Structurele en functionele organisatie van ionkanalen. Ionenkanalen, hun structuur

Korte beschrijving:

Sazonov V.F. Membraanionenkanalen [ Elektronische hulpbron] // Kinesioloog, 2009-2017: [website]. Updatedatum: 31-01-2017..__.201_). _Beoordeling van membraanionkanalen. Definitie van " ionenkanalen

", hun structuur, eigenschappen, functies, functionele toestanden, functionele classificatie.

Invoering Ionenkanalen (IC) van het celmembraan zijn van groot belang voor het celleven. Ze zorgen voor de uitwisseling van cellen met omgeving

substantie, energie en informatie, ze starten en ondersteunen de processen van excitatie en remming in het zenuwstelsel en de spieren; zij zijn het (samen met andere moleculaire receptoren) die ervoor zorgen dat de cel externe signalen waarneemt. Met behulp van IR worden stuursignalen vanuit de omgeving de cel in gestuurd. Het is de IR die zorgt voor synaptische overdracht van excitatie van een opgewonden neuron naar andere cellen. Samenvattend kunnen we zeggen dat bijna alle belangrijkste fysiologische processen in het lichaam beginnen met ionkanalen en daardoor worden ondersteund!

Definitie van het concept Membraan-ionenkanalen - dit zijn kleine eiwitbuisjes met verschillende diameters die in het celmembraan worden ingebracht waardoor ionen de cel in of uit kunnen gaan. De beweging van ionen door ionenkanalen leidt tot veranderingen in de concentratie van ionen binnen en buiten de cel, evenals tot veranderingen in de elektrische potentiaal van het membraan. Beweging van calciumionen in de cel via calciumkanalen

veroorzaakt daarin verschillende interne biochemische processen. Er zijn veel soorten ionkanalen. © 2014-2017 Sazonov V.F. © 2014-2016 kineziolog.bodhy.ru.. Celmembraan ionenkanaal

Ionkanalen (IC) zijn dus complexe transmembraaneiwitstructuren die kruiselings het celmembraan binnendringen in de vorm van verschillende lussen en een doorgaand gat (porie) in het membraan vormen. Kanaaleiwitten bestaan ​​uit subeenheden die een structuur vormen met een complexe ruimtelijke configuratie, waarin naast de porie meestal aanvullende moleculaire systemen aanwezig zijn: openen, sluiten, selectiviteit, inactivatie, ontvangst en regulatie. IC's kunnen niet één, maar meerdere locaties (sites) hebben voor binding aan controlestoffen (liganden).

Ionenkanalen kunnen worden gezien als transportmechanisme, waardoor de beweging van ionen tussen het cytoplasma van de cel en de externe omgeving wordt verzekerd.

Naast IR zijn er nog andere transportsystemen voor de overdracht van verschillende stoffen er doorheen (zie transportmechanismen van het membraan). Zo kan de overdracht van stoffen speciaal worden uitgevoerd eiwitten transporteren , of translocases . Translocases zijn een iets ander concept dan IR. In tegenstelling tot membraan kanalen, translocases tijdens de overdracht van een stof over een membraan interageren ermee als ligand en tegelijkertijd ondergaan conformationele veranderingen. In termen van kinetiek lijkt de overdracht van stoffen met behulp van translocases in de vorm van gefaciliteerde diffusie op een enzymatische reactie.

Vereenvoudigde definitie:

Ionenkanalen zijn poriën (gaten) in het lipidemembraan van de cel, die aan de randen zijn 'bekleed' met een eiwitdraad, zodat de gaten niet dichtgroeien. Deze poriën kunnen wijder of smaller worden: vanzelf of onder bepaalde invloeden. Kanalen kunnen daarom verschillende structuren hebben verschillende soorten kanalen hebben verschillendepermeabiliteit,selectiviteit en controleerbaarheid.

Een ionenkanaal is dus een integraal eiwit dat een porie in het membraan vormt voor de uitwisseling van ionen K +, Na +, H +, Ca 2+, Cl -, evenals water, tussen de cel en de omgeving, en is in staat de doorlaatbaarheid ervan te veranderen.

Aquaporines - water-niet-ionische membraankanalen

Er zijn ook niet-ionkanalen in het membraan. Bijvoorbeeld, aquaporinen- deze zijn bijzonder water kanalen waardoor water er doorheen kan stromen. Dit ook membraan kanalen, hoewel ze formeel geen ‘ionkanalen’ kunnen worden genoemd.

De ruimtelijke structuur van het aquaporinekanaaleiwit is een cilindrisch kanaal waarlangs watermoleculen bewegen. Er stroomt water en alleen water doorheen, maar geen ionen. De aminozuren in dit eiwit zijn zo gerangschikt dat de polariteit van het elektrostatische veld dat ze creëren in het midden van het kanaal wordt omgekeerd. Daarom keren watermoleculen, die het midden van het kanaal hebben bereikt, om zodat hun dipoolmomenten in de bovenste en onderste delen van het kanaal in tegengestelde richtingen zijn gericht. Deze heroriëntatie voorkomt dat geladen ionen door het kanaal lekken. Aquaporin laat zelfs geen hydronium H3O+-ionen door (dat wil zeggen gehydrateerde protonen of waterstofionen), waarvan de concentratie de zuurgraad van het medium bepaalt. Tegelijkertijd is het "loodgieterswerk" van het celmembraan verbazingwekkend doorvoer: Het laat maximaal een miljard watermoleculen per seconde door. Er zijn nu ongeveer 200 soorten eiwitten bekend. water kanalen bij planten en dieren, waaronder 11 bij mensen. Dankzij aquaporines reguleren cellen niet alleen hun volume en interne druk, maar voeren ze deze ook uit belangrijke functies, zoals de opname van water in de nieren van dieren en de wortels van planten.

Op dit moment is de beschrijvende periode in de studie van de diversiteit van kationtransporterende ionkanalen in eukaryote cellen grotendeels voltooid in de moleculaire biologie. Nu komen cognitieproblemen naar voren mechanismen van ionkanaalregulatie en een beschrijving van hun deelname aan de reacties van een levende cel verschillende invloeden en om zijn micro-omgeving te veranderen.

Gereguleerd transport van ionen door de hydrofiele poriën van het membraan met behulp van gecontroleerde IR is de belangrijkste eigenschap van levende cellen, zowel elektrisch prikkelbaar als niet-prikkelbaar.

In dit opzicht is het raadzaam om precies te gebruiken managementprincipe hun activiteiten. Het principe van het controleren van de toestand van ionkanalen vormde de basis voor onze voorgestelde () functionele classificatie van ionkanalen.

Video:Ionenkanalen in het membraan

IR-structuur

IC's bestaan ​​uit eiwitten complexe structuur(kanaalvormende eiwitten). Hieronder worden schematische weergaven van IR gegeven, bijvoorbeeld:

De figuur rechts toont het natriumkanaal van bovenaf gezien, vanaf de buitenkant van het membraan (Bron: Horn R. (2011). Peering into the spark of life. Nature 475, 305–306).

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. In een ander geval kan het kanaal een enkel polypeptide zijn dat meerdere keren door het membraan gaat in de vorm van lussen. Aan het begin van de 21e eeuw zijn ruim 400 kanaalvormende eiwitten bekend, voor de biosynthese waarvan 1-2% van het menselijk genoom wordt gebruikt.

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. De terminale domeinen van het kanaalvormereiwit (N- en C-terminale domeinen) kunnen zowel buiten als binnen de cel uit het membraan steken.

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 speciaal setje aminozuren met positieve lading en werken als elektrische potentiaalsensor membranen. Wanneer de potentiaal verandert, verandert zo'n sensor de toestand van het kanaal van open naar gesloten of omgekeerd. IC kan dus worden gecontroleerd door bepaalde externe invloeden, dit is hun belangrijke eigenschap.

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.

Op basis van de structuur van IC is het mogelijk om ze te classificeren, wat hieronder zal worden besproken.

Eigenschappen van IR

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 van de IR om te openen of te sluiten onder bepaalde controleacties op het kanaal. Dat is duidelijk gesloten kanaal heeft een verminderde permeabiliteit, en open heeft een verhoogde permeabiliteit. Op basis van deze eigenschap kunnen IC's worden geclassificeerd afhankelijk van de methoden van opening: bijvoorbeeld spanningsgeactiveerd, ligand-geactiveerd, enz.

Inactivatie - dit is het vermogen van IR, enige tijd na zijn ontdekking, om zijn permeabiliteit automatisch te verminderen, zelfs in het geval dat de activerende factor die ze heeft ontdekt, blijft werken.

Snelle inactivatie is een speciaal proces met een eigen speciaal mechanisme, anders dan langzame kanaalsluiting (langzame inactivatie). Het sluiten (langzame inactivering) van het kanaal vindt plaats als gevolg van processen die tegengesteld zijn aan de processen die de opening ervan hebben verzekerd, d.w.z. als gevolg van veranderingen in de conformatie van het kanaaleiwit. Maar in spanningsgeactiveerde kanalen vindt bijvoorbeeld snelle inactivering plaats met behulp van een speciale moleculaire "plug-plug", die doet denken aan een plug aan een ketting, die meestal in baden wordt gebruikt. Deze plug is een aminozuur (polypeptide) lus met een verdikking aan het uiteinde de vorm van drie aminozuren, die de interne monding van het kanaal afsluiten van het cytoplasma. Dat is de reden waarom spanningsafhankelijke IR voor natrium, die zorgt voor de ontwikkeling van een actiepotentiaal en de beweging van een zenuwimpuls, natriumionen slechts enkele milliseconden in de cel kan toelaten, waarna ze automatisch worden gesloten door hun moleculaire pluggen. ondanks het feit dat de depolarisatie die hen opent, blijft werken. Een ander mechanisme van IR-inactivatie kan modificatie van de intracellulaire monding van het kanaal door extra subeenheden zijn.

Slot - dit is het vermogen van IR, onder invloed van blokkerende stoffen, om een ​​van zijn toestanden te fixeren en niet te reageren op gewone controle-invloeden. In deze toestand stopt het kanaal eenvoudigweg met het geven van reacties op stuuringangen. Blokkeren wordt genoemd blokkerende stoffen, die genoemd mag worden antagonisten, blokkers of lytica.

Antagonisten- dit zijn stoffen die de activerende werking van andere stoffen op de IR verstoren. Dergelijke stoffen kunnen goed binden aan de receptorplaats van de IR, maar zijn niet in staat de toestand van het kanaal te veranderen of de reactie ervan te veroorzaken. Dit resulteert in een blokkade van de receptor en daarmee ook in een blokkade van de IR. Er moet aan worden herinnerd dat antagonisten niet noodzakelijkerwijs een volledige blokkering van de receptor en de IR ervan veroorzaken; ze kunnen zwakker werken en alleen het werk van het kanaal remmen (onderdrukken), maar het niet volledig stoppen

Agonisten-antagonisten- dit zijn stoffen die een zwak stimulerend effect hebben op de receptor, maar tegelijkertijd de werking van natuurlijke endogene controlestoffen blokkeren.

2. Potentiaalgestuurd (potentiaalgevoelig, spanningsafhankelijk, potentiaalgeactiveerd, spanningsafhankelijk). Zo openen spanningsafhankelijke natriumkanalen zich onder invloed van een verschuiving in de elektrische potentiaal van het membraan die het kritische depolarisatieniveau overschrijdt. Daarom gaan ze open wanneer een bepaald drempelniveau van membraandepolarisatie wordt bereikt, en wanneer het depolarisatieniveau omgekeerd afneemt, blijken ze gesloten te zijn. Maar het is belangrijk om te weten dat deze kanalen zich zelfs vóór de omgekeerde afname van het depolarisatieniveau sluiten binnen speciale eiwitten “pluggen” en dit gebeurt automatisch, ongeacht veranderingen in depolarisatie. Als gevolg hiervan bevinden spanningsgestuurde natrium-IR's zich slechts enkele milliseconden in de open toestand en worden ze vervolgens gesloten met een "plug", d.w.z. zijn geïnactiveerd. Ze gaan uiteindelijk naar een gesloten toestand na repolarisatie en herstel van het rustpotentieel. Zowel met chemische als farmacologische modificatie van dergelijke IR's behouden ze het basismechanisme van activering en inactivatie als reactie op een verschuiving in membraanpotentiaal, die snelle veranderingen in de kationische permeabiliteit van exciteerbare membranen bepaalt als gevolg van spanningsgestuurde IR's. Het is dit type spanningsgestuurde natrium-IR dat zorgt voor de beweging van een zenuwimpuls langs het neuronenmembraan (zie: actiepotentiaal en zenuwimpuls). Dergelijke spanningsafhankelijke natriumkanalen openen ik op het niveau van CUD, d.w.z. -55mV, ze vormen het actiepotentiaal en de zenuwimpuls.

Voorbeelden: T ethrodotoxine-gevoelige natriumkanalen, spanningsgeactiveerde K-kanalen, kalium-Kdr-vertraagde gelijkrichterkanalen, calciumkanalen van presynaptische terminals axonen.

De figuur rechts toont een schematisch diagram van de werking van spanningsgestuurde IR (klik op de figuur om het proces dynamisch te zien).

3. Chemo-beheerd (chemosensitief, chemoafhankelijk, ligand-afhankelijk, ligand-afhankelijk, receptor-geactiveerd). Ze gaan open wanneer een specifiek ligand (controlestof: zender of zijn nabootser) zich bindt aan de receptorplaats van het kanaal. Dergelijke kanalen zijn gewoonlijk gelokaliseerd bij chemische synapsen op hun postsynaptische membranen en zetten het chemische signaal dat wordt gegenereerd door de afgifte van presynaptische neurotransmitters om in een postsynaptisch elektrisch lokaal potentieel. Kijk: lokaal potentieel, 3_3 Synapsen, synapsen, zenders en modulators.

Voorbeelden: kanalen met nicotine-acetylcholinereceptoren nAChR), serotoninereceptoren (5-HT3), glycine, GABA-receptoren (GABAA en GABAC).

De figuur rechts toont een ligand-gated ionkanaal met een nicotine-acetylcholinereceptor (nicotine is een mimeticum, acetylcholine is een zender). Het kanaal bestaat uit 5 subeenheden en een porie in het midden. Hierboven ziet u een dwarsdoorsnede van deze subeenheden: a1, a2, b, g, d. Hieronder staan ​​secties van de subeenheden die het “poortsysteem” van het kanaal vormen. De aminozuursequenties van M2 a-helix in b- en d- worden gepresenteerd. Van de vijf subeenheden die de porie vormen, zijn er slechts vier afgebeeld, en de dichtstbijzijnde is verwijderd zodat de M2-gebieden langs het ionenkanaal en de poort zichtbaar zijn. Dat is duidelijk meest Het eiwitmolecuul strekt zich uit tot voorbij het buitenoppervlak van het plasmamembraan en vormt moleculaire receptoren voor het ligand. Elk van de twee a-subeenheden bevat een bindingscentrum voor acetylcholine, daarom kunnen 2 ligandmoleculen (neurotransmitter of neuromimetisch) contact maken met de receptor. De poort in de porie gaat open wanneer acetylcholine zich bindt aan de receptorplaats van het kanaal. Negatief geladen resten van glutamine- en asparaginezuuraminozuren (ze zijn blauw gemarkeerd) zijn aanwezig aan beide uiteinden van de M2-helices, d.w.z. aan beide zijden van de porie, wat het binnendringen van anionen in het kanaal verhindert, en Na + en K + kationen wanneer het gesloten staat kan al in het kanaal zelf worden aangesloten.

Video:Werking van een chemo-gated (ligand-gated) ionenkanaal

4. Stimulusgestuurd (mechanisch gevoelig, mechanisch gevoelig, rek-geactiveerd, rek-geactiveerd, proton-geactiveerd, temperatuurgevoelig).

Ze openen zich onder invloed van een specifieke en adequate stimulus (irriterend). Dergelijke kanalen zorgen voor zintuiglijke waarneming en bevinden zich in het membraan van sensorische receptoren.

Voorbeeld: mechanisch gevoelige IR receptorhaarcellen die voor auditieve waarneming zorgen; temperatuurgevoelige IR thermoreceptoren van de huid die zorgen voor de perceptie van warmte en kou.

Momenteel worden stimulusgestuurde mechanosensitieve IR's niet alleen aangetroffen in gespecialiseerde mechanoreceptorstructuren, maar ook in de membranen van bacteriën, schimmels, planten, gewervelde dieren en ongewervelde dieren. Mechanosensitieve kanalen bemiddelen niet alleen de sensorische perceptie van mechanische stimulatie, maar zijn ook betrokken bij de controle van de celcyclus, regulering van celvolume en -groei, secretie en endocytose.

TRP-kanalen in het thermoreceptormembraan van de huid zorgen voor thermische transductie door te openen wanneer verschillende betekenissen temperatuur. Ze laten kationen door, vooral calciumionen.

5. Mede beheerd (NMDA-receptorkanaalcomplex). Ze worden tegelijkertijd geopend door beide liganden en een bepaald elektrisch potentieel van het membraan. We kunnen zeggen dat ze dubbele controle hebben.

Voorbeeld: NMDA-receptorkanaalcomplex, dat een complex controlesysteem heeft dat 8 receptorplaatsen omvat waaraan verschillende liganden kunnen binden.

6. Indirect-beheerd (secundair-gated, ion-geactiveerd, ion-gated, messenger-gated, metabotrope receptor-gated). Ze openen en sluiten niet onder invloed van directe externe signalen, maar door indirecte invloed daarop intracellulair secundaire boodschappers(calciumionen Ca 2+, cAMP, cGMP, IP3, diacylglycerol). Het belangrijkste mechanisme van een dergelijke controle is fosforylering ionenkanaal aan de binnenkant van het membraan.

Controle gemedieerd door secundaire boodschappers is niet direct, maar secundair. Het hangt niet alleen af ​​van het externe beïnvloedingssignaal, maar ook van de aanwezigheid, concentratie en activiteit van secundaire boodschappers. Het triggersignaal voor het begin van dit proces kan de impact zijn op de zogenaamde metabotrope receptor, niet gerelateerd aan de structuur van het gecontroleerde ionkanaal zelf en ergens op het membraan gescheiden ervan. Impact op de metabotrope receptor leidt tot een toename van de concentratie van tweede boodschappers in de cel. Dit zijn Ca 2+-ionen, cAMP, cGMP, IP3, diacylglycerol. Ze activeren de overeenkomstige proteïnekinase-enzymen: A-kinase (cAMP-afhankelijk), G-kinase (cGMP-afhankelijk), B-kinase (calcium-calmoduline-afhankelijk) of C-kinase (calcium-fosfolipide-afhankelijk). Op hun beurt fosforyleren geactiveerde kinasen IR-membranen vanuit de cel, d.w.z. Er worden fosfaten aan toegevoegd. Als gevolg hiervan kan het kanaal lange tijd naar een nieuwe staat (open of omgekeerd gesloten) gaan. Nadat de fosfaten zijn afgesneden door het enzym fosfatase, keert het kanaal terug naar zijn oorspronkelijke staat. vorige staat. In sommige gevallen kan een secundaire boodschapper zoals het G-eiwit, in de vorm van zijn actieve bèta-gamma-subeenheid, zich aan het ionkanaal hechten en de toestand ervan veranderen. Kaliumkanalen kunnen bijvoorbeeld openen (activeren) wanneer acetylcholine G-eiwit-gekoppelde muscarinereceptoren stimuleert.

Voorbeelden: Ca2+-geactiveerde chloridekanalen, calcium-geactiveerde kaliumkanalen, cGMP-geactiveerde natriumstaafjes-retinale kanalen.

Bijvoorbeeld ion-gemedieerd calcium-geactiveerd chloor kanalen zijn een van de belangrijkste componenten van het epitheliale secretiesysteem, sensorische transductie, regulatie van neurale en cardiale prikkelbaarheid bij dieren. In plantencellen calcium-geactiveerde chloridekanalen verantwoordelijk voor de toestand van celturgor. Wanneer de concentratie calciumionen in de cel toeneemt, gaan deze kanalen open en beginnen ze chloorionen door te laten.

Indirect gecontroleerde (door de boodschapper bestuurde) ionkanalen kunnen formeel ook alle kanalen omvatten die “van binnenuit” worden bestuurd met behulp van tussenpersonen - secundaire boodschappers. Deze controlemethode is meestal complementair aan " extern beheer", en het blijkt dat messenger-gated kanalen de meeste kanalen uit andere groepen van onze functionele classificatie omvatten. Bijvoorbeeld al die IC's die kunnen worden gefosforyleerd.

7. Actine-aangedreven (actine-gereguleerde, actine-gated kanalen). Ze openen en sluiten als gevolg van de demontage en assemblage van microfilamenten dichtbij het membraan met de deelname van actinebindende eiwitten.

IN elektrisch niet-exciteerbare cellen activering en inactivatie van actine-afhankelijke spanningsonafhankelijke natriumkanalen wordt gecontroleerd door de processen van demontage en assemblage van microfilamenten dichtbij het membraan met de deelname van actine-bindende eiwitten. De actine-elementen van het cytoskelet vertegenwoordigen blijkbaar het belangrijkste onderdeel potentiaalonafhankelijk poortmechanisme dat het openen en sluiten van kanalen regelt. Het is de assemblage van microfilamenten aan de cytoplasmatische kant van het membraan die tot de inactivatie van dergelijke kanalen leidt.

8. Connexons (dubbele poriën). Ze vormen end-to-end continue kanalen in de membranen van contact makende cellen via twee membranen onmiddellijk in de zone van gap-junctions voor de onderlinge uitwisseling van stoffen tussen deze cellen. Elektrische signalen, aminozuren en kleine moleculen van controlestoffen: cAMP, InsP 3, adenosine, ADP en ATP worden via connexons overgedragen. Ze bestaan ​​uit 6 eiwitsubeenheden (connexines) die slechts een paar uur leven. Connexinen- dit zijn polytopische integrale membraaneiwitten die het membraan 4 keer kruissteken, twee extracellulaire lussen hebben (EL-1 en EL-2), een cytoplasmatische lus (CL) met een N-terminus (AT) en een C-terminus ( CT) die uitsteekt in het cytoplasma. Verbindt via connexons interne omgeving aangrenzende cellen.

Connexons zijn "niet-specifiek gated" kanalen. Hun toestand wordt gereguleerd door pH, elektrische potentiaal, Ca 2+-ionen, fosforylering en andere factoren.

Connexons worden in bijna alle soorten cellen aangetroffen.

9. "Energieafhankelijke transporteurs" (ionenpompen, ionenpompen, ionenwisselaars, transporters). Dit is een speciale groep dynamische poriën die ionen door het membraan geleiden, die formeel niet als IR zijn geclassificeerd. Hun activiteit wordt geleverd door de energie van de afbraak van ATP. Ze worden vertegenwoordigd door membraanenzymeiwitten ATPasen, die actief ionen door zichzelf heen trekken, hiervoor de energie van ATP-splitsing gebruiken, en zorgen voor actief transport van ionen door het membraan, zelfs tegen hun concentratiegradiënt in.

Voorbeelden: natrium-kaliumpomp, protonpomp, calciumpomp.

Voorbeelden van verschillende soorten ionkanalen

Acetylcholinereceptorligand-gated (chemo-afhankelijk) ionkanaal

De figuur links toont het structurele model van ligand-gated acetylcholine IR.

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 dat er iets gebeurt externe invloeden. 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 lichaam celmembraan neuron. Meest prominente vertegenwoordigers deze groep zijn spanningsgeactiveerde kanalen. Voorbeelden zijn onder meer potentieelgevoelige 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. Naar een groep kanalen geactiveerd fysieke veranderingen, refereren

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. Deze kanalen spelen belangrijke rol in de repolarisatie van het celmembraan tijdens de voltooiing van het 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.

Laatst bijgewerkt: 28/10/2013

Het tweede artikel in de serie ‘Fundamentals of Human and Animal Physiology’. We zullen het hebben over het mechanisme van vorming van het actiepotentiaal - de basis van elke beweging.

Prikkelbare cellen (die tot op zekere hoogte alle cellen van het lichaam van een dier zijn) hebben in rust een overmaat aan negatieve lading. Als een cel wordt blootgesteld aan externe stimulatie, komt deze in een aangeslagen toestand terecht en genereert een ander potentieel: een actiepotentiaal.

Dit proces wordt gerealiseerd door een systeem van ionenkanalen in het celmembraan, dat de concentraties van elektrisch geladen deeltjes - ionen - reguleert. Alle kanalen, ongeacht hun specialisatie, worden gecontroleerd door bepaalde krachten. Dit kan een verandering van de potentiaal op het celmembraan zijn - in het geval van spanningsafhankelijke kanalen, een verhoging van de concentratie van bepaalde actieve stoffen - voor ligandafhankelijke kanalen, of het uitrekken van het membraan - voor mechanisch gestuurde kanalen.

Kanalen zijn specifieke eiwitten ingebed in het membraan. Elk type kanaal laat specifieke ionen door. Dit is een passief transportsysteem: ionen passeren er doorheen als gevolg van diffusie, en de kanalen regelen eenvoudigweg de concentratie van passerende deeltjes en regelen de permeabiliteit van het membraan ervoor.

Bij de vorming van het actiepotentiaal, evenals het rustpotentieel, nemen voornamelijk natrium- en kaliumionen deel.

Natriumkanalen hebben een vrij eenvoudige structuur: het is een eiwit van drie verschillende subeenheden die een structuur vormen die lijkt op een porie, dat wil zeggen een buis met een inwendig lumen. Het kanaal is mogelijk binnen drie staten: gesloten, open en geïnactiveerd (gesloten en onstuitbaar). Dit wordt verzekerd door de lokalisatie van negatieve en positieve ladingen in het eiwit zelf; deze ladingen worden aangetrokken door de tegenovergestelde ladingen die op het membraan aanwezig zijn, en dus opent en sluit het kanaal wanneer de toestand van het membraan verandert. Wanneer de cel open is, kunnen natriumionen er langs een concentratiegradiënt vrij doorheen de cel binnendringen. Dit is een heel kort moment - letterlijk een fractie van een milliseconde.

Kaliumkanalen zijn zelfs nog eenvoudiger: het zijn individuele subeenheden die in dwarsdoorsnede een trapeziumvormige vorm hebben; ze bevinden zich bijna dicht bij elkaar, maar er is altijd een opening tussen hen. Kaliumkanalen sluiten niet volledig; kalium verlaat vrijelijk het cytoplasma (langs de concentratiegradiënt).

Zowel de natrium- als de kaliumkanalen zijn spanningsafhankelijk: ze werken als reactie op veranderingen in de elektrische potentiaal van het membraan.

Wanneer een actiepotentiaal wordt gevormd, vindt er op korte termijn een scherpe herlading van het membraan plaats. Dit wordt bereikt door middel van verschillende opeenvolgende processen.

Ten eerste onder invloed van externe irritatie (bijvoorbeeld elektrische stroom) het membraan is gedepolariseerd - dat wil zeggen, de ladingen aan de verschillende kanten veranderen naar het tegenovergestelde (binnen de cel wordt de lading positief, buiten - negatief). Dit is een signaal voor de opening van natriumkanalen, waarvan er een groot aantal op het oppervlak van één membraan zitten - misschien wel 12 duizend. Het moment waarop de kanalen zich beginnen te openen wordt het kritische niveau van depolarisatie genoemd. De stroom die deze kritische depolarisatie veroorzaakt, wordt drempelwaarde genoemd.

Interessant is dat het verhogen van de stroom na het bereiken van de drempel de kenmerken van het resulterende actiepotentiaal niet verandert. Wat van belang is voor het openen van kanalen is niet de amplitude van de stroom, maar de hoeveelheid energie die door het membraan wordt ontvangen - de "hoeveelheid elektriciteit". Dit patroon wordt “alles of niets” genoemd: er is ofwel een volledige reactie op irritatie als de waarde ervan lager is dan de drempelwaarde, of er is helemaal geen reactie als de irritatie de drempelwaarde niet heeft bereikt. In dit geval wordt de drempelwaarde bepaald door de duur van de toegepaste stimulatie.

Deze wet geldt echter alleen binnen één cel. Als we bijvoorbeeld een samengestelde zenuw nemen een groot aantal verschillende axonen, zal de amplitude er ook toe doen, omdat we alleen een reactie op stimulatie zullen zien als de kanalen in alle cellen worden geactiveerd - dat wil zeggen met een grotere totale waarde van de drempelstroom.

Nadat de kanalen opengaan, begint natrium de cel binnen te komen, en de stroom ervan overschrijdt aanzienlijk de stroom van kalium dat langs de gradiënt naar buiten komt. Dit betekent dat de permeabiliteit van het membraan voor natrium groter wordt dan voor kalium. Op een gegeven moment gaan bijna alle natriumkanalen open. Dit gebeurt als een lawine: vanaf het punt waar de stimulus arriveerde, in beide richtingen. De natriumconcentratie in de cel neemt dus sterk toe.

Hierna zouden de ionenconcentraties naar hun oorspronkelijke waarden moeten terugkeren. Dit levert dit op algemeen bezit kanalen, zoals vuurvastheid: een kanaal dat getriggerd is, is daarna enige tijd inactief en kan niet opgewonden worden door een irriterende stimulus.

Op het moment van maximale respons op stimulatie worden natriumkanalen ongevoelig en neemt de natriumpermeabiliteit scherp af. Kaliumkanalen daarentegen beginnen actief te werken en de kaliumstroom uit de cel neemt toe. Zo verlaten overtollige positief geladen ionen de cel en wordt het oorspronkelijke rustpotentieel hersteld. Deze periode, totdat de natriumkanalen en het oorspronkelijke potentieel zijn hersteld (dit kan ongeveer een milliseconde duren), kan de cel niet exciteren.

Omdat het vermogen van cellen om te exciteren het functioneren van het lichaam als geheel en de mogelijkheid van centrale controle over alle cellen van het lichaam garandeert, behoren gifstoffen die kanalen blokkeren tot de gevaarlijkste voor mensen en veel dieren.

Een van de gevaarlijkste kanaalblokkers is tetrodotoxine, een stof die door kogelvissen wordt geproduceerd. Voor hem is de LD50-waarde (50% Level of Death - de dosis waaraan 50 van de honderd mensen zullen sterven) 10 milligram per kilogram gewicht, dat wil zeggen ongeveer duizend keer minder dan voor cyanide. De moleculen ervan binden zich stevig aan het natriumkanaaleiwit wanneer dit zich in een gesloten toestand bevindt, en blokkeren de mogelijkheid van een actiepotentiaal volledig. Sommige algen produceren soortgelijke gifstoffen. Het gif van Schorpioen houdt daarentegen alle kanalen constant open.

Nou ja, een schorpioen, maar waarom zo'n vreselijk wapen voor algen een mysterie is.

Heeft u iets te zeggen? Laat een reactie achter!.

- transmembraaneiwitten die poriën vormen over de cytoplasmatische en andere biologische membranen die helpen bij de vestiging en controle elektrische spanning over de membranen van alle levende cellen (membraanpotentiaal genoemd), waardoor bepaalde ionen langs een elektrochemische gradiënt kunnen bewegen.

Belangrijkste kenmerken

Ionenkanalen reguleren de stroom van ionen door het membraan in alle cellen. Ze zijn een eiwitmolecuul of een complex van verschillende moleculen die door de lipidelaag van het celmembraan dringen. Er zit een doorgaand gat in het eiwit, of het is tijd waarlangs ionen kunnen bewegen. De porie opent en sluit met behulp van bewegingen van het eiwitmolecuul van het kanaal zelf of hulpeiwitten - de zogenaamde "Poortmechanisme". Wanneer de tijd aanbreekt, bewegen ionen door het kanaal, die gedwongen worden te bewegen door de elektrochemische gradiënt aan beide zijden van het celmembraan. Kanalen zijn dus geleiders van passief transport.

De beweging van ionen door het kanaal leidt tot een verandering in het membraanpotentiaal van de cel of het binnendringen van nieuwe ionen in de cel (voornamelijk calcium- en chloorionen). Dit leidt verder tot een verandering in de celfunctie. Voor enkele kleine ionen blijft de transmembraangradiënt behouden: kationen (Na+, Ca 2+, K+, H+) en anionen (Cl-, OH-). Er zijn echter enkele honderden genen die coderen voor verschillende ionkanalen in levende organismen. Deze diversiteit hangt vooral samen met de verscheidenheid aan poortmechanismen. Het eiwitmolecuul van het kanaal neemt een bepaald soort energie waar en verandert als reactie daarop zijn conformatie, zodat het kanaal op tijd opent of sluit. Gedistribueerd spanning afhankelijk kanalen, dat wil zeggen kanalen die zich openen als reactie op een bepaald potentiaalverschil over het membraan, en chemische afzettingen kanalen, dat wil zeggen kanalen die van conformatie veranderen na binding aan een specifiek molecuul. Er zijn ook kanalen die hun vermogen om ionenstroom door te laten veranderen als reactie op veranderingen in temperatuur, pH, membraandruk, licht, enz.

Moleculaire structuur

Deze complexen nemen doorgaans de vorm aan van een cilindrische structuur die is samengesteld uit een of meer identieke, homologe of verschillende eiwitmoleculen die strak zijn gepakt rond een met water gevulde porie die door de lipidedubbellaag van het membraan gaat. Als deze eiwitmoleculen of kanaalsubeenheden producten zijn van hetzelfde gen, dan is het kanaal een homomeer; als ze verschillend zijn, is het een heterometer. Op basis van het aantal subeenheden worden monomeren, dimeren, trimmers, tetrameren, pentameren, octameren, enz. onderscheiden. Kaliumkanalen zijn bijvoorbeeld vaak homotetrameren - dat wil zeggen gevormd door vier identieke subeenheden. Volgens de gebruikelijke nomenclatuur worden de tijdvormende subeenheden α-subeenheden genoemd, terwijl de hulpsubeenheden β, γ, enzovoort worden genoemd. Elke α-subeenheid bestaat uit verschillende (2-7) transmembraansegmenten (meestal α-helices), een P-lus die de tijd bepaalt, cytoplasmatische uiteinden en een extracellulaire lus.

Eigenschappen van ionkanalen

• Selectiviteit is het vermogen van een kanaal om selectief een bepaald type ion door te laten. Selectiviteit is relatief: zelfs zeer selectieve kanalen onder bepaalde omstandigheden ( ionische samenstelling omgeving, lipidesamenstelling van membranen, temperatuur, enz.) kunnen naast de hoofdionen ook andere ionen doorlaten. Maar in een fysiologische toestand zijn de selectiviteitskanalen verdeeld in selectief (bijvoorbeeld natrium of kalium) of niet-selectief (glutamaatreceptor-kationkanaal). Selectiviteit wordt doorgaans bereikt door een specifieke poriestructuur. Het is tijd bevat selectief filteren, die ongeveer de breedte van één atoom kan hebben, waardoor alleen doorgang mogelijk is bepaald soort ionen, zoals natrium of kalium, of bevat bindingsplaatsen die alleen affiniteit hebben voor bepaalde ionen (zoals calcium).
• Permeabiliteit is het vermogen van een bepaald ion om de tijd van een kanaal te passeren. Permeabiliteit volgt rechtstreeks uit selectiviteit. Hoe hoger de selectiviteit van het kanaal, hoe lager de geleidbaarheid voor minderheidsionen.
• Geleidbaarheid is een grootheid die het aantal ionen weergeeft dat per tijdseenheid door het kanaal kan gaan. De eenheid van geleidbaarheid is siemens.

Biologische rol

Het openen en sluiten van ionkanalen ligt ten grondslag aan de overdracht van zenuwimpulsen, en kanaalgeleiding is de basis voor de werking van elektrische synapsen. Daarom zijn ionenkanalen extreem belangrijke componenten zenuwstelsel. Sterker nog, de meeste offensieve en defensieve gifstoffen die organismen hebben geëvolueerd, worden uitgeschakeld zenuwstelsels roofdieren en prooien (zoals gif afgescheiden door spinnen, schorpioenen, slangen, vissen, bijen, schaaldieren en andere organismen) werken door het blokkeren van ionische Kalala. Ionenkanalen zijn betrokken bij het handhaven van spanning in de mitochondriën van eukaryoten en op de plasmamembranen van prokaryoten, die worden gebruikt om energie te produceren in de vorm van ATP, de belangrijkste ‘brandstof’ van cellen. Bovendien zijn talloze ionkanalen verantwoordelijk voor een breed scala aan biologische processen die snelle veranderingen in de cellulaire toestand met zich meebrengen, zoals hartactiviteit, contractie van skelet- en gladde spieren, transport van voedingsstoffen door het epitheel, T-lymfocytenfunctie en hormoonsecretie. Bij de ontwikkeling van nieuwe medicijnen zijn ionkanalen een veel voorkomend doelwit.

Verscheidenheid aan ionkanalen

Er is momenteel geen uniforme classificatie van ionkanalen. Kanalen worden gesystematiseerd door selectiviteit voor ionen (anionisch, kationisch, natrium, kalium, chloor, enz.), door activeringsmechanismen (spanningsafhankelijk, ligand-gekoppeld, gedepokereerd, mechanoreceptoren, temperatuurafhankelijk, enz.), door gevoeligheid voor chemicaliën ( bijvoorbeeld ATP-afhankelijk, TTX-ongevoelig), door genetische homologie. De volgende classificatie wordt voorgesteld in de Oekraïense wetenschappelijke literatuur:

• Ligand-ionenkanalen
  • Cys-lus - homo- of heteropentameer
    • Niet-selectieve kationische: nicotine-acetylcholinereceptoren, serotoninereceptor
    • Selectieve chloriden: glycinereceptor, GABAA-receptor, GABAA-receptor
  • Glutamaatreceptoren - homo- of heterotetrameren
    • AMPA-receptoren, kaïnaatreceptoren, NMDA-receptoren
  • Purinereceptoren - homo- of heterotetrameren
    • P2X-receptoren
• Spanningsafhankelijke ionkanalen
  • Natrium kanalen
    • tetrodoxine-gevoelig
    • tetrodoxine-ongevoelig
  • Calciumkanalen
    • L-type
    • N-type
    • P/Q-type
    • R-type
    • T-type - calciumkanalen met lage drempel
• Kaliumkanalen
  • Spanningsafhankelijk
    • Shaker-Shab-Shal-Shaw-gerelateerd
    • KvLQT1-gerelateerd
    • eag-gerelateerd
    • erg-gerelateerd
    • elc-gerelateerd
  • calcium-geactiveerd
    • hoge geleidbaarheid BK
    • lage geleidbaarheid SK
    • Na-, Cl-geactiveerd
    • OH-geactiveerd
  • Ingangsrectificatie
    • G-eiwit gereguleerd door GIRK
    • ATP-gated kaliumkanalen K-ATP
  • achtergrond
    • tweerassen (2P)
• Cyclische nucleotide-gated kanalen
• Depokeratie- en arachidonregulatiekanalen
• Transiente receptorpotentiaal (TRP) kanalen
  • • TRPC, "klassiek"
    • TRPV, "vanilloïde" TRPV1
    • TRPM, "melastatine" TRPM8
    • TRPA, "ankyrine"
    • TRPP, "polycystine"
    • TRPML, "mucolipinen"
• Natriumspanningsafhankelijke degenerine-achtig
  • epitheliale ENaC
  • protongevoelige ASIC
• Anion-ionkanalen
  • Chloorkanalen ClC

Ziekten geassocieerd met ionkanalen

Verstoring van ionkanalen leidt vaak tot ziekten die kanalopathieën worden genoemd. De belangrijkste oorzaak van dergelijke aandoeningen zijn erfelijke mutaties die de structuur van het kanaal beïnvloeden, maar ook andere schade is mogelijk (stofwisseling, straling, enz.). Voorbeelden van kanalopathieën:

• cystische fibrose
• hartritmestoornissen
• Brugada-syndroom
• Timothy-syndroom
• gegeneraliseerde epilepsie

Hoe ionkanalen worden bestudeerd

Membraan theorie

Lange tijd discussieerden cytologen over de structuur van de cel. Twee theorieën concurreerden met elkaar: membraan en fase. De membraantheorie ging uit van de aanwezigheid van een semi-permeabele barrière die het cytoplasma zou scheiden van de intercellulaire ruimte, waardoor gradiënten van stoffen zouden ontstaan. De fasetheorie sloot de aanwezigheid van een dergelijke barrière uit, en de homeostase in de cel wordt in stand gehouden door acceptoreiwitten van verschillende stoffen - acceptoren van kalium, natrium, zuurstof, glucose, enz. De ontdekking van elektronenmicroscopie toonde de overwinning van de membraantheorie. Daarom was de volgende stap het bestuderen van de eigenschappen van het membraan. Hodgkin en Bernard Katz ontdekten het vermogen van het gigantische axon van de inktvis om verschillende ionen met verschillende membraanpotentialen over te brengen. Zo ontstond de hypothese over de aanwezigheid van selectieve ionkanalen. Later werd het op briljante wijze bevestigd.

Onderzoeksmethoden

De eerste onderzoeken naar ionkanalen werden uitgevoerd met behulp van micro-elektroden op gigantische excitatiecellen. De ontwikkeling van de micro-elektrodetechnologie heeft geleid tot de creatie van een methode om de potentiaal op een deel van het membraan te fixeren. Aanvankelijk werd onderzoek alleen op functioneel niveau uitgevoerd, daarna werden de kanaalgenen gekloond en begonnen ze ook genetisch en structureel te worden bestudeerd. Ook worden er nu vrijwel geen ionenkanalen kunstmatig in cellen geïntroduceerd eigen kanalen(eieren, vereeuwigde cellijnen, enz.), waar hun functies worden bestudeerd. Er wordt gebruik gemaakt van een aantal moleculair biologische en optische methoden (PCR, kwantitatieve PCR, single-cell PCR, immunochemische methoden, fluorescentiemicroscopie). Sommige kanaaleiwitten werden gekristalliseerd en röntgendiffractieanalyse werd uitgevoerd. Voorlopig zijn theoretisch andere structuren denkbaar.

Bijdrage van Oekraïense wetenschappers aan ionkanaalonderzoek

Bij het Instituut voor Fysiologie vernoemd naar A.A. Bogomolets NAS uit Oekraïne, begon het onderzoek naar de elektrische eigenschappen van cellen in de jaren vijftig. Aan de oorsprong van dit werk stonden Daniil Vorontsov, Platon Kostyuk, Mikhail Shuba. Voor het eerst ter wereld bewezen Kostyuk en Khrustal de aanwezigheid van afzonderlijke calciumkanalen in het celmembraan van zenuwcellen. Vervolgens was de groep van Nikolai Veselovsky, onder leiding van Platon Kostyuk, de eerste die stromen door calciumkanalen van het T-type beschreef, en de groep van Oleg Kryshtal - via purine- en protongevoelige kanalen.

In 2005 was een inwoner van Oekraïne, Yuri Kirichek (een student van Oleg Kryshtal), de eerste die stromingen door de ionkanalen van het sperma beschreef, in het bijzonder was hij in staat het medullaire calciumkanaal CatSper te openen.

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 rustpotentiaal 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.