Ионные каналы

12. Ионные каналы…

 

Ионный канал состоит  из нескольких субъединиц, их количество в отдельном ионном канале составляет от 3 до 12 субъединиц. По своей организации субъединицы, входящие в канал, могут быть гомологичными (однотипными), ряд каналов сформирован разнотипными субъединицами.

Каждая из субъединиц состоит из нескольких (три и более) трансмембранных сегментов (неполярные части, закрученные в α-спирали), из вне- и внутриклеточных петель и концевых участков доменов (представлены полярными областями молекул, формирующих домен и выступающих за пределы билипидного слоя мембраны).

Каждый из трансмембранных сегментов, вне- и  внутриклеточных петель и концевых участков доменов выполняет свою функцию.

Так, трансмембранный  сегмент 2, организованный в виде α-спирали, определяет селективность канала.

Концевые  участки домена выступают в качестве сенсоров к вне- и внутриклеточным лигандам, а один из трансмембранных сегментов играет роль потенциалзависимого сенсора.

Третьи трансмембранные  сегменты в субъединице ответственны за работу воротной системы каналов и т.д.

Ионные каналы работают по механизму облегченной диффузии. Движение по ним ионов при активации каналов идет по градиенту концентрации. Скорость перемещения через мембрану составляет 10 ионов в секунду.

 

Специфичность ионных каналов.

Большая часть из них  относятся к селективным, т.е. каналам, пропускающим только один вид ионов (натриевые каналы, калиевые каналы, кальциевые каналы, анионные каналы).

Селективность канала.

Селективность канала определяется наличием избирательного фильтра.

Его роль выполняет начальный  участок канала, который имеет  определенный заряд, конфигурацию и  размер (диаметр), что позволяет пройти в канал только определенному виду ионов.

Некоторые из ионных каналов  неселективные, например, каналы "утечки". Это такие каналы мембраны, по которым в состоянии покоя по градиенту концентрации из клетки выходят ионы К⁺, однако по этим каналам в клетку в состоянии покоя по градиенту концентрации входит и небольшое количество ионов Na⁺.

Сенсор ионного канала.

Сенсор ионного канала - чувствительная часть канала, которая воспринимает сигналы, природа которых может быть различна.

На этой основе выделяют:

• потенциалзависимые ионные каналы;
• рецепторуправляемые ионные каналы;
• лигандуправляемые (лигандзависимые);
• механоуправляемые (механозависимые).

Каналы, имеющие сенсор, называются управляемыми. У некоторых  каналов сенсор отсутствует. Такие  каналы называют неуправляемыми.

Воротная  система ионного канала.

У канала есть ворота, которые  закрыты в состоянии покоя и открываются при воздействии сигнала. У некоторых каналов выделяют два вида ворот: активационные (m-ворота) и инактивационные (h-ворота).

Выделяют три состояния ионных каналов:

• состояние покоя, когда ворота закрыты и канал недоступен для ионов;
• состояние активации, когда воротная система открыта и ионы перемещается через мембрану по каналу;
• состояние инактивации, когда канал закрыт и не отвечает на стимулы.

Скорость проведения (проводимость).

Бывают быстрые и  медленные каналы. Каналы ^“утечки^” - медленные, натриевые каналы в нейронах - быстрые.

В мембране любой клетки имеется большой набор разнообразных (по скорости) ионных каналов, от активации которых зависит функциональное состояние клеток.

Потенциалуправляемые  каналы.

Потенциалуправляемый канал состоит из:

• поры, заполненной водой;
• устья;
• селективного фильтра;
• активационных и инактивационных ворот;
• сенсора напряжения.

Диаметр канала значительно  больше диаметра иона, в зоне селективного фильтра он сужается до атомарных  размеров, это и обеспечивает выполнение данным участком канала функции селективного фильтра.

Открытие и закрытие воротного механизма возникает  при изменении мембранного потенциала, причем открываются ворота при одном значении мембранного потенциала, а закрываются при другом уровне потенциала мембраны.

Считается, что изменение  электрического поля мембраны воспринимается специальным участком стенки канала, который получил название сенсор напряжения.

Изменение его состояния, обусловленное изменением уровня мембранного  потенциала, вызывает конформацию белковых молекул, формирующих канал, и, как следствие, ведет к открытию или закрытию ворот ионного канала.

Каналы (натриевые, кальциевые, калиевые) имеет четыре гомологичных домена - субъединицы (I, II, III, IV). Домен (на примере натриевых каналов) состоит из шести трансмембранных сегментов, организованных в виде а-спиралей, каждый из которых играет свою роль.

Так, трансмембранный  сегмент 5 играет роль поры, трансмембранный сегмент 4 сенсора, реагирующего на изменение потенциала мембраны, другие трансмембранные сегменты ответственны за активацию и инактивацию воротной системы канала. До конца роль отдельных трансмембранных сегментов и субъединиц не изучена.

Натриевые каналы (внутренний диаметр 0,55 нм) имеются в клетках возбудимых тканей. Плотность на 1 мкм² в различных тканях не одинакова.

Так, в немиелиновых нервных волокнах она составляет 50-200 каналов, а в  миелиновых нервных волокнах (перехваты Ранвье) - 13000 на 1 мкм² площади мембраны. В состоянии покоя они закрыты. Мембранный потенциал составляет 70-80 мВ.

Воздействие раздражителя изменяет мембранный потенциал и активирует потенциалзависимый натриевый канал.

Он активируется при смещении потенциала мембраны от уровня потенциала покоя  в направлении критического уровня деполяризации.

Сильный натриевый ток обеспечивает смещение потенциала мембраны до критического уровня деполяризации (КУД).

Изменение мембранного потенциала до -50-40 мВ, т.е. до уровня критического уровня деполяризации, вызывает открытие других потенциалзависимых №⁺-каналов, через которые осуществляется входящий натриевый ток, формирующий "пик" потенциала действия.

Ионы натрия по градиенту концентрации и химическому градиенту по каналу перемещаются в клетку, формируя так  называемый входящий натриевый ток, что приводит к дальнейшему быстрому развитию процесса деполяризации.

Мембранный потенциал изменяет знак на противоположный +10-20 мв. Положительный мембранный потенциал вызывает закрытие натриевых каналов, их инактивацию.

Потенциалзависимые №⁺-каналы играют ведущую роль в формировании потенциала действия, т.е. процесса возбуждения в клетке.

Ионы кальция затрудняют открытие потенциалзависимых натриевых каналов, изменяя параметры реагирования.

К⁺-каналы

Калиевые каналы (внутренний диаметр 0,30 нм) имеются в цитоплазматических мембранах, обнаружено значительное количество каналов "утечки" калия из клетки.

В состоянии покоя  они открыты. Через них в состоянии  покоя происходит "утечка" калия  из клетки по градиенту концентрации и электрохимическому градиенту.

Этот процесс обозначается как выходящий калиевый ток, который  приводит к формированию потенциала покоя мембраны (-70-80 мВ). Эти калиевые каналы можно лишь условно отнести к потенциалзависимым.

При изменении мембранного  потенциала в процессе деполяризации происходит инактивация калиевого тока.

При реполяризации через  потенциалзависимые каналы формируется  входящий К⁺ ток, который получил название К⁺ ток задержанного выпрямления.

Еще один тип потенциалзависимых К⁺-каналов. По ним возникает быстрый выходящий калиевый ток в подпороговой области мембранного потенциала (положительный следовой потенциал). Инактивация канала происходит за счет следовой гиперполяризации.

Другой тип потенциалзависимых калиевых каналов активируется только после предварительной гиперполяризации, он формирует быстрый транзиторный калиевый ток, который быстро инактивируется.

Ионы кальция облегчают  открытие потенциалзависимых калиевых каналов, изменяя параметры реагирования.

Са⁺-каналы.

Потенциалуправляемые  каналы вносят существенный вклад как в регуляцию входа кальция в цитоплазму, так и в электрогенез.

Белки, образующие кальциевые каналы, состоят из пяти субъединиц (al, a2, b, g, d).

Главная субъединица al формирует собственно канал и содержит места связывания для различных модуляторов кальциевых каналов.

Было обнаружено несколько  структурно различных al субъединиц кальциевых каналов в нервных клетках млекопитающих (обозначенных как А, В, С, D и Е).

Функционально кальциевые каналы различных типов отличаются друг от друга активацией, кинетикой, проводимостью одиночного канала и фармакологией.

В клетках описано  до шести типов потенциалуправляемых кальциевых каналов (Т^-, L^-, N^-, P^-, Q^-, R^- каналы).

Активность потенциалуправляемых каналов плазмалеммы регулируется различными внутриклеточными вторичными посредниками и мембранно-связанными G-белками.

Кальциевые потенциалзависимые каналы обнаружены в большом количестве в цитоплазматических мембранах  нейронов, миоцитах гладких, поперечно-полосатых и сердечных мышц и в мембранах эндоплазматического ретикулума.

Са²⁺-каналы СПР являются олигомерными протеинами, встроенными в мембрану СПР.

Са²⁺-управляемые Са²⁺-каналы СПР.

Эти кальциевые каналы были впервые выделены из скелетных и сердечных мышц.

Оказалось, что Са²⁺-каналы СПР в этих мышечных тканях имеют молекулярные различия и кодируются различными генами.

Са²⁺-каналы СПР в сердечных мышцах непосредственно связаны с высокопороговыми Са²⁺-каналами плазмалеммы (L-тип) через кальцийсвязывающие белки, образуя, таким образом, функционально активную структуру - "триаду".

В скелетных мышцах деполяризация  плазмалеммы прямо активирует освобождение Са²⁺ из эндоплазматического ретикулума благодаря тому, что Са²⁺-каналы плазмалеммы служат потенциалчувствительными передатчиками активирующего сигнала непосредственно Са²⁺-каналам СПР через связывающие белки.

Таким образом, Са²⁺-депо скелетных мышц обладают механизмом освобождения Са²⁺, вызываемым деполяризацией (RyRl-тип).

В отличие от скелетных  мышц, эндоплазматические Са²⁺-каналы кардиомиоцитов не связаны с плазмалеммой, и для стимуляции освобождения Са²⁺ из депо требуется увеличение концентрации цитозольного кальция (RyR2-тип).

Кроме этих двух типов  Са²⁺-активируемых Са^2ч-каналов, недавно был идентифицирован третий тип Са²⁺-каналов СПР (RyR3-тип), который еще изучен не достаточно.

Для всех кальциевых каналов  характерна медленная активация и медленная инактивация по сравнению с натриевыми каналами.

При деполяризации мышечной клетки (выпячивания цитоплазматических мембран - Т-трубочки подходят к мембранам эндоплазматического ретикулума) происходит потенциалзависимое открытие кальциевых каналов мембран саркоплазматического ретикулума.

Так как, с одной стороны, концентрация кальция в СПР велика (депо кальция), а концентрация кальция  в цитоплазме низка, а с другой - площадь мембраны СПР и плотность кальциевых каналов в ней велики, то уровень кальция в цитоплазме увеличивается в 100 раз.

Такое увеличение концентрации кальция инициирует процесс сокращения миофибрилл.

Кальциевые каналы в кардиомиоцитах находятся в цитоплазматической мембране и относятся к кальциевым каналам L-типа.

Активируются при потенциале мембраны +20-40 мВ, формируют входящий кальциевый ток. Длительно находятся в активированном состоянии, формируют "плато" потенциала действия кардиомиоцита.

Анионные каналы.

Наибольшее количество в мембране клетки каналов для  хлора. В клетке меньше ионов хлора  по сравнению с межклеточным окружением. Поэтому при открытии каналов хлор входит в клетку по градиенту концентрации и электрохимическому градиенту.

Количество каналов  для НСО₃ не столь велико, объем транспорта этого аниона через каналы существенно меньше.

Ионные обменники.

В мембране имеются ионные обменники (белки-переносчики), которые осуществляют облегченную диффузию ионов, т.е. ускоренное сопряженное перемещение ионов через биомембрану по градиенту концентрации, такие процессы являются АТФ-независимыми.

Наиболее известны Na⁺-H⁺, K⁺-H⁺, Ca²⁺-H⁺ обменники, а также обменники, обеспечивающие обмен катионов на анионы Na⁺-HCO-₃, 2CI-Са²⁺ и обменники, обеспечивающие обмен катиона на катион (Na⁺ -Са²⁺) или аниона на анион (Сl- НСOз).

 

Рецепторуправляемые ионные каналы.

Лигандуправляемые (лигандзависимые) ионные каналы.

Лигандуправляемые ионные каналы являются подвидом рецепторуправляемых  каналов и всегда совмещены с рецептором к биологически активному веществу (БАВ).

Рецепторы рассматриваемых каналов относятся к ионотропному типу мембранных рецепторов, при взаимодействии которых с БАВ (лиганды) возникают быстропротекающие реакции.

Лигандуправляемый ионный канал состоит из:

• поры, заполненной водой;
• селективного фильтра;
• активационных ворот;
• центра связывания лиганда (рецептор). 
  Высокоэнергетически активное БАВ обладает высоким