Ионные каналы

сродством (аффинитетом) к определенному виду рецепторов. При активации ионных каналов происходит перемещение определенных ионов по градиенту концентрации и электрохимическому градиенту.

 

 

1. В рецепторе мембраны центр связывания лиганда может быть доступен для лиганда с наружной поверхности мембраны.

В этом случае в качестве лиганда выступают гормоны и парагормоны, ионы.

Так, при активации N-холинорецепторов активируются натриевые каналы.

Кальциевую проницаемость инициируют нейрональные ацетилхолинуправляемые, глютаматуправляемые (NMDA и АМРА / каинаттипы) рецепторы и пурино-рецепторы.

ГАМК_А-рецепторы сопряжены с ионными хлорными каналами, с хлорными каналами сопряжены и глициновые рецепторы.

2. В рецепторе мембраны центр связывания лиганда может быть доступен для лигандов с внутренней поверхности мембраны.

В этом случае в качестве лиганда выступают протеинкиназы, активированные вторыми посредниками, или сами вторые посредники.

Так, протеинкиназы А, С, G, фосфорилируя белки катионных каналов, изменяют их проницаемость.

 

Механоуправляемые ионные каналы.

Механоуправляемые ионные каналы изменяют свою проводимость для ионов либо за счет изменения натяжения билипидного слоя, либо через цитоскелет клетки. Множество механоуправляемых каналов сопряжено с механорецепторами, они существуют в слуховых клетках, мышечных веретенах, сосудистом эндотелии.

Все механоуправляемые  каналы делятся на две группы:

• активирующиеся при растяжении клеток (SAC);
• инактивирующиеся при растяжении клеток (SIC).

У механоуправляемых  каналов имеются все основные канальные признаки:

• пора, заполненная водой;
• воротный механизм;
• сенсор, реагирующий на растяжение.

При активации канала по нему происходит перемещение ионов  по градиенту концентрации.

Натрий, калиевая АТФаза.

Натрий, калиевая АТФаза (натрий-калиевый насос, натрий-калиевая помпа).

Состоит из четырех трансмембранных доменов: из двух α-субъединиц и двух β-субъединиц. α-субъединица является большим доменом, а β-субъединица — малым. В ходе транспорта ионов фосфорилируются большие субъединицы и через них перемещаются ионы.

Натрий, калиевая АТФаза играет важнейшую роль в поддержании гомеостаза натрия и калия во внутри- и внеклеточной среде:

• поддерживает высокий уровень К⁺ и низкий уровень 
  Na⁺ в клетке;
• участвует в формировании мембранного потенциала покоя, в генерации потенциала действия;
• обеспечивает Na⁺ сопряженный транспорт большинства органических   веществ   через   мембрану   (вторично-активный транспорт);
• существенно влияет на гомеостаз Н₂О.

Натрий, каливая АТФаза вносит наиболее важный вклад в формирование ионной асимметрии во вне- и внутриклеточных  пространствах.

Поэтапная работа натрий, калиевого насоса обеспечивает неэквивалентный  обмен калия и натрия через мембрану.

 

Са⁺-АТФаза (насос).

Существуют два семейства  Са²⁺-насосов, ответственных за устранение ионов Са²⁺ из цитоплазмы: Са²⁺-насосы плазмалеммы и Са²⁺-насосы эндоплазматического ретикулума.

Хотя они относятся  к одному семейству белков (так  называемому Р-классу АТФаз), эти насосы обнаруживают некоторые различия в строении, функциональной активности и фармакологии.

Находится в большом  количестве в цитоплазматической мембраны. В цитоплазме клетки в покое концентрация кальция составляет 10-7 моль/л, а вне клетки значительно больше -10-3 моль/л.

Такая значительная разница  концентраций поддерживается за счет работы цитоплазматической Са⁺⁺-АТФазы.

Активность Са²⁺-насоса плазмалеммы контролируется непосредственно Са²⁺: увеличение концентрации свободного кальция в цитозоле активирует Са²⁺-насос.

В покое диффузия через  кальциевые ионные каналы почти не происходит.

Са-АТФаза транспортирует Са из клетки во внеклеточную среду против его концентрационного градиента. По градиенту Са⁺ поступает в клетку благодаря диффузии через ионные каналы.

В мембране эндоплазматического ретикулума также содержится большое количество Са⁺⁺-АТФазы.

Кальциевый насос эндоплазматического  ретикулума (SERCA) обеспечивает удаление кальция из цитозоля в эндоплазматический ретикулум - "депо" кальция за счет первично активного транспорта.

В депо кальций связывается  с кальцийсвязывающими белками (кальсеквестрином, кальретикулином и др.).

В настоящее время  описано по крайней мере три различных изоформы SERCA-насосов.

SERCA1-подтип сосредоточен исключительно в быстрых скелетных мышцах, SERCA2-насосы широко распространены в других тканях. Значимость SERCA3 -насосов менее ясна.

Белки SERCA2-нacocoв разделяются на две различные изоформы: SERCA2a, характерные для кардиомиоцитов и гладких мышц, и SERCA2b, характерные для тканей мозга.

Увеличение Са²⁺ в цитозоле активирует захват ионов кальция в эндоплазматический ретикулум, в то время как увеличение свободного кальция внутри эндоплазматического ретикулума ингибирует насосы SERCA.

Н+ К+ -АТФаза (насос).

При помощи этого насоса (в результате гидролиза одной  молекулы АТФ) в обкладочных (париетальных) клетках слизистой желудка происходит транспорт двух ионов калия из внеклеточного пространства в клетку и двух ионов Н+ из цитозоля во внеклеточное пространство при гидролизе одной молекулы. Этот механизм лежит в основе образования соляной кислоты в желудке.

Ионный насос  класс F.

Митохондриальная АТФаза. Катализирует конечный этап синтеза  АТФ. Крипты митохондрий содержат АТФ-синтазу, сопрягающую окисление в цикле Кребса и фосфорилирование АДФ до АТФ.

Ионный насос  класса V.

Лизосомальные Н⁺-АТФазы (лизосомальные протонные насосы) - протонные насосы, обеспечивающие транспорт Н⁺ из цитозоля в ряд органелл-лизосомы, аппарат Гольджи, секреторные везикулы. В результате понижается значение рН, например, в лизосомах до 5,0 что оптимизирует деятельность этих структур.

Особенности ионного  транспорта

1.   Значительный   и   асимметричный   трансмембранный! градиент для Na⁺ и К⁺ в покое.

Натрия вне клетки (145 ммоль/л) в 10 раз больше, чем в клетке (14 ммоль/л).

Калия в клетке (140 ммоль/л) примерно в 30 раз больше, чем вне  клетки (4 ммоль/л).

Эта особенность распределения  ионов натрия и калия:

• гомеостатируется работой Na⁺/K⁺-нacoca;
• формирует в покое выходящий калиевый ток (канал утечки);
• формирует потенциал покоя;
• работа любых калиевых каналов (потенциалзависимых, кальцийзависимых, лигандзависимых) направлена на формирование выходящего калиевого тока.

Это либо возвращает состояние  мембраны к исходному уровню (активация потенциалзависимых каналов в фазу реполяризации), либо гиперполяризует мембрану (кальцийзависимые, лигандзависимые каналы, в том числе и активируемые системами вторых посредников).

Следует иметь в виду, что:

• перемещение калия через мембрану осуществляется путем пассивного транспорта;
• формирование   возбуждения   (потенциала   действия) всегда обусловлено входящим натриевым током;
• активация любых натриевых каналов всегда вызывает входящий натриевый ток;
• перемещение натрия через мембрану осуществляется почти всегда путем пассивного транспорта;
• в эпителиальных клетках, образующих в тканях стенку разных трубок, полостей (тонкий кишечник, канальца нефрона и др.), во внешней мембране всегда имеется 
  большое количество натриевых каналов, обеспечивающих  при  активации  входящий  натриевый  ток, а  в базальной мембране - большое число натрий, калиевых 
  насосов, выкачивающих натрий из клетки. Такое асимметричное распределение этих транспортных систем для натрия обеспечивает его трансклеточный перенос, 
  т.е. из просвета кишечника, почечных канальцев во внутреннюю среду организма;
• пассивный транспорт натрия в клетку по электрохимическому градиенту ведет к накоплению энергии, которая используется для вторично активного транспорта 
  многих веществ.

2. Низкий уровень  кальция в цитозоле клетки.

В клетке в  покое содержание кальция (50 нмоль/л) в 5000 раз ниже, чем вне клетки (2,5 ммоль/л).

Такой низкий уровень кальция в цитозоле не случаен, так как кальций в концентрациях в 10-100 раз больше исходной выступает в качестве второго внутриклеточного посредника в реализации сигнала.

В таких условиях возможно быстрое увеличение кальция в цитозоле за счет активации кальциевых каналов (облегченная диффузия), которые в большом количестве имеются в цитоплазматической мембране и в мембране эндоплазматического ретикулума (эндоплазматический ретикулум - "депо" кальция в клетке).

Формирование  потоков кальция, происходящее за счет открытия каналов, обеспечивает физиологически значимое повышение концентрации кальция в цитозоле.

Низкий уровень кальция в цитозоле клетки поддерживается Са²⁺-АТФазой, Nа⁺/Са²⁺-обменниками, кальцийсвязывающими белками цитозоля.

Кроме быстрого связывания цитозольного Са²⁺ внутриклеточными Са²⁺-связывающими белками, ионы кальция, попадающие в цитозоль, могут аккумулироваться аппаратом Гольджи или клеточным ядром, захватываться митохондриальными Са²⁺-депо.

3.  Низкий уровень  хлора в клетке.

В клетке в покое содержание хлора (8 ммоль/л) более чем в 10 раз  ниже, чем вне клетки (110 ммоль/л).

Такое состояние поддерживается работой К⁺/Сl- -транспортер.

Изменение функционального состояния  клетки связано (или обусловлено) с  изменением проницаемости мембраны для хлора. При активации протенциал- и лигандуправляемых хлорных  каналов ион через канал путем  пассивного транспорта входит в цитозоль.

Кроме того, вход хлора в цитозоль формируется за счет №⁺/К⁺/2СГ-котранспортера и СГ-НСО₃-обменник.

Вход хлора в клетку увеличивает  полярность мембраны вплоть до гиперполяризации.

Особенности ионного транспорта играют основополагающую роль в формировании биоэлектрических явлений в органах и тканях, которые кодируют информацию, определяют функциональное состояние этих структур, их переход из одного функционального состояния в другое.