarisatie (RyRl-type).

In tegenstelling tot skeletspieren zijn de endoplasmatische Ca 2+-kanalen van hartspiercellen niet verbonden met het plasmalemma, en om de afgifte van Ca 2+ uit de opslag te stimuleren is een verhoging van de concentratie van cytosolisch calcium (RyR2-type) vereist.

Naast deze twee typen Ca 2+-geactiveerde Ca 2h-kanalen is onlangs een derde type Ca 2+-kanalen SPR (type RyR3) geïdentificeerd, dat nog niet voldoende is bestudeerd.

Alle calciumkanalen vertonen langzame activering en langzame inactivatie vergeleken met natriumkanalen.

Wanneer een spiercel depolariseert (uitsteeksels van cytoplasmatische membranen - T-tubuli naderen de membranen van het endoplasmatisch reticulum), vindt een spanningsafhankelijke opening van calciumkanalen van de membranen van het sarcoplasmatisch reticulum plaats.

Omdat enerzijds de calciumconcentratie in de SPR hoog is (calciumdepot) en de calciumconcentratie in het cytoplasma laag is, en anderzijds het oppervlak van het SPR-membraan en de dichtheid van calciumkanalen daarin zijn ze groot, het calciumgehalte in het cytoplasma neemt 100 keer toe.

Deze toename van de calciumconcentratie initieert het proces van myofibrilcontractie.

Calciumkanalen in hartspiercellen bevinden zich in het cytoplasmamembraan en behoren tot de calciumkanalen van het L-type.

Ze worden geactiveerd bij een membraanpotentiaal van +20-40 mV, waardoor een inkomende calciumstroom ontstaat. Ze blijven lange tijd in een geactiveerde toestand en vormen een ‘plateau’ van het actiepotentiaal van de hartspiercel.

Anion kanalen.

Het grootste aantal chloorkanalen in het celmembraan. Er zijn minder chloride-ionen in de cel vergeleken met de intercellulaire omgeving. Daarom komt chloor, wanneer de kanalen opengaan, de cel binnen langs een concentratiegradiënt en een elektrochemische gradiënt.

Het aantal kanalen voor HCO 3 is niet zo groot; het transportvolume van dit anion door de kanalen is aanzienlijk minder.

Ionenwisselaars.

Het membraan bevat ionenwisselaars (transporteiwitten), die de diffusie van ionen vergemakkelijken, d.w.z. versnelde gekoppelde beweging van ionen door het biomembraan langs een concentratiegradiënt; dergelijke processen zijn ATP-onafhankelijk.

De bekendste zijn Na + -H + , K + -H + , Ca 2+ -H + wisselaars, evenals wisselaars die zorgen voor de uitwisseling van kationen voor anionenNa + -HCO- 3, 2CI-Ca 2+ en wisselaars die zorgen voor de uitwisseling van kation tegen kation (Na + -Ca 2+) of anion tegen anion (Cl-HCO3).

Receptor-gated ionkanalen.

Ligand-gated (ligand-afhankelijke) ionkanalen.

Ligand-gated ionkanalen zijn een subtype van receptor-gated kanalen en worden altijd gecombineerd met een receptor voor een biologisch actieve stof (BAS).

De receptoren van de beschouwde kanalen behoren tot het ionotrope type membraanreceptoren, waarvan de interactie met biologisch actieve stoffen (liganden) snelle reacties tot gevolg heeft.

Een ligand-gated ionkanaal bestaat uit:

poriën gevuld met water;

selectief filter;

activeringspoort;

ligandbindingsplaats (receptor). Een zeer energetisch actieve biologisch actieve stof heeft een high

affiniteit (affiniteit) voor een bepaald type receptor. Wanneer ionenkanalen worden geactiveerd, bewegen bepaalde ionen langs een concentratiegradiënt en een elektrochemische gradiënt.

In een membraanreceptor kan de ligandbindingsplaats toegankelijk zijn voor het ligand vanaf het buitenoppervlak van het membraan.

In dit geval fungeren hormonen en parahormonen en ionen als liganden.

Wanneer N-cholinerge receptoren worden geactiveerd, worden dus natriumkanalen geactiveerd.

De calciumpermeabiliteit wordt geïnitieerd door neuronale acetylcholine-gated, glutamaat-gated (NMDA en AMPA/kainaat-type) receptoren en purinereceptoren.

GABAA-receptoren zijn gekoppeld aan chloride-ionkanalen, en glycinereceptoren zijn ook gekoppeld aan chloridekanalen.

In een membraanreceptor kan de ligandbindingsplaats toegankelijk zijn voor liganden vanaf het binnenoppervlak van het membraan.

In dit geval fungeren proteïnekinasen die worden geactiveerd door tweede boodschappers of de tweede boodschappers zelf als liganden.

Proteïnekinasen A, C, G, die kationkanaaleiwitten fosforyleren, veranderen dus hun permeabiliteit.

Mechanisch gestuurde ionkanalen.

Mechanisch gepoorte ionkanalen veranderen hun geleiding in ionen, hetzij door de spanning van de lipidedubbellaag te veranderen, hetzij via het celcytoskelet. Veel mechanisch gecontroleerde kanalen zijn geassocieerd met mechanoreceptoren;

Alle mechanisch bestuurde kanalen zijn verdeeld in twee groepen:

door rek geactiveerde cellen (SAC);

door rek geïnactiveerde cellen (SIC).

Mechanisch gestuurde kanalen hebben alle hoofdkanaalkarakteristieken:

tijd gevuld met water;

poortmechanisme;

reksensor.

Wanneer een kanaal wordt geactiveerd, bewegen ionen langs een concentratiegradiënt.

Natrium, kalium ATPase.

Natrium, kalium ATPase (natrium-kaliumpomp, natrium-kaliumpomp).

Bestaat uit vier transmembraandomeinen: twee α-subeenheden en twee β-subeenheden. De α-subeenheid is het grote domein en de β-subeenheid is het kleine domein. Tijdens ionentransport worden grote subeenheden gefosforyleerd en bewegen ionen er doorheen.

Natrium- en kalium-ATPase speelt een cruciale rol bij het handhaven van de natrium- en kaliumhomeostase in de intra- en extracellulaire omgeving:

handhaaft een hoog K+-niveau en een laag Na+-niveau in de cel;

neemt deel aan de vorming van het rustmembraanpotentiaal en het genereren van actiepotentialen;

zorgt voor Na + gekoppeld transport van de meeste organische stoffen door het membraan (secundair actief transport);

heeft een aanzienlijke invloed op de H2O-homeostase.

Natrium, een kalium-ATPase, levert de belangrijkste bijdrage aan de vorming van ionische asymmetrie in extra- en intracellulaire ruimtes.

De stapsgewijze werking van de natrium- en kaliumpomp zorgt voor een ongelijke uitwisseling van kalium en natrium over het membraan.

Ca + -ATPase (pomp).

Er zijn twee families Ca 2+-pompen die verantwoordelijk zijn voor de verwijdering van Ca 2+-ionen uit het cytoplasma: Ca 2+-pompen van het plasmalemma en Ca 2+-pompen van het endoplasmatisch reticulum.

Hoewel ze tot dezelfde familie van eiwitten behoren (de zogenaamde P-klasse ATPasen), vertonen deze pompen enkele verschillen in structuur, functionele activiteit en farmacologie.

Wordt in grote hoeveelheden aangetroffen in het cytoplasmamembraan. In het cytoplasma van de cel in rust is de calciumconcentratie 10-7 mol/l, en buiten de cel is deze veel hoger: 10-3 mol/l.

Een dergelijk significant verschil in concentraties wordt gehandhaafd dankzij het werk van het cytoplasmatische Ca++-ATPase.

De activiteit van de plasmamembraan Ca 2+ pomp wordt direct geregeld door Ca 2+: een verhoging van de concentratie vrij calcium in het cytosol activeert de Ca 2+ pomp.

In rust is er vrijwel geen diffusie via calciumionenkanalen.

Ca-ATPase transporteert Ca van de cel naar de extracellulaire omgeving tegen de concentratiegradiënt in. Langs een gradiënt komt Ca+ de cel binnen door diffusie door ionkanalen.

Het membraan van het endoplasmatisch reticulum bevat ook een grote hoeveelheid Ca++-ATPase.

De endoplasmatisch reticulum calciumpomp (SERCA) zorgt voor de verwijdering van calcium uit het cytosol naar het endoplasmatisch reticulum - een calcium “depot” als gevolg van primair actief transport.

In het depot bindt calcium zich aan calciumbindende eiwitten (calsequestrine, calreticuline, enz.).

Er zijn nu ten minste drie verschillende isovormen van SERCA-pompen beschreven.

SERCA1-subtypes zijn uitsluitend geconcentreerd in snelle skeletspieren; SERCA2-pompen zijn wijd verspreid in andere weefsels. De betekenis van SERCA3-pompen is minder duidelijk.

SERCA2-eiwitten zijn onderverdeeld in twee verschillende isovormen: SERCA2a, kenmerkend voor hartspiercellen en gladde spieren, en SERCA2b, kenmerkend voor hersenweefsel.

Een toename van cytosolisch Ca2+ activeert de opname van calciumionen in het endoplasmatisch reticulum, terwijl een toename van vrij calcium in het endoplasmatisch reticulum de SERCA-pompen remt.

H+ K+ -ATPase (pomp).

Met behulp van deze pomp (als gevolg van de hydrolyse van één ATP-molecuul) worden tijdens de hydrolyse van één molecuul in de cel twee kaliumionen vanuit de extracellulaire ruimte de cel in getransporteerd en twee H+-ionen vanuit het cytosol naar de extracellulaire ruimte. pariëtale cellen van het maagslijmvlies. Dit mechanisme ligt ten grondslag aan de vorming van zoutzuur in de maag.

IonenpompklasseF.

Mitochondriale ATPase. Katalyseert de laatste fase van de ATP-synthese. Mitochondriale crypten bevatten ATP-synthase, dat oxidatie in de Krebs-cyclus en fosforylering van ADP tot ATP koppelt.

IonenpompklasseV.

Lysosomale H + -ATPasen (lysosomale protonpompen) - protonpompen die zorgen voor transport van H + van het cytosol naar een aantal organellen - lysosomen, Golgi-apparaat, secretoire blaasjes. Hierdoor daalt de pH-waarde in bijvoorbeeld lysosomen naar 5,0, wat de activiteit van deze structuren optimaliseert.

Kenmerken van ionentransport

1. Significant en asymmetrisch transmembraan! gradiënt voor Na + en K + in rust.

Natrium buiten de cel (145 mmol/l) is 10 keer meer dan in de cel (14 mmol/l).

Er zit ongeveer 30 keer meer kalium in de cel (140 mmol/l) dan buiten de cel (4 mmol/l).

Dit kenmerk van de verdeling van natrium- en kaliumionen:

homeostatisch door het werk van Na + /K + -nacoca;

vormt in rust een uitgaande kaliumstroom (lekkanaal);

vormt rustpotentieel;

het werk van alle kaliumkanalen (spanningsafhankelijk, calciumafhankelijk, ligandafhankelijk) is gericht op de vorming van een uitgaande kaliumstroom.

Dit brengt óf de toestand van het membraan terug naar zijn oorspronkelijke niveau (activering van spanningsafhankelijke kanalen tijdens de repolarisatiefase), óf hyperpolariseert het membraan (calciumafhankelijke, ligandafhankelijke kanalen, inclusief die geactiveerd door tweede messenger-systemen).

Houd er rekening mee dat:

de beweging van kalium door het membraan wordt uitgevoerd door passief transport;

de vorming van excitatie (actiepotentiaal) is altijd te wijten aan de binnenkomende natriumstroom;

activering van een natriumkanaal veroorzaakt altijd een inwaartse natriumstroom;

de beweging van natrium over het membraan wordt bijna altijd uitgevoerd door passief transport;

in epitheelcellen die de wanden vormen van verschillende buizen en holtes in weefsels (dunne darm, nefrontubuli, enz.), in het buitenmembraan is er altijd een groot aantal natriumkanalen die bij activering voor een inkomende natriumstroom zorgen, en in de epitheelcellen In het basaalmembraan bevinden zich een groot aantal natrium- en kaliumpompen die natrium uit de cel pompen. Deze asymmetrische verdeling van deze transportsystemen voor natrium zorgt voor het transcellulaire transport ervan, d.w.z.

vanuit het darmlumen, niertubuli naar de interne omgeving van het lichaam;

passief transport van natrium naar de cel langs een elektrochemische gradiënt leidt tot de accumulatie van energie, die wordt gebruikt voor secundair actief transport van veel stoffen.

2. Laag calciumgehalte in het cytosol van de cel.

In de cel in rust is het calciumgehalte (50 nmol/l) 5000 keer lager dan buiten de cel (2,5 mmol/l).

Een dergelijk laag calciumgehalte in het cytosol is niet toevallig, aangezien calcium in concentraties die 10-100 keer hoger zijn dan de oorspronkelijke concentratie, fungeert als een tweede intracellulaire boodschapper bij de implementatie van het signaal.

De vorming van calciumfluxen, die optreedt als gevolg van het openen van kanalen, zorgt voor een fysiologisch significante toename van de calciumconcentratie in het cytosol.

Het lage calciumniveau in het cytosol van de cel wordt in stand gehouden door Ca2+-ATPase, Na+/Ca2+-uitwisselaars en calciumbindende eiwitten van het cytosol.

Naast de snelle binding van cytosolisch Ca 2+ door intracellulaire Ca 2+-bindende eiwitten, kunnen calciumionen die het cytosol binnenkomen, worden geaccumuleerd door het Golgi-apparaat of de celkern en worden opgevangen door mitochondriale Ca 2+-opslagplaatsen.

3. Laag chloorgehalte in de kooi.

In de cel in rust is het chloorgehalte (8 mmol/l) ruim 10 keer lager dan buiten de cel (110 mmol/l).

Deze toestand wordt in stand gehouden door het werk van de K+/Cl-transporter.

De verandering in de functionele toestand van de cel gaat gepaard (of wordt veroorzaakt) met een verandering in de permeabiliteit van het membraan voor chloor. Wanneer spannings- en ligandafhankelijke chloorkanalen worden geactiveerd, komt het ion via passief transport het cytosol binnen.

Bovendien wordt het binnendringen van chloor in het cytosol gevormd door de Na+/K+/2CH-cotransporter en de CH-HCO3-uitwisselaar.

Het binnendringen van chloor in de cel verhoogt de polariteit van het membraan tot aan hyperpolarisatie.

Kenmerken van ionentransport spelen een fundamentele rol bij de vorming van bio-elektrische verschijnselen in organen en weefsels die informatie coderen en de functionele toestand van deze structuren en hun overgang van de ene functionele toestand naar de andere bepalen.