Structuur en functies van het membraan, ionkanalen en hun functies, ionengradiënten. Ionenkanaal

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.

Ionenkanaal poortsysteem.

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.

Za + -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.

Za 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.

De Ca 2+-voorraden van skeletspieren hebben dus een mechanisme voor de afgifte van Ca 2+, 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.

Za + -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 Ca 2+ 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 tot 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 buisjes en holtes in weefsels (dunne darm, nefrontubuli, etc.), in het buitenmembraan is er altijd een groot aantal natriumkanalen die bij activering zorgen voor een binnenkomende natriumstroom, en in de 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.

Onder dergelijke omstandigheden is een snelle toename van calcium in het cytosol mogelijk als gevolg van de activering van calciumkanalen (gefaciliteerde diffusie), die in grote hoeveelheden aanwezig zijn in het cytoplasmatisch membraan en in het membraan van het endoplasmatisch reticulum (het endoplasmatisch reticulum is het “depot” van calcium in de cel).

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 maal 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.

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, de functionele toestand van deze structuren bepalen, hun overgang van de ene functionele toestand naar de andere.

selectief(doorlaatbaar voor slechts één type ion). Door de aard van de ionen die ze door de Na+, Ca++, Cl-, K+ kanalen passeren;

niet-selectief(doorlaatbaar voor verschillende soorten ionen);

2) Volgens de reguleringsmethode zijn ze onderverdeeld in:

spanning afhankelijk(elektrisch prikkelbaar, potentiaalgestuurd)

Potentieel onafhankelijk(chemo-exciteerbaar, (ligand-receptor-afhankelijk), chemo-gecontroleerd)

Mechanisch prikkelbaar(mechanisch bestuurd).

Rust en actiepotentiaal. Membraanionentheorie van de oorsprong van het rust- en actiepotentiaal. Lokale en spreidende excitatie.

Er is vastgesteld dat het membraan van elke levende cel gepolariseerd is, het binnenoppervlak is elektronegatief ten opzichte van het buitenoppervlak. Het membraanpotentiaal is - (minus) 70 - (90) mV. Bij opwinding neemt de waarde van het initiële rustpotentiaal af naarmate het membraan wordt opgeladen. De vorming en instandhouding van het rustpotentiaal is te wijten aan de voortdurende beweging van ionen door de ionenkanalen van het membraan, het voortdurend bestaande verschil in de concentraties van kationen aan beide zijden van het membraan en de continue werking van de natrium-kaliumpomp. . Door de constante verwijdering van natriumionen uit de cel en de actieve overdracht van kaliumionen naar de cel, blijven het verschil in ionenconcentraties en membraanpolarisatie behouden. De concentratie kaliumionen in de cel overschrijdt de extracellulaire concentratie 30 - 40 keer, de extracellulaire natriumconcentratie is ongeveer een orde van grootte hoger dan de intracellulaire concentratie. De elektronegativiteit van het binnenoppervlak van het membraan is te wijten aan de aanwezigheid in de cel van een overmaat aan anionen van organische verbindingen; de absolute waarde van het rustpotentiaal (membraanpotentiaal, transmembraanpotentiaal, evenwichtskaliumpotentiaal) wordt voornamelijk bepaald door de verhouding van intra- en extracellulaire concentraties van kaliumionen en wordt op bevredigende wijze beschreven door de vergelijking Nernsta: (1)

De moderne theorie houdt ook rekening met:

1) het verschil in de concentraties van natrium-, chloor- en calciumionen;

2) permeabiliteit (P) van het membraan voor elk ion op het huidige tijdstip.

De aanwezigheid van een rustpotentiaal zorgt ervoor dat een cel vrijwel onmiddellijk na de actie van een stimulus van een staat van functionele rust naar een staat van excitatie kan gaan.

Het optreden van een actiepotentiaal (depolarisatie)

I – membraanpotentieel

1 - rustpotentiaal, 2 - langzame depolarisatie, 3 - snelle depolarisatie, 4 - snelle repolarisatie, 5 - langzame repolarisatie, 6 - hyperpolarisatie

II - prikkelbaarheid

a – normaal, b – verhoogd, c – absolute vuurvastheid,

d – relatieve vuurvastheid, d – supernormaliteit,

e -subnormaliteit

Het actiepotentiaal (AP) ontwikkelt zich in aanwezigheid van initiële membraanpolarisatie (rustpotentiaal) als gevolg van veranderingen in de permeabiliteit van ionkanalen (natrium en kalium). Na de actie van een stimulus neemt het rustpotentieel af, activering van kanalen verhoogt hun permeabiliteit voor ionen natrium, dat de cel binnendringt en zorgt voor het depolarisatieproces. Het binnendringen van natriumionen in de cel vermindert de elektronegativiteit van het binnenoppervlak van het membraan, wat de activering van nieuwe natriumionenkanalen en de verdere binnenkomst van natriumionen in de cel bevordert. Krachten aan het werk:

a) elektrostatische aantrekking van intracellulaire anionische groepen;

b) concentratiegradiënt van natriumionen die de cel in worden gericht.

De piek van het actiepotentiaal is het gevolg van het evenwicht van de binnenkomst van natriumionen in de cel en hun gelijke verwijdering onder invloed van afstotende krachten van vergelijkbaar geladen ionen.

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 de 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 potentiaalgevoelige 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 fosforylatie/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.

Het exciteerbare membraanmodel volgens de Hodgkin-Huxley-theorie gaat uit van het gecontroleerde transport van ionen door het membraan. De directe passage van een ion door de lipidedubbellaag is echter erg moeilijk, en daarom zou de ionenstroom klein zijn.

Dit en een aantal andere overwegingen gaven reden om aan te nemen dat het membraan een aantal speciale structuren moest bevatten: geleidende ionen. Dergelijke structuren werden gevonden en werden ionkanalen genoemd. Soortgelijke kanalen zijn geïsoleerd uit verschillende objecten: het plasmamembraan van cellen, het postsynaptische membraan van spiercellen en andere objecten. Ook zijn door antibiotica gevormde ionenkanalen bekend.

Basiseigenschappen van ionkanalen:

1) selectiviteit;

2) onafhankelijkheid van de werking van individuele kanalen;

3) discrete aard van geleidbaarheid;

4) afhankelijkheid van kanaalparameters van membraanpotentiaal.

Laten we ze in volgorde bekijken.

1. Selectiviteit is het vermogen van ionenkanalen om selectief ionen van één type door te laten.

Zelfs bij de eerste experimenten met het axon van de inktvis werd ontdekt dat Na+- en Kt-ionen verschillende effecten hebben op de membraanpotentiaal. K+-ionen veranderen de rustpotentiaal, en Na+-ionen veranderen de actiepotentiaal. Het Hodgkin-Huxley-model beschrijft dit door onafhankelijke kalium- en natriumionenkanalen te introduceren. Er werd aangenomen dat de eerste alleen K+-ionen doorlaten, en de laatste alleen Na+-ionen.

Metingen hebben aangetoond dat ionenkanalen absolute selectiviteit hebben ten opzichte van kationen (kation-selectieve kanalen) of anionen (anion-selectieve kanalen). Tegelijkertijd kunnen verschillende kationen van verschillende chemische elementen door kationselectieve kanalen gaan, maar de geleidbaarheid van het membraan voor het kleine ion, en dus de stroom erdoorheen, zal aanzienlijk lager zijn, bijvoorbeeld voor het Na + -kanaal , zal de kaliumstroom erdoorheen 20 keer minder zijn. Het vermogen van een ionenkanaal om verschillende ionen door te laten, wordt relatieve selectiviteit genoemd en wordt gekenmerkt door een selectiviteitsreeks: de verhouding van kanaalgeleidingen voor verschillende ionen bij dezelfde concentratie. In dit geval wordt voor het hoofdion de selectiviteit op 1 gesteld. Voor het Na+-kanaal heeft deze reeks bijvoorbeeld de vorm:

Na+: K+ = 1: 0,05.

2. Onafhankelijkheid van de werking van individuele kanalen. De stroom van stroom door een individueel ionenkanaal is onafhankelijk van het feit of er stroom door andere kanalen vloeit. K+ kanalen kunnen bijvoorbeeld wel aan of uit worden gezet, maar de stroom door de Na+ kanalen verandert niet. De invloed van kanalen op elkaar vindt indirect plaats: een verandering in de permeabiliteit van sommige kanalen (bijvoorbeeld natrium) verandert de membraanpotentiaal, en dit heeft al invloed op de geleidbaarheid van andere ionenkanalen.

3. Discrete aard van de geleidbaarheid van ionkanalen. Ionenkanalen zijn een subeenheidcomplex van eiwitten die het membraan overspannen. In het midden bevindt zich een buis waardoor ionen kunnen passeren. Het aantal ionenkanalen per membraanoppervlak van 1 μm2 werd bepaald met behulp van een radioactief gelabelde natriumkanaalblokker - tetrodotoxine. Het is bekend dat één TTX-molecuul zich aan slechts één kanaal bindt. Door vervolgens de radioactiviteit van een monster met een bekend oppervlak te meten, kon worden aangetoond dat er ongeveer 500 natriumkanalen per inktvisaxon van 1 µm2 zijn.

Die transmembraanstromen die worden gemeten in conventionele experimenten, bijvoorbeeld op een inktvisaxon van 1 cm lang en 1 mm in diameter, dat wil zeggen een gebied van 3 * 10,7 μm 2, zijn te wijten aan de totale respons (verandering in geleidbaarheid) van 500 3 10 7 -10 10 ionkanalen. Deze respons wordt gekenmerkt door een soepele verandering in de geleidbaarheid in de loop van de tijd. De respons van een enkel ionkanaal verandert in de loop van de tijd op een fundamenteel andere manier: discreet voor Na+-kanalen, en voor K+-, en voor Ca 2+-kanalen.

Dit werd voor het eerst ontdekt in 1962 in onderzoeken naar de geleidbaarheid van lipide dubbellaagse membranen (BLM's) toen microhoeveelheden van een bepaalde excitatie-inducerende stof werden toegevoegd aan de oplossing rond het membraan. Er werd een constante spanning op de BLM aangelegd en de stroom I(t) werd geregistreerd. De stroom werd in de loop van de tijd geregistreerd in de vorm van sprongen tussen twee geleidende toestanden.

Een van de effectieve methoden voor experimenteel onderzoek van ionkanalen was de methode voor lokale fixatie van membraanpotentiaal (“Patch Clamp”), ontwikkeld in de jaren 80 (Fig. 10).

Rijst. 10. Methode voor lokale fixatie van membraanpotentiaal. ME - micro-elektrode, IR - ionenkanaal, M - celmembraan, SFP - potentiaalklemcircuit, I - stroom met één kanaal

De essentie van de methode is dat de ME-micro-elektrode (Fig. 10), met een dun uiteinde met een diameter van 0,5-1 μm, aan het membraan wordt gezogen zodat het ionenkanaal zijn binnendiameter binnendringt. Vervolgens is het met behulp van een potentiaalklemcircuit mogelijk om stromen te meten die slechts door één enkel kanaal van het membraan gaan, en niet door alle kanalen tegelijk, zoals gebeurt bij gebruik van de standaard potentiaalklemmethode.

De resultaten van experimenten uitgevoerd op verschillende ionenkanalen toonden aan dat de geleidbaarheid van een ionenkanaal discreet is en zich in twee toestanden kan bevinden: open of gesloten. Overgangen tussen staten vinden op willekeurige tijdstippen plaats en gehoorzamen aan statistische wetten. Er kan niet worden gezegd dat een bepaald ionenkanaal precies op dit moment zal openen. Je kunt alleen een uitspraak doen over de waarschijnlijkheid dat een kanaal binnen een bepaald tijdsinterval wordt geopend.

4. Afhankelijkheid van kanaalparameters van membraanpotentiaal. Zenuwvezelionkanalen zijn gevoelig voor membraanpotentiaal, zoals de natrium- en kaliumkanalen van het inktvisaxon. Dit komt tot uiting in het feit dat na het begin van de membraandepolarisatie de overeenkomstige stromen beginnen te veranderen met een of andere kinetiek. Dit proces vindt als volgt plaats: het ionenselectieve kanaal heeft een sensor - een onderdeel van het ontwerp dat gevoelig is voor de werking van het elektrische veld (Fig. 11). Wanneer het membraanpotentiaal verandert, verandert de grootte van de kracht die erop inwerkt, met als gevolg dat dit deel van het ionenkanaal beweegt en de waarschijnlijkheid verandert dat de poort wordt geopend of gesloten - een soort demper die werkt volgens de 'alles of niets'. niets” wet. Experimenteel is aangetoond dat onder invloed van membraandepolarisatie de kans toeneemt dat het natriumkanaal overgaat naar de geleidende toestand. De spanningsstoot over het membraan die ontstaat tijdens potentiaaltangmetingen zorgt ervoor dat een groot aantal kanalen opengaat. Er gaan meer ladingen doorheen, wat betekent dat er gemiddeld meer stroom vloeit. Het is belangrijk dat het proces van het vergroten van de kanaalgeleiding wordt bepaald door een toename van de waarschijnlijkheid dat het kanaal overgaat naar een open toestand, en niet door een toename van de diameter van het open kanaal. Dit is het moderne begrip van het mechanisme van stroomdoorgang door een enkel kanaal.

Gladde kinetische curven van stromen geregistreerd tijdens elektrische metingen op grote membranen worden verkregen door de optelling van vele stapsgewijze stromen die door individuele kanalen stromen. Hun sommatie, zoals hierboven weergegeven, vermindert de fluctuaties scherp en geeft een tamelijk gelijkmatige tijdsafhankelijkheid van de transmembraanstroom.

Ionenkanalen kunnen ook gevoelig zijn voor andere fysieke invloeden: mechanische vervorming, binding van chemicaliën, enz. In dit geval vormen ze de structurele basis van respectievelijk mechanoreceptoren, chemoreceptoren, enz.

De studie van ionkanalen in membranen is een van de belangrijke taken van de moderne biofysica.

Structuur van het ionkanaal.

Het ionselectieve kanaal bestaat uit de volgende delen (Fig. 11): ondergedompeld in de dubbellaag van het eiwitdeel, dat een subeenheidstructuur heeft; een selectief filter gevormd door negatief geladen zuurstofatomen, die star op een bepaalde afstand van elkaar zijn geplaatst en ionen met een bepaalde diameter doorlaten; poort deel.

De poort van het ionenkanaal wordt bestuurd door de membraanpotentiaal en kan zich in een gesloten toestand (stippellijn) of een open toestand (ononderbroken lijn) bevinden. De normale positie van de natriumkanaalpoort is gesloten. Onder invloed van een elektrisch veld neemt de waarschijnlijkheid van een open toestand toe, gaat de poort open en kan de stroom gehydrateerde ionen door het selectieve filter gaan.

Als het ion in diameter past, werpt het zijn hydratatieschil af en springt naar de andere kant van het ionenkanaal. Als het ion een te grote diameter heeft, zoals tetraethylammonium, kan het niet door het filter passen en het membraan niet passeren. Als het ion daarentegen te klein is, heeft het problemen met het selectieve filter, dit keer geassocieerd met de moeilijkheid om de hydratatieschil van het ion af te werpen.

Ionenkanaalblokkers kunnen er ofwel niet doorheen, waardoor ze vast komen te zitten in het filter, of, als het grote moleculen zijn zoals TTX, passen ze sterisch bij een ingang naar het kanaal. Omdat blokkers een positieve lading hebben, wordt hun geladen deel als een gewoon kation in het kanaal naar het selectieve filter getrokken, en het macromolecuul verstopt het.

Veranderingen in de elektrische eigenschappen van exciteerbare biomembranen worden dus uitgevoerd met behulp van ionkanalen. Dit zijn eiwitmacromoleculen die de lipidedubbellaag binnendringen en in verschillende afzonderlijke toestanden kunnen voorkomen. De eigenschappen van kanalen die selectief zijn voor K+-, Na+- en Ca 2+-ionen kunnen verschillend afhangen van de membraanpotentiaal, die de dynamiek van de actiepotentiaal in het membraan bepaalt, evenals de verschillen in dergelijke potentiëlen in de membranen van verschillende cellen. .

Rijst. 11. Diagram in dwarsdoorsnede van de structuur van het natriumionkanaal van het membraan

Feedback.

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.

Ionenkanaal poortsysteem.

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.

Za + -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.

Za 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.

De Ca 2+-voorraden van skeletspieren hebben dus een mechanisme voor de afgifte van Ca 2+, 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.

Za + -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 Ca 2+ 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 tot 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 buisjes en holtes in weefsels (dunne darm, nefrontubuli, etc.), in het buitenmembraan is er altijd een groot aantal natriumkanalen die bij activering zorgen voor een binnenkomende natriumstroom, en in de 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.

Onder dergelijke omstandigheden is een snelle toename van calcium in het cytosol mogelijk als gevolg van de activering van calciumkanalen (gefaciliteerde diffusie), die in grote hoeveelheden aanwezig zijn in het cytoplasmatisch membraan en in het membraan van het endoplasmatisch reticulum (het endoplasmatisch reticulum is het “depot” van calcium in de cel).

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 maal 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.

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, de functionele toestand van deze structuren bepalen, hun overgang van de ene functionele toestand naar de andere.