12. Іонні канали…

Іонний канал складається з декількох субодиниць, їх кількість в окремому іонному каналі становить від 3 до 12 субодиниць. За своєю організацією субодиниці, що входять до каналу, можуть бути гомологічними (однотипними), ряд каналів сформований різнотипними субодиницями.

Кожна із субодиниць складається з декількох (три і більше) трансмембранних сегментів (неполярні частини, закручені в α-спіралі), із поза- та внутрішньоклітинних петель та кінцевих ділянок доменів (представлені полярними областями молекул, що формують домен та виступають за межі біліпідного шару мембрани) .

Кожен із трансмембранних сегментів, поза- та внутрішньоклітинних петель та кінцевих ділянок доменів виконує свою функцію.

Так, трансмембранний сегмент 2, організований як α-спіралі, визначає селективність каналу.

Кінцеві ділянки домену виступають як сенсори до поза- і внутрішньоклітинних лігандів, а один з трансмембранних сегментів відіграє роль потенціалзалежного сенсора.

Треті трансмембранні сегменти у субодиниці відповідальні за роботу ворітної системи каналів тощо.

Іонні канали працюють за механізмом полегшеної дифузії. Рух за ними іонів при активації каналів йде градієнтом концентрації. Швидкість переміщення через мембрану становить 10 іонів на секунду.

Специфіка іонних каналів.

Більшість їх ставляться до селективним, тобто. каналів, що пропускають лише один вид іонів (натрієві канали, калієві канали, кальцієві канали, аніонні канали).

Селективність каналу.

Селективність каналу визначається наявністю вибіркового фільтра.

Його роль виконує початковий ділянку каналу, який має певний заряд, конфігурацію та розмір (діаметр), що дозволяє пройти в канал лише певному виду іонів.

Деякі з іонних каналів неселективні, наприклад канали витоку. Це такі канали мембрани, якими в стані спокою по градієнту концентрації з клітини виходять іони К + , проте по цих каналах в клітину в стані спокою по градієнту концентрації входить і невелика кількість іонів Na + .

Сенсор іонного каналу.

Сенсор іонного каналу - чутлива частина каналу, яка приймає сигнали, природа яких може бути різна.

На цій основі виділяють:

потенціалзалежні іонні канали;

рецептор керовані іонні канали;

лігандкеровані (лігандзалежні);

механокеровані (механозалежні).

Канали, що мають сенсор, називаються керованими. У деяких каналів сенсор відсутній. Такі канали називають некерованими.

Воротна система іонного каналу.

Канал має ворота, які закриті в стані спокою і відкриваються при впливі сигналу. У деяких каналів виділяють два види воріт: активаційні (m-ворота) та інактиваційні (h-ворота).

Виділяють три стани іонних каналів:

стан спокою, коли ворота закриті та канал недоступний для іонів;

стан активації, коли ворітна система відкрита та іони переміщається через мембрану по каналу;

стан інактивації, коли канал закритий і відповідає стимули.

Швидкість проведення (провідність).

Бувають швидкі та повільні канали. Канали "відпливу" - повільні, натрієві канали в нейронах - швидкі.

У мембрані будь-якої клітини є великий набір різноманітних (за швидкістю) іонних каналів, від активації яких залежить функціональний стан клітин.

Потенціалкеровані канали.

Потенціалкерований канал складається з:

пори, заповненої водою;

• селективного фільтра;

  активаційних та інактиваційних воріт;

  сенсор напруги.

Діаметр каналу значно більший за діаметр іона, в зоні селективного фільтра він звужується до атомарних розмірів, це і забезпечує виконання даною ділянкою каналу функції селективного фільтра.

Відкриття та закриття комірного механізму виникає при зміні мембранного потенціалу, причому відкриваються ворота при одному значенні мембранного потенціалу, а закриваються за іншого рівня потенціалу мембрани.

Вважається, що зміна електричного поля мембрани сприймається спеціальною ділянкою стінки каналу, який отримав назву сенсор напруги.

Зміна його стану, обумовлена ​​зміною рівня мембранного потенціалу, викликає конформацію білкових молекул, що формують канал, і, як наслідок, веде до відкриття або закриття воріт іонного каналу.

Канали (натрієві, кальцієві, калієві) має чотири гомологічні домени - субодиниці (I, II, III, IV). Домен (на прикладі натрієвих каналів) складається із шести трансмембранних сегментів, організованих у вигляді а-спіралей, кожен з яких відіграє свою роль.

Так, трансмембранний сегмент 5 грає роль пори, трансмембранний сегмент 4 сенсора, що реагує зміну потенціалу мембрани, інші трансмембранні сегменти відповідальні за активацію та інактивацію ворітної системи каналу. До кінця роль окремих трансмембранних сегментів та субодиниць не вивчена.

Натрієві канали (внутрішній діаметр 0,55 нм) є в клітинах збудливих тканин. Щільність на 1 мкм 2 у різних тканинах не однакова.

Так, у немієлінових нервових волокнах вона становить 50-200 каналів, а в мієлінових нервових волокнах (перехоплення Ранв'є) - 13000 на 1 мкм 2 площі мембрани. У стані спокою вони закриті. Мембранний потенціал складає 70-80 мВ.

Вплив подразника змінює мембранний потенціал та активує потенціалзалежний натрієвий канал.

Він активується при усуненні потенціалу мембрани від рівня потенціалу спокою у напрямку критичного рівня деполяризації.

Сильний натрієвий струм забезпечує усунення потенціалу мембрани до критичного рівня деполяризації (КУД).

Зміна мембранного потенціалу -50-40 мВ, тобто. до рівня критичного рівня деполяризації, викликає відкриття інших потенціалзалежних №+-каналів, через які здійснюється вхідний натрієвий струм, що формує "пік" потенціалу дії.

Іони натрію по градієнту концентрації і хімічному градієнту каналом переміщаються в клітину, формуючи так званий вхідний натрієвий струм, що призводить до подальшого швидкого розвитку процесу деполяризації.

Мембранний потенціал змінює знак протилежний +10-20 мв. Позитивний мембранний потенціал викликає закриття натрієвих каналів, їхню інактивацію.

Потенциалзависимые № + -канали грають провідну роль формуванні потенціалу дії, тобто. процесу збудження у клітині.

Іони кальцію ускладнюють відкриття потенціалзалежних натрієвих каналів, змінюючи параметри реагування.

До + -канали

Калієві канали (внутрішній діаметр 0,30 нм) є в цитоплазматичних мембранах, виявлено значну кількість каналів "витікання" калію з клітини.

У стані спокою вони відкриті. Через них у стані спокою відбувається "витік" калію з клітини за градієнтом концентрації та електрохімічним градієнтом.

Цей процес позначається як вихід калієвий струм, який призводить до формування потенціалу спокою мембрани (-70-80 мВ). Ці калієві канали можна лише умовно віднести до потенціалзалежних.

При зміні мембранного потенціалу у процесі деполяризації відбувається інактивація калієвого струму.

При реполяризації через потенціалзалежні канали формується вхідний К+струм, який отримав назву К+струм затриманого випрямлення.

Ще один тип потенціалзалежних К+-каналів. За ними виникає швидкий калієвий струм, що виходить, в підпороговій області мембранного потенціалу (позитивний слідовий потенціал). Інактивація каналу відбувається за рахунок гіперполяризації слідів.

Інший тип потенціалзалежних калієвих каналів активується тільки після попередньої гіперполяризації, він формує швидкий калієвий транзиторний струм, який швидко інактивується.

Іони кальцію полегшують відкриття потенціалзалежних калієвих каналів, змінюючи параметри реагування.

Са + -канали.

Потенціалкеровані канали роблять істотний внесок як у регуляцію входу кальцію в цитоплазму, так і в електрогенез.

Білки, що утворюють кальцієві канали, складаються з п'яти субодиниць (al, a2, b, g, d).

Головна субодиниця alformuje власне канал і містить місця зв'язування для різних модуляторів кальцієвих каналів.

Було виявлено кілька структурно різних альсубодиниць кальцієвих каналів у нервових клітинах ссавців (позначених як А, В, С, Dі Е).

Функціонально кальцієві канали різних типіввідрізняються один від одного активацією, кінетикою, провідністю одиночного каналу та фармакологією.

У клітинах описано до шести типів потенціалкерованих кальцієвих каналів (Т - ,L - ,N - ,P - ,Q - ,R - канали).

Активність потенціалкерованих каналів плазмалеми регулюється різними внутрішньоклітинними вторинними посередниками та мембранно-пов'язаними G-білками.

Кальцієві потенціалзалежні канали виявлені у великій кількості в цитоплазматичних мембранах нейронів, міоцитах гладких, поперечно-смугастих та серцевих м'язів та в мембранах ендоплазматичного ретикулуму.

Са 2+ -канали СПР є олігомерними протеїнами, вбудованими в мембрану СПР.

Са 2+ -керовані Са 2+ -канали СПР.

Ці кальцієві канали були вперше виділені зі скелетних та серцевих м'язів.

Виявилося, що Са 2+ -канали СПР у цих м'язових тканинах мають молекулярні відмінності та кодуються різними генами.

Са 2+ -канали СПР у серцевих м'язах безпосередньо пов'язані з високопороговими Са 2+ -каналами плазмалеми (L-тип) через кальційзв'язуючі білки, утворюючи таким чином функціонально активну структуру - "тріаду".

У скелетних м'язах деполяризація плазмалеми прямо активує звільнення Са 2+ з ендоплазматичного ретикулуму завдяки тому, що Са 2+ -канали плазмалеми служать потенційночутливими передавачами активуючого сигналу безпосередньо Са 2+ -каналам СПР через зв'язуючі білки.

Таким чином, Са 2+ -депо скелетних м'язів мають механізм звільнення Са 2+ , що викликається деполяризацією (RyRl-тип).

На відміну від скелетних м'язів, ендоплазматичні Са 2+ -канали кардіоміоцитів не пов'язані з плазмалемою, і для стимуляції звільнення Са 2+ з депо потрібне збільшення концентрації цитозольного кальцію (RyR2-тип).

Крім цих двох типів Са 2+ -активованих Са 2ч -каналів, нещодавно був ідентифікований третій тип Са 2+ -каналів СПР (RyR3-тип), який ще вивчений мало.

Для всіх кальцієвих каналів характерна повільна активація та повільна інактивація порівняно з натрієвими каналами.

При деполяризації м'язової клітини (випинання цитоплазматичних мембран - Т-трубочки підходять до мембран ендоплазматичного ретикулуму) відбувається потенціалзалежне відкриття кальцієвих каналів мембран саркоплазматичного ретикулуму.

Оскільки, з одного боку, концентрація кальцію в СПР велика (депо кальцію), а концентрація кальцію в цитоплазмі низька, з другого - площа мембрани СПР і щільність кальцієвих каналів у ній великі, то рівень кальцію в цитоплазмі збільшується в 100 раз.

Таке збільшення концентрації кальцію ініціює процес скорочення міофібрил.

Кальцієві канали в кардіоміоцитах знаходяться в цитоплазматичній мембрані і належать до кальцієвих каналів L-типу.

Активуються при потенціалі мембрани +20-40 мВ, формують вхідний кальцієвий струм. Довго перебувають у активованому стані, формують "плато" потенціалу дії кардіоміоциту.

Аніонні канали.

Найбільше в мембрані клітини каналів для хлору. У клітині менше іонів хлору проти міжклітинним оточенням. Тому при відкритті каналів хлор входить у клітину за градієнтом концентрації та електрохімічним градієнтом.

Кількість каналів для НСО 3 не така велика, обсяг транспорту цього аніону через канали істотно менше.

Іонні обмінники.

У мембрані є іонні обмінники (білки-переносники), які здійснюють полегшену дифузію іонів, тобто. прискорене сполучення переміщення іонів через біомембрану по градієнту концентрації, такі процеси є АТФ-незалежними.

Найбільш відомі Na + -H + ,K + -H + ,Ca 2+ -H + обмінники, а також обмінники, що забезпечують обмін катіонів на аніони (Na +-Са 2+) або аніону на аніон (Сl-НСOз).

Рецепторкеровані іонні канали.

Лігандкеровані (лігандзалежні) іонні канали.

Ліганд керовані іонні канали є підвидом рецептор керованих каналів і завжди поєднані з рецептором до біологічно активної речовини (БАВ).

Рецептори каналів, що розглядаються, відносяться до іонотропного типу мембранних рецепторів, при взаємодії яких з БАВ (ліганди) виникають швидкопротікаючі реакції.

Лігандкерований іонний канал складається з:

пори, заповненої водою;

селективного фільтра;

активаційних воріт;

центру зв'язування ліганду (рецептор). Високоенергетично активне БАВ має високу

спорідненістю (афінітетом) до певного виду рецепторів. При активації іонних каналів відбувається переміщення певних іонів за градієнтом концентрації та електрохімічним градієнтом.

У рецепторі мембрани центр зв'язування ліганду може бути доступний для ліганду із зовнішньої поверхні мембрани.

В цьому випадку як ліганд виступають гормони і парагормони, іони.

Так, за активації N-холінорецепторів активуються натрієві канали.

Кальцієву проникність ініціюють нейрональні ацетилхолінкеровані, глютаматкеровані (NMDA та АМРА/каїнаттипи) рецептори та пурино-рецептори.

ГАМК А-рецептори пов'язані з іонними хлорними каналами, з хлорними каналами пов'язані і гліцинові рецептори.

У рецепторі мембрани центр зв'язування ліганду може бути доступний для лігандів із внутрішньої поверхні мембрани.

У цьому випадку як ліганд виступають протеїнкінази, активовані іншими посередниками, або самі другі посередники.

Так, протеїнкінази А, С, G, фосфорилуючи білки катіонних каналів, змінюють їхню проникність.

Механокеровані іонні канали.

Механокеровані іонні канали змінюють свою провідність для іонів або за рахунок зміни натягу шару біліпіду, або через цитоскелет клітини. Безліч механокерованих каналів пов'язане з механорецепторами, вони існують у слухових клітинах, м'язових веретенах, судинному ендотелії.

Всі механокеровані канали поділяються на дві групи:

що активуються при розтягуванні клітин (SAC);

що інактивуються при розтягуванні клітин (SIC).

У механокерованих каналів є всі основні канальні ознаки:

час, заповнений водою;

комірний механізм;

сенсор, що реагує на розтяг.

При активації каналу відбувається переміщення іонів по градієнту концентрації.

Натрій калієва АТФаза.

Натрій, калієва Атфаза (натрій-калієвий насос, натрій-калієва помпа).

Складається з чотирьох трансмембранних доменів: з двох α-субодиниць і двох β-субодиниць. α-субодиниця є великим доменом, а β-субодиниця - малим. У ході транспорту іонів фосфорилуються великі субодиниці і крізь них переміщуються іони.

Натрій, калієва АТФаза відіграє найважливішу роль у підтримці гомеостазу натрію та калію у внутрішньо- та позаклітинному середовищі:

підтримує високий рівень К+ та низький рівеньNa+ у клітині;

бере участь у формуванні мембранного потенціалу спокою, у генерації потенціалу дії;

забезпечує Na+ сполучений транспорт більшості органічних речовин через мембрану (вторинно-активний транспорт);

суттєво впливає на гомеостаз Н2О.

Натрій, калива АТФаза робить найбільш важливий внесок у формування іонної асиметрії у поза- та внутрішньоклітинних просторах.

Поетапна робота натрію, калієвого насоса забезпечує нееквівалентний обмін калію та натрію через мембрану.

Са + -АТФаза (Насос).

Існують два сімейства Са2+-насосів, відповідальних за усунення іонів Са2+ з цитоплазми: Са2+-насоси плазмалеми та Са2+-насоси ендоплазматичного ретикулуму.

Хоча вони відносяться до одного сімейства білків (так званого Р-класу АТФаз), ці насоси виявляють деякі відмінності у будові, функціональній активності та фармакології.

Знаходиться у великій кількості у цитоплазматичній мембрані. У цитоплазмі клітини у спокої концентрація кальцію становить 10-7 моль/л, а поза клітиною значно більше -10-3 моль/л.

Така значна різниця концентрацій підтримується за рахунок роботи цитоплазматичної Са++-АТФази.

Активність Са 2+ -насоса плазмалеми контролюється безпосередньо Са 2+: збільшення концентрації вільного кальцію в цитозолі активує Са 2+ -насос.

У спокої дифузія через іонні кальцієві канали майже не відбувається.

Са-АТФаза транспортує Са із клітини у позаклітинне середовище проти його концентраційного градієнта. За градієнтом Са+ надходить у клітину завдяки дифузії через іонні канали.

У мембрані ендоплазматичного ретикулуму також міститься велика кількість Са++-АТФази.

Кальцієвий насос ендоплазматичного ретикулуму (SERCA) забезпечує видалення кальцію з цитозолю в ендоплазматичний ретикулум - депо кальцію за рахунок первинно активного транспорту.

У депо кальцій зв'язується з кальційзв'язуючими білками (кальсеквестрином, кальретикуліном та ін.).

В даний час описано принаймні три різні ізоформи SERCA-насосів.

SERCA1-підтип зосереджений виключно у швидких кістякових м'язах, SERCA2-насоси широко поширені в інших тканинах. Значення SERCA3 - насосів менш ясна.

Білки SERCA2-наcocos поділяються на дві різні ізоформи: SERCA2a, характерні для кардіоміоцитів і гладких м'язів, і SERCA2b, характерні для тканин мозку.

Збільшення Са 2+ у цитозолі активує захоплення іонів кальцію в ендоплазматичний ретикулум, тоді як збільшення вільного кальцію всередині ендоплазматичного ретикулуму пригнічує насоси SERCA.

Н+К+-АТФаза (насос).

За допомогою цього насоса (в результаті гідролізу однієї молекули АТФ) в обкладальних (парієтальних) клітинах слизової оболонки шлунка відбувається транспорт двох іонів калію з позаклітинного простору в клітину і двох іонів Н+ з цитозолю в позаклітинний простір при гідролізі однієї молекули. Цей механізм лежить в основі утворення соляної кислоти у шлунку.

Іонний насос класF.

Мітохондріальна АТФаза. Каталізує кінцевий етап синтезу АТФ. Крипти мітохондрій містять АТФ-синтазу, що сполучає окислення в циклі Кребса та фосфорилювання АДФ до АТФ.

Іонний насос класуV.

Лізосомальні Н+-АТФази (лізосомальні протонні насоси) – протонні насоси, що забезпечують транспорт Н+ із цитозолю до ряду органел-лізосоми, апарат Гольджі, секреторні везикули. В результаті знижується значення рН, наприклад, у лізосомах до 5,0, що оптимізує діяльність цих структур.

Особливості іонного транспорту

1. Значний та асиметричний трансмембранний! градієнт для Na+ та К+ у спокої.

Натрію поза клітиною (145 ммоль/л) у 10 разів більше, ніж у клітині (14 ммоль/л).

Калію в клітині (140 ммоль/л) приблизно в 30 разів більше, ніж поза клітиною (4 ммоль/л).

Ця особливість розподілу іонів натрію та калію:

гомеостатується роботою Na+/K+-наcoca;

формує у спокої калійовий струм, що виходить (канал витоку);

формує потенціал спокою;

робота будь-яких калієвих каналів (потенціалзалежних, кальційзалежних, лігандзалежних) спрямована на формування калієвого струму, що виходить.

Це або повертає стан мембрани до вихідного рівня (активація потенціалзалежних каналів у фазу реполяризації), або гіперполяризує мембрану (кальційзалежні, лігандзалежні канали, у тому числі й активовані системами других посередників).

Слід мати на увазі, що:

переміщення калію через мембрану здійснюється шляхом пасивного транспорту;

формування збудження (потенціалу дії) завжди обумовлено вхідним натрієвим струмом;

активація будь-яких натрієвих каналів завжди викликає вхідний натрієвий струм;

переміщення натрію через мембрану здійснюється майже завжди шляхом пасивного транспорту;

в епітеліальних клітинах, що утворюють у тканинах стінку різних трубок, порожнин (тонкий кишечник, канальця нефрону та ін), у зовнішній мембрані завжди є велика кількість натрієвих каналів, що забезпечують при активації вхідний натрієвий струм, а в базальній мембрані - велика кількість натрій, калієвих насосів, що викачують натрій із клітини. Такий асиметричний розподіл цих транспортних систем натрію забезпечує його трансклітинний перенесення, тобто. із просвіту кишечника, ниркових канальців у внутрішнє середовище організму;

пасивний транспорт натрію в клітину електрохімічним градієнтом веде до накопичення енергії, яка використовується для вдруге активного транспорту багатьох речовин.

2. Низький рівень кальцію у цитозолі клітини.

У клітині спокій вміст кальцію (50 нмоль/л) у 5000 разів нижче, ніж поза клітиною (2,5 ммоль/л).

Такий низький рівень кальцію в цитозолі невипадковий, оскільки кальцій у концентраціях у 10-100 разів більше вихідної виступає як другий внутрішньоклітинний посередник у реалізації сигналу.

У таких умовах можливе швидке збільшення кальцію в цитозолі за рахунок активації кальцієвих каналів (полегшена дифузія), які у великій кількості є в цитоплазматичній мембрані та мембрані ендоплазматичного ретикулума (ендоплазматичний ретикулум - "депо" кальцію в клітці).

Формування потоків кальцію, що відбувається за рахунок відкриття каналів забезпечує фізіологічно значуще підвищення концентрації кальцію в цитозолі.

Низький рівень кальцію в цитозолі клітини підтримується Са2+-АТФазою,Nа+/Са2+-обмінниками, кальційзв'язуючими білками цитозолю.

Крім швидкого зв'язування цитозольного Са 2+ внутрішньоклітинними Са 2+ -зв'язуючими білками, іони кальцію, що потрапляють у цитозоль, можуть акумулюватися апаратом Гольджі або клітинним ядром, захоплюватися мітохондріальними Са 2+ -депо.

3. Низький рівень хлору у клітині.

У клітині спокій вміст хлору (8 ммоль/л) більш ніж 10 разів нижче, ніж поза клітини (110 ммоль/л).

Такий стан підтримується роботою К+/Сl-транспортер.

Зміна функціонального стану клітин пов'язана (або обумовлена) зі зміною проникності мембрани для хлору. При активації протенціал- і ліганду керованих хлорних каналів іон через канал шляхом пасивного транспорту входить в цитозоль.

Крім того, вхід хлору в цитозоль формується за рахунок №+/К+/2СГ-котранспортера та СГ-НСО3-обмінник.

Вхід хлору у клітину збільшує полярність мембрани аж до гіперполяризації.

Особливості іонного транспорту відіграють основну роль формуванні біоелектричних явищ в органах і тканинах, які кодують інформацію, визначають функціональний стан цих структур, їх перехід з одного функціонального стану в інший.

Іонні канали – інтегральні білки, які забезпечують пасивний транспорт іонів за градієнтом концентрації. Енергією для транспорту служить різниця концентрація іонів з обох боків мембрани (трансмембранний іонний градієнт).

Неселективні канали мають такі властивості:

· Пропускають всі типи іонів, але проникність для іонів K + значно вище, ніж для інших іонів;

• завжди знаходяться у відкритому стані.

Селективні канали мають такі властивості:

· Пропускають тільки один вид іонів; для кожного виду іонів є свій вид каналів;

• можуть бути в одному з 3 станів: закритому, активованому, інактивованому.

Виборча проникність селективного каналу забезпечується селективним фільтром,який утворений кільцем із негативно заряджених атомів кисню, яке знаходиться у найвужчому місці каналу.

Зміна стану каналу забезпечується роботою воротного механізму , який представлений двома білковими молекулами. Ці білкові молекули, т.зв. активаційні ворота та інативаційні ворота, змінюючи свою конформацію, можуть перекривати іонний канал.

У стані спокою активаційні ворота зачинені, інактиваційні ворота відчинені (канал закритий) (рис. 2.3). При дії на систему воріт сигналу активаційні ворота відкриваються і починається транспорт іонів через канал (канал активований). При значній деполяризації мембрани клітини інактиваційні ворота закриваються і транспорт іонів припиняється (інактивований канал). При відновленні рівня МП канал повертається у вихідний (закритий) стан.

Залежно від сигналу, що викликає відкриття активаційних воріт, селективні іонні канали поділяють на:

хемочутливі канали - сигналом до відкриття активаційних воріт є зміна конформації асоційованого з каналом білка-рецептора в результаті приєднання до нього ліганду.

• потенційночутливі канали – сигналом до відкриття активаційних воріт є зниження МП (деполяризація) клітинної мембрани до певного рівня, який називають критичним рівнем деполяризації (КУД);

За способом активації виділяють:

· потенціал-активовані іонні канали (перехід із закритого у відкритий стан і назад здійснюється конформацією білкової молекули за зміни потенціалу мембрани). Прикладом може бути потенціал-залежний натрієвий канал, що визначає деполяризацію клітини при генерації потенціалу дії.

· механочутливі іонні канали (відкриваються при вплив на мембрану клітини механічного стимулу, наприклад, при активації механорецепторів шкіри).

· ліганд-активовані іонні канали. За способом активації вони поділені на дві групи (екстраклітинні та внутрішньоклітинні) залежно від того, з якого боку мембрани впливає ліганд. Якщо стимул (наприклад, ацетилхолін) при здійсненні синаптичної передачі збудження в нервово-м'язовому синапсі діє на рецептор (в даному прикладіхолінорецептор, що являє собою одну з декількох білкових субодиниць іонного каналу), розташований на зовнішній поверхні мембрани м'язової клітини, відкриється іонний канал, проникний для катіонів. Якщо ліганд-активовані канали залежать від вторинних посередників у клітині, їх перехід у відкритий стан здійснюється за зміни концентрації певних іонів у цитоплазмі. Прикладом може бути кальцій-активований калієвий канал, що активується зі збільшенням концентрації іонів кальцію в клітині. Такі канали беруть участь у реполяризації мембрани після завершення потенціалу дії.

Поняття про мембранний потенціал, рівноважний іонний потенціал і потенціал спокою. Умови і причини сущ потен спокою. Урав постій поля.Функц мемб птенціалу.

Умови та причини існування потенціалу спокою.

Розрахунки та експериментальні дані свідчать про те, що всі клітини організму в стані «оперативного» спокою характеризуються певним ступенем поляризації. Плазмолемма кожної клітини заряджена, і у спокої її внутрішньої поверхні підтримується негативний щодо міжклітинної середовища потенціал. Трансмембранна різниця потенціалів у різних клітинах різна, але всюди досягає кількох десятків мілівольт. За допомогою мікроелектродної техніки вдалося в експерименті прямо виміряти реальну різницю потенціалів з обох боків клітинної мембрани.

Які іони та іонні канали забезпечують біоелектрогенез? До теперішнього часу відомо, що основний внесок у потенціал спокою та потенціал дії вносять чотири іони. Na+K+Ca++Cl - здатні проникати (або не проникати) у певних умовах через відповідні іонні канали.

Для того, щоб певний іон (має заряд) міг проникнути через мембрану, необхідно, щоб для цього були умови:

1.Наявність концентраційного градієнта (створюється роботою іонних насосів)

2.Наявність електрохімічного градієнта (створюється сумою концентрацій заряджених частинок та властивостями іонних каналів роз'єднувати катіони та аніони з обох боків мембрани).

3.Наявність відповідних каналів у відкритому стані.

При потенціалі спокоювнутрішня сторона клітинної мембрани має заряд, знак якого (негативність) визначається наявністю в цитоплазмі органічних аніонів(білків та амінокислот), нездатних проникати через іонні канали, та дефіцитомих протиіонів– катіонів калію, здатних проникати через калієві іонні канали, унаслідок чого у клітині створюється надлишок негативних іонів, а інтерстиции –надлишок позитивного заряду. Величину негативного заряду в клітині і позитивного заряду в міжклітинному просторі вдається передбачати математично, але тільки для простих випадків, наприклад, для гігантського аксона кальмара.

Розмір потенціалу спокою описується з відомим наближенням рівнянням постійного поля, запропонованим Ходжкіним, Гольдманом і Кацем.

Vм=RT/zFln ((pkо+pNa o +pCl i) / (pki+pNa i +pCl i))

Не слід плутати поняття мембранний потенціал, рівноважний потенціалі потенціал спокою.

Мембранний потенціал визначається сумою діючих по обидва боки мембрани зарядів, що визначає здатність певних іонів проникати через іонні канали.

Рівноважний потенціал – це такий потенціал плазмолеми клітини, при якому сумарний струм певного іону через мембрану дорівнює нулю, незважаючи на можливість окремих іонів проникати через відкриті канали в обмін на такі ж іони, що прямують у протилежному напрямку. Визначається рівнянням Нернста.

Функції мембранного потенціалу спокою:

1. Поляризація мембрани є умовою для збудження та гальмування.

2.Поляризація визначає обсяг виділення медіатора із пресинаптичного закінчення.

3. ПП створює умови для знаходження потенціалзалежних каналів у закритому стані (поляризація мембрани створює умови для формування потенціалу дії).

ЗАГАЛЬНА ФІЗІОЛОГІЯ НЕРВОВОЇ СИСТЕМИ

Концепція нервового центру.

Нервовий центр- Сукупність структур центральної нервової системи, координована діяльність яких забезпечує регуляцію окремих функцій організму або певний рефлекторний акт. Уявлення про структурно-функціональну основу нервового центру обумовлено історією розвитку вчення про локалізації функцій у центральній нервовій системі. Властивості нерв центрів:

2.Уповільнене проведення збудження по нейронних сукупностях ЦНС. Синаптична затримка T син одного міжклітинного контакту приблизно дорівнює 0,5-2 мс. Якщо є n нейронів у мережі, загальний латентний період проведення сигналу мозку відповідає n×T син і може бути дуже значним. Побічно, знаючи час проведення сигналу ЦНС (обчислюється з урахуванням загального часу рефлексу та часу, витраченого на проведення по нервових стовбурах), можна оцінити кількість синаптичних перемикань (n) в дузі конкретного рефлексу.

4. Односторонність проведення збудження, а також дивергенція та конвергенція синаптичних входів створюють морфологічний субстрат для циркуляції збудження (реверберації) по замкнутим нейронним ланцюгам. Вважається, що це явище є основою короткочасної пам'яті.

5.Для певних нейронів, асоційованих у ядра, характерна фонова активність. Вона визначається властивостями мембрани та залежить від спонтанної деполяризації. Інші нейрони є мовчазними і генерують ПД тільки при активації синаптичних входів.

6.Для нейронів і наявних на їх поверхні синапсів характерна чутливість для різних речовин, сигнальних молекул та метаболітів, що містяться у лікворі.

7. характерна стомлюваність, однією з причин якої є зменшення запасів наявного медіатора та низька швидкість його синтезу.

8. Пласичність. Полегшення, потенціація (тетанічна посттетанічна, довготривала), депресія визначаються властивостями рецепторів, слідовими процесами та появою нових синаптичних контактів або рецепторів на поверхні нейронів.

Для нервових мереж мозку характерно спрямоване, одностороннє (лінійне) проведення збудження. Якщо є ланцюжок нейронів, пов'язаних між собою синаптичними контактами, то через властивість хімічних синапсів виділяти медіатор із пресинаптичного закінчення в синаптичну щілину і рецептувати його рецептором, локалізованим на постсинаптичній мембрані, вектор поширення збудження в нейронній мережі спрямований у бік наступного постсинаптичного нейрона. Загальним прикладом даного принципує закон Белла - Мажанді(аферентні волокна входять у спинний мозок через дорсальні, рухові волокна залишають спинний мозок через вентральні коріння).

Процеси конвергенціїполягають у сходження різних імпульсних потоків від декількох нервових клітин до одного і того ж нейрона (див. розділ 4.1.4). Процес конвергенції характерний як для однотипних нервових клітин. Наприклад, на мотонейронах спинного мозку, крім первинних аферентних волокон, конвергують волокна різних низхідних трактів від супраспінальних і власне спинальних центрів, а також від збуджувальних та гальмівних проміжних вставних нейронів. В результаті мотонейрони спинного мозку виконують функцію загального кінцевого шляху для численних нервових утворень, включаючи надсегментний апарат головного мозку, що мають відношення до регуляції рухової функції.

Дивергенцієюназивається здатність нервової клітини встановлювати численні синаптичні зв'язки з різними нервовими клітинами. Завдяки цьому одна нервова клітина може брати участь у кількох різних реакціях, передавати збудження значній кількості інших нейронів, які можуть порушити. більша кількістьнейронів, забезпечуючи широку іррадіацію збудливого процесу у центральних нервових утвореннях.

Будова нейрона.

Функціонально нейрони спинного мозку можна розділити на 4 основні групи:

1) мотонейрони, або рухові, – клітини передніх рогів, аксони яких утворюють передні коріння;

2) інтернейрони - нейрони, які отримують інформацію від спінальних гангліїв і що знаходяться в задніх рогах. Ці нейрони реагують на болючі, температурні, тактильні, вібраційні, пропріоцептивні подразнення;

3) симпатичні, парасимпатичні нейрони розташовані переважно у бічних рогах. Аксони цих нейронів виходять із спинного мозку у складі передніх корінців;

4)) асоціативні клітини - нейрони власного апарату спинного мозку, що встановлюють зв'язки всередині та між сегментами.

Мотонейрони. Аксон мотонейрона своїми терміналями іннервує сотні м'язових волокон, утворюючи мотонейронну одиницю.

Інтернейрони. Ці проміжні нейрони, що генерують імпульси з частотою до 1000 за секунду, є фоновоактивними і мають на своїх дендритах до 500 синапсів. Функція інтернейронів полягає в організації зв'язків між структурами спинного мозку та забезпечення впливу висхідних та низхідних шляхів на клітини окремих сегментів спинного мозку. Дуже важливою функцією інтернейронів є гальмування активності нейронів, що забезпечує збереження спрямованості шляху збудження.

Нейрони симпатичного відділу автономної системи. Розташовані у бічних рогах сегментів грудного відділу спинного мозку. Ці нейрони є фоновоактивними, але мають рідкісну частоту імпульсації (3-5 за секунду).

Нейрони парасимпатичного відділу автономної системи. Локалізуються у сакральному відділі спинного мозку та є фоновоактивними.

Нейроглія, або глію, - сукупність клітинних елементів нервової тканини, утворена спеціалізованими клітинами різної форми. Клітини нейроглії заповнюють простору між нейронами, становлячи 40% обсягу мозку. Гліальні клітиниза розміром у 3-4 рази менше, ніж нервові; З віком у людини в мозку кількість нейронів зменшується, а кількість гліальних клітин збільшується. Класифікація:

Астроцити є багатовідростковими клітинами з ядрами овальної форми і невеликою кількістю хроматину. Розміри астроцитів – 7-25 мкм. розташовуються головним чином сірому речовині мозку. Ядра астроцитів містять ДНК, протоплазма має пластинчастий комплекс, центрисому, мітохондрії. астроцити є опорою нейронів, забезпечують репаративні процеси нервових стовбурів, ізолюють нервове волокно, беруть участь у метаболізмі нейронів. Відростки астроцитів утворюють «ніжки», що огортають капіляри, практично повністю покриваючи їх. У результаті між нейронами та капілярами розташовуються лише астроцити. Мабуть, вони забезпечують транспорт речовин із крові в нейрон та назад. Астроцити утворюють містки між капілярами та епендимою, що вистилає порожнини шлуночків мозку. Вважають, що таким чином забезпечується обмін між кров'ю та цереброспінальною рідиною шлуночків мозку, тобто астроцити виконують транспортну функцію.

Олігодендроцити - мала кількість відростків. Вони менші за розміром, ніж астроцити. У корі великого мозку кількість олігодендроцитів зростає від верхніх шарів до нижніх. У підкіркових структурах, у стовбурі мозку олігодендроцитів більше, ніж у корі. Олігодендроцити беруть участь у міє-нізації аксонів (тому їх більше в білій речовині мозку), у метаболізмі нейронів, а також трофіці нейронів.

Мікроглія представлена ​​найдрібнішими багатовідростчастими клітинами глії, що належать до блукаючих клітин. Джерелом мікроглії є мезодерма. Мікрогліальні клітини здатні до фагоцитозу.

14. Сучасні ставлення до міжклітинних контактах.

Синапсами називають контакти, які встановлюють нейрони як самостійні освіти. Синапс є складною структурою і складається з пресинаптичної частини (закінчення аксона, що передає сигнал), синаптичної щілини і постсинаптичної частини (структура сприймає клітини).

Класифікація синапсів. Синапси класифікуються за місцезнаходженням, характером дії, способом передачі сигналу.

За місцем розташування виділяють нервово-м'язові, синапси та нейронейрональні, останні у свою чергу діляться на аксо-соматичні, аксоаксональні, аксодендритичні, дендросоматичні.

За характером на сприймаючу структуру синапси може бути збуджуючими і гальмуючими.

За допомогою передачі сигналу синапси діляться на електричні, хімічні, змішані.

Характер взаємодії нейронів. Визначається способом цієї взаємодії: дистантна, суміжна, контактна.

Дистантна взаємодія може бути забезпечена двома нейронами, розташованими у різних структурах організму. Наприклад, у клітинах низки структур мозку утворюються нейрогормони, нейропептиди, здатні впливати гуморалию на нейрони інших відділів.

Сумежна взаємодія нейронів здійснюється у разі, коли мембрани нейронів розділені лише міжклітинним простором. Зазвичай така взаємодія є там, де між мембранами нейронів немає глиальных клітин. Така суміжність характерна для аксонів нюхового нерва, паралельних волокон мозочка і т. д. Вважають, що суміжна взаємодія забезпечує участь сусідніх нейронів у виконанні єдиної функції. Це відбувається зокрема тому, що метаболіти, продукти активності нейрона, потрапляючи в міжклітинний простір, впливають на сусідні нейрони. Сумежна взаємодія може в ряді випадків забезпечувати передачу електричної інформації від нейрона до нейрона.

У медичних новинах постійно з'являється інформація про те, що вчені знайшли черговий спосіб впливу на іонні канали — вони намагаються їх активувати, то, навпаки, поспішають блокувати. Наприклад, зовсім недавно було опубліковано повідомлення про дослідження професора Тель-Авівського університету (Tel Aviv University) Майкла Гуревітца (Michael Gurevitz), який розробляє нове болезаспокійливе на основі компонентів отрути ізраїльського жовтого скорпіона — одного з найнебезпечніших скорпіонів у світі. Передбачається, що цей препарат впливатиме на натрієві канали, які відповідають за сприйняття болю, та стане ефективним для знеболювання нового покоління. Про іонні канали згадують, і коли мова заходить про онкологічні захворювання, серцево-судинні відхилення і навіть шкідливі уподобання. То що ж це за канали і чому їхня робота така важлива?

Клітина в дірку

Жива клітина — це статична освіту, у ній постійно відбувається обмін речовин, адже взаємодія клітин друг з одним і довкіллям — необхідна умова підтримки життя організму. Обмін цей відбувається через мембрану (оболонку) клітин, через яку за потреби повинні проникати багато елементів: іони, амінокислоти, нуклеотиди.

Щоб мембрана за необхідності могла бути проникна цих елементів, у ній є спеціальні транспортні білки, які утворюють пори, своєрідні «дірки» в мембрані. Ці пори є закупорені молекулами води канали діаметром менше 1 нм, і ці мембранні канали мають відносну вибірковість по відношенню до типу молекул, які можуть через них проходити. Є, наприклад, кальцієві, натрієві, калієві канали і вони не пропускають інші іони, крім специфічних. Така вибірковість каналу обумовлена ​​його зарядом та структурою.

Для проведення потоку іонів через свою пору іонні канали використовують різницю потенціалів. Так як струм, що виникає при русі іонів, можна виміряти - причому навіть для одиночного каналу, за поведінкою мембранних іонних каналів легко спостерігати. Канали спонтанно та часто відкриваються та закриваються. І ці переходи з однієї форми в іншу можна вивчати методами рентгенівської дифракції, месбауерівської спектроскопії та ядерно-магнітного резонансу. Завдяки цим дослідженням стало ясно, що ці канали — високоорганізовані структури, не просто трубка з водою, а лабіринт електрично нейтральних і заряджених молекулярних груп, що швидко рухаються.

Існують десятки різновидів іонних каналів. Найбільшу групу складають калієві канали, до якої входить близько сорока видів. І кожен різновид унікальний за своїми структурними характеристиками і виконуваними функціями. Наприклад, калієві канали великої провідності (через них проходить більша кількість іонів калію, ніж іншими каналами) складаються з круних фрагментів білка, субодиниць, згорнутих в α-спіраль. Їх доповнюють відносно короткі фрагменти, які крім первинної спіральної мають також вторинну β-структуру. Вони, у свою чергу, поділяються на β-1, β-2, β-3 або β-4, кожна з яких надає каналу унікальних властивостей. Наприклад, β-4 робить канал стійким до блокатора іберіотоксину. Якщо блокада каналу здійснена вдало, струм через канал проходити нічого очікувати.

Навіщо взагалі потрібні ці високоорганізовані «дірки» у клітинах? Іонні канали – це основа життя. Вони забезпечують збудливість нервової системи, передачу нервових імпульсів із нерва на м'яз, секрецію гормонів. Активування іонних каналів запускає каскади фізіологічних реакцій, зумовлює наше мислення, роботу серцевого м'яза і дихальної діафрагми, навіть наші прихильності (наприклад, алкоголю) і ті сучасні вчені схили пояснювати особливостями роботи іонних каналів.

Блокування цих важливих каналів призводить до серйозних змін у організмі. І немає нічого дивного в тому, що іонні канали стали основною мішенню для розробки нових отрут та хімічної зброї. Так, одна з найпотужніших нервово-паралітичних отрут, відомих людству, тетродотоксин, блокує натрієві канали. Завдяки великим розмірам молекули тетродотоксин буквально закупорює пору натрієвого каналу, так що проходження іонів натрію через неї стає неможливим і нервовий імпульс не передається від клітини до клітини. М'язи завмирають, адже вони підкоряються сигналам нервової системи. Токсини подібної дії, наприклад, конотоксин, знаходяться в арсеналі змій і морських молюсків і допомагають їм паралізувати жертву.

Іонні канали в медицині

У медицині сьогоднішнього дняцілу низку захворювань пояснюють порушенням у роботі іонних каналів. Хоча вони мають різні шляхи лікування, спільність їх причин дозволило виділити їх в окрему групу. Вони включають як набуті, так і спадкові недуги.

У 2003 році Нобелівську премію з хімії було присуджено американському вченому Родеріку Маккіннону (Roderick McKinnon) за відкриття структури іонного каналу. У 1998 році йому вдалося кристалографічними методами отримати тривимірну молекулярну структуру калієвого каналу бактерії Streptomyces lividans. Зображення білка з'явилося на обкладинці журналу Science, редакція якого вважала відкриття Маккіннона одним з десяти найвидатніших наукових досягнень року. Цей білок складається з 4 субодиниць, що мають α-спіральну будову. Через порожнину в центрі переноситься катіон калію. Ілюстрація: BNL/DoE, Rockefeller University/Roderick MacKinnon

Наприклад, з порушенням функції цілої групи іонних каналів, включаючи натрієві та калієві, пов'язують розвиток синдрому хронічної втоми. Зі спадкових захворювань, викликаних порушенням функціонування іонних каналів, можна згадати епілепсію, яка викликана збоями в роботі калієвих каналів великої провідності. Під керівництвом професора Річарда Алдріча (Richard Aldrich) з Техаського університету в Сан-Антоніо (University of Texas at San Antonio) вдалося довести, ставлячи досліди на трансгенних мишах, у яких був заблокований ген KCNMB4, що при недостатній кількості бета4 субодиниць калієвий канал неадекват на нервове збудження, що призводить до конвульсії.

З недостатньою функцією β-1 субодиниці каналу пов'язують розвиток гіпертонії. Якщо з якоїсь причини амінокислотний склад білка -1 субодиниці не відповідає нормі, то канал з такою субодиницею не в змозі підтримувати розширення стінок судин, через що виникає напруга артерій і розвивається гіпертонія. Про це свідчать, наприклад, дослідження Ральфа Келера (Ralf Köhler) з Університету Південної Данії (Syddansk Universitet).

Ще одне широко поширене серцево-судинне захворювання - синдром подовженого QT пов'язують з мутаціями в генах, що кодують калієві канали серцевого м'яза, що призводить до посилення активності калієвих каналів і змінює нормальний потік калію в серцевому м'язі.

Порушення функцій кальцієвих каналів призводять до атаксій - станів, при яких неможлива координація рухів.

Нарешті, муковісцидоз (або фіброзно-кістозна дегенерація) - найважче захворювання дихальної системи та шлунково-кишкового тракту поряд з іншими причинами пов'язують із мутаціями в CFTR гені, що кодує хлорний канал.

Так що нормальне функціонування іонних каналів будь-якого типу надзвичайно важливе для здоров'я людини.

Взяти канали на приціл!

Сьогодні фармацевти активно працюють над створенням препаратів, які на них впливають. Мабуть, одні з найпопулярніших із подібних препаратів — антиаритмічні засоби, які нормалізують порушений ритм серцевих скорочень. До них відносяться так звані «антагоністи кальцію» (наприклад, верапаміл), які перешкоджають проникненню іонів кальцію з міжклітинного простору до м'язових клітин серця та судин через повільні кальцієві канали L-типу. Знижуючи концентрацію іонів кальцію в клітинах серцевої м'язи та стінках судин, антагоністи кальцію розширюють коронарні та периферичні артерії.

Активатори калієвих каналів (ікорандил, міноксидил, діазоксид, пінацидил) теж викликають розширення коронарних судин та судин у периферичних органах. Впливати на калієві канали намагаються і для зупинки інсультів, спричинених спазмом судин головного мозку.

Популярні в хірургічній практиці місцеві анестетики – лідокаїн та новокаїн блокують відчуття болю шляхом закупорки натрієвих каналів. Щоправда, побічний ефект цих препаратів у тому, що вони призводять до втрати як больової, а й тактильної чутливості.

Однак вдалося встановити, що на допомогу в такій ситуації можуть прийти інші іонні канали — так звані Transient receptor potential (TRP). Це сімейство каналів налічує безліч видів, які характеризуються слабкою селективністю та пропускають більшість позитивно заряджених іонів, включаючи натрій, кальцій та магній.

Особлива група TRP каналів, яка розташована в нервових клітинах, що реагують на біль, чутлива до присутності активного компонента перцю чилі капсаїцину. Якщо активувати TRP канали капсаїцином, то наступне введення лідокаїну вибірково блокуватиме тільки ці TRP канали, тобто канали, розташовані виключно в больових нейронах. Таким чином, можна буде позбутися побічної дії знеболювальної.

Відносна простота тестування роботи іонних каналів і перспективні результати роблять їх привабливою метою для фармацевтичної промисловості. До того ж, багато існуючих препаратів з часом втрачають свою ефективність: організм звикає до них і реагує не так, як задумували творці. Вченим доводиться постійно шукати шляхи усунення різних збоїв, а іонні канали це, можна сказати, основа життя. І сьогодні маніпуляції ними, з одного боку, залучають багатомільярдні інвестиції, а з іншого — дають певну надію тим, хто страждає найрізноманітнішими недугами.

Новини партнерів

Іонні каналипредставлені інтегральними білкамимембрани. Ці білки здатні, при певних впливах, змінювати свою конформацію (форму і властивості) таким чином, що час, через який може пройти будь-який іон відкривається або закривається. Відомі натрієві, калієві, кальцієві, хлорні канали, іноді канал може пропускати два іони, наприклад, відомі натрій - кальцієві канали. Через іонні канали здійснюється лише пасивний транспорт іонів.Це означає, що з переміщення іона необхідний як відкритий канал, а й градієнт концентрації цього иона. У цьому випадку буде рух іона по градієнту концентрації – з області з більшою концентрацією в область з меншою концентрацією. Необхідно пам'ятати, що ми говоримо про іони – заряджені частинки, транспорт яких обумовлений ще й зарядом. Можливі ситуації, коли рух градієнтом концентрації може бути спрямований в один бік, а існуючі заряди протидіють цьому переносу.

Іонні канали мають дві найважливіші властивості: 1) вибірковістю (селективністю) по відношенню до певних іонів та 2) здатністю відкриватися (активуватися) та закриватися. При активації канал відкривається та пропускає іони (рис. 8). Таким чином, до комплексу інтегральних білків, що формують канал, повинні обов'язково входити два елементи: структури, які розпізнають «свій» іон і здатні його пропустити, і структури, які дозволяють дізнатися коли пропускати цей іон. Селективність каналу визначається тими білками, які його утворюють, «свій» іон розпізнається за розмірами та зарядом.

Активація каналівможлива кількома шляхами. По-перше, канали можуть відкриватися та закриватися при зміні потенціалу мембрани. Зміна заряду призводить до зміни конформації білкових молекул і канал стає проникним для іона. Для зміни властивостей каналу досить мізерного коливання потенціалу мембрани. Такі канали називаються потенціал-залежні(або електрокеровані). По-друге, канали можуть бути складовою частиною білкового комплексу, який називається мембранний рецептор. У цьому випадку зміна властивостей каналу обумовлена ​​конформаційною перебудовою білків, яка відбувається в результаті взаємодії рецептора з біологічно активною речовиною (гормоном, медіатором). Такі канали називаються хемозалежні(або рецептор-керовані ) . Крім того, канали можуть відкриватися при механічному впливі – тиск, розтяг (рис.9). Механізм, що забезпечує активацію, називається воротами каналу. За швидкістю, з якою відкриваються і закриваються канали їх можна розділити на швидкі та повільні.

Більшість каналів (калієві, кальцієві, хлорні) можуть перебувати у двох станах: відкритому та закритому. У роботі натрієвих каналів є деякі особливості. Цим каналам, як і калієвим, кальцієвим, хлорним властиво перебувати або у відкритому, або в закритому стані, однак, натрієвий канал може бути інактивований, цей стан, в якому канал закритий і не може бути відкритий ніяким впливом (рис.10).

Рисунок 8. Стану іонних каналів

Рисунок 9. Приклад роботи рецептор-керованого каналу. АЦХ – ацетилхолін. Взаємодія молекули АЦХ з мембранним рецептором змінює конформацію ворітного білка таким чином, що канал починає пропускати іони.

Рисунок 10 Приклад потенціал-залежного каналу

У потенціал-залежному натрієвому каналі є активаційні та інактиваційні ворота (заслінки). Активаційні та інактиваційні заслінки змінюють конформацію при різному мембранному потенціалі.

При розгляді механізмів збудження нас буде цікавити переважно робота натрієвих і калієвих каналів, проте, зупинимося коротко на особливостях кальцієвих каналів, вони нам знадобляться надалі. Натрієві та кальцієві канали відрізняються за своїми властивостями. Натрієві канали бувають швидкі та повільні, а кальцієві – лише повільні. Активація натрієвих каналів призводить тільки до деполяризації та виникнення або ЛВ, або ПД, активація кальцієвих може додатково викликати метаболічні зміни в клітині. Ці зміни обумовлені тим, що кальцій зв'язується зі спеціальними чутливими до цього іону білками. Пов'язаний із кальцієм білок змінює властивості таким чином, що стає здатним змінити властивості інших білків, наприклад, активувати ферменти, запустити скорочення м'яза, виділення медіаторів.

Згідно з сучасними уявленнями, біологічні мембраниутворюють зовнішню оболонку всіх тварин клітин та формують численні внутрішньоклітинні органели. Найбільш характерною структурною ознакою є те, що мембрани завжди утворюють замкнуті простори і така мікроструктурна організація мембран дозволяє їм виконувати найважливіші функції.

Будова та функції клітинних мембран.

1. Бар'єрна функція виявляється у тому, що мембрана з допомогою відповідних механізмів бере участь у створенні концентраційних градієнтів, перешкоджаючи вільної дифузії. У цьому мембрана бере участь у механізмах електрогенезу. До них відносяться механізми створення потенціалу спокою, генерація потенціалу дії, механізми поширення біоелектричних імпульсів за однорідною та неоднорідною збудливими структурами.

2. Регуляторна функція клітинної мембрани полягає в тонкій регуляції внутрішньоклітинного вмісту та внутрішньоклітинних реакцій за рахунок рецепції позаклітинних біологічно активних речовин, що призводить до зміни активності ферментних систем мембрани та запуску механізмів вторинних «месенджерів» («посередників»).

3. Перетворення зовнішніх стимулів неелектричної природи на електричні сигнали(У рецепторах).

4. Вивільнення нейромедіаторів у синаптичних закінченнях.

Сучасними методами електронної мікроскопіїбуло визначено товщину клітинних мембран (6-12 нм). Хімічний аналіз показав, що мембрани в основному складаються з ліпідів і білків, кількість яких неоднакова у різних типівклітин. Складність вивчення молекулярних механізмів функціонування клітинних мембран зумовлена ​​тим, що при виділенні та очищенні клітинних мембран порушується їхнє нормальне функціонування. В даний час можна говорити про декілька видів моделей клітинної мембрани, серед яких найбільшого поширення набула рідинно-мозаїчна модель.

Згідно з цією моделлю, мембрана представлена ​​бислоем фосфоліпідних молекул, орієнтованих таким чином, що гідрофобні кінці молекул знаходяться всередині бислоя, а гідрофільні направлені у водну фазу. Така структура ідеально підходить для утворення поділу двох фаз: поза- та внутрішньоклітинної.

У фосфоліпідному бішарі інтегровані глобулярні білки, полярні ділянки яких утворюють гідрофільну поверхню у водній фазі. Ці інтегровані білки виконують різні функції, у тому числі рецепторну, ферментативну, утворюють іонні канали, є мембранними насосами та переносниками іонів та молекул.

Деякі білкові молекули вільно дифундують у площині ліпідного шару; у звичайному стані частини білкових молекул, що виходять з різних боків клітинної мембрани, не змінюють свого становища.

Електричні характеристики мембран:

Ємнісні властивості в основному визначаються фосфоліпідним біслоєм, який непроникний для гідратованих іонів і в той же час досить тонкий (близько 5 нм), щоб забезпечувати ефективний поділ і накопичення зарядів та електростатичну взаємодію катіонів та аніонів. Крім того, ємнісні властивості клітинних мембран є однією з причин, що визначають часові характеристики електричних процесів, що протікають на клітинних мембранах.

Провідність (g) - величина, зворотна електричному опору і дорівнює відношенню величини загального трансмембранного струму для іона до величини, що зумовила його трансмембранної різниці потенціалів.

Через фосфоліпідний бислой можуть дифундувати різні речовини, причому ступінь проникності (Р), тобто здатність клітинної мембрани пропускати ці речовини, залежить від різниці концентрацій дифузної речовини по обидва боки мембрани, його розчинності в ліпідах та властивостей клітинної мембрани.

Провідність мембрани є мірою її іонної проникності. Збільшення провідності свідчить збільшення кількості іонів, які проходять через мембрану.

Будова та функції іонних каналів. Іони Na+, K+, Са2+, Сl- проникають усередину клітини і виходять назовні через спеціальні, заповнені рідиною канали. Розмір каналів досить малий.

Усі іонні канали поділяються на такі групи:

1. За вибірковістю:

a) селективні, тобто. специфічні. Ці канали проникні для певних іонів.

b) Малоселективні, неспецифічні, які мають певної іонної вибірковості. Їх у мембрані невелика кількість.

1. За характером іонів, що пропускаються:

a) калієві

b) натрієві

c) кальцеві

d) хлорні

1. За швидкістю інактивації, тобто. закривання:

a) що швидко інактивуються, тобто. швидко переходять у закритий стан. Вони забезпечують швидко наростаюче зниження МП і таке ж швидке відновлення.

b) повільноінактивовані. Їх відкривання викликає повільне зниження МП та повільне його відновлення.

4. За механізмами відкривання:

a) потенціалзалежні, тобто. ті, що відкриваються при певному рівні потенціалу мембрани.

b) хемозалежні мембрани, що відкриваються при впливі на хеморецептори, клітини фізіологічно активних речовин (нейромедіаторів, гормонів тощо).

В даний час встановлено, що іонні канали мають таку будову:

1.Селективний фільтр, розташований у гирлі каналу. Він забезпечує проходження через канал строго певних іонів.

2.Активаційні ворота, які відчиняються при певному рівні мембранного потенціалу або дії відповідного ФАВ. Активаційні ворота потенціалзалежних каналів є сенсором, який відкриває їх на певному рівні МП.

3.Інактиваційні ворота, що забезпечують закривання каналу та припинення проведення іонів каналом на певному рівні МП.(Мал.).

Неспецифічні іонні канали немає воріт.

Селективні іонні канали можуть перебувати в трьох станах, які визначаються положенням активаційних (м) та інактиваційних (h) воріт:

1.Закрито, коли активаційні закриті, а інактиваційні відкриті.

2.Активовані, і ті та інші ворота відкриті.

3.Інактивовані, активаційні ворота відкриті, а інактиваційні закриті

Функції іонних каналів:

1. Калієвий (у спокої) – генерація потенціалу спокою

2. Натрієвий – генерація потенціалу дії

3. Кальцієвий – генерація повільних дій

4. Калієвий (затримане випрямлення) – забезпечення реполяризації

5. Калієвий кальцій-активований – обмеження деполяризації, обумовленої струмом Са+2

Функцію іонних каналів вивчають у різний спосіб. Найбільш поширеним є метод фіксації напруги, або "voltage-clamp". Сутність методу полягає в тому, що за допомогою спеціальних електронних систему процесі досвіду змінюють та фіксують на певному рівні мембранний потенціал. При цьому вимірюють величину іонного струму, що протікає через мембрану. Якщо різниця потенціалів стала, то відповідно до закону Ома величина струму пропорційна провідності іонних каналів. У відповідь на ступінчасту деполяризацію відкриваються ті чи інші канали, відповідні іони входять у клітину електрохімічним градієнтом, тобто виникає іонний струм, який деполяризує клітину. Ця зміна реєструється за допомогою підсилювача, що управляє, і через мембрану пропускається електричний струм, рівний за величиною, але протилежний у напрямку мембранного іонного струму При цьому трансмембранна різниця потенціалів не змінюється.

Вивчення функції окремих каналів можливе методом локальної фіксації потенціалу path-clamp. Скляний мікроелектрод (мікропіпетка) заповнюють сольовим розчином, притискають до поверхні мембрани та створюють невелике розрідження. При цьому частина мембрани підсмоктується до мікроелектрод. Якщо в зоні присмоктування виявляється іонний канал, реєструють активність одиночного каналу. Система подразнення та реєстрації активності каналу мало відрізняється від системи фіксації напруги.

Струм через одиночний іонний канал має прямокутну форму і однаковий амплітудою для каналів різних типів. Тривалість перебування каналу у відкритому стані має імовірнісний характер, але залежить від величини мембранного потенціалу. Сумарний іонний струм визначається ймовірністю знаходження у відкритому стані у кожний конкретний період часу певної кількості каналів.

Зовнішня частина каналу порівняно доступна вивчення, вивчення внутрішньої частини становить значні труднощі. П. Г. Костюком було розроблено метод внутрішньоклітинного діалізу, який дозволяє вивчати функцію вхідних та вихідних структур іонних каналів без застосування мікроелектродів. Виявилося, що частина іонного каналу, відкрита у позаклітинний простір, за своїми функціональними властивостями відрізняється від частини каналу, зверненої у внутрішньоклітинне середовище.

Саме іонні канали забезпечують дві важливі властивості мембрани: селективність та провідність.

Селективність або вибірковість каналу забезпечується його особливою білковою структурою. Більшість каналів є електрокерованими, тобто їхня здатність проводити іони залежить від величини мембранного потенціалу. Канал неоднорідний за своїми функціональними характеристиками, особливо це стосується білкових структур, що знаходяться біля входу в канал і його виходу (так звані воротні механізми).

Розглянемо принцип роботи іонних каналів з прикладу натрієвого каналу. Вважають, що в стані спокою натрієвий канал закритий. При деполяризації клітинної мембрани до певного рівня відбувається відкриття m-активаційних воріт (активація) та посилення надходження іонів Na+ усередину клітини. Через кілька мілісекунд після відкриття m-воріт відбувається закриття h-воріт, розташованих біля виходу натрієвих каналів (інактивація). Інактивація розвивається в клітинній мембрані дуже швидко і ступінь інактивації залежить від величини та часу дії стимулю, що деполяризує.

При генерації одиночного потенціалу дії в товстому нервовому волокні зміна концентрації іонів Na+ у внутрішньому середовищі становить лише 1/100000 від внутрішнього вмісту іонів Na гігантського кальмара аксона.

Крім натрієвих, у клітинних мембранах встановлені інші види каналів, вибірково проникних окремих іонів: До+, Са2+, причому існують різновиду каналів цих іонів.

Ходжкін і Хакслі сформулювали принцип «незалежності» каналів, згідно з яким потоки натрію та калію через мембрану незалежні один від одного.

Властивість провідності різних каналів неоднакова. Зокрема, для калієвих каналів процес інактивації як для натрієвих каналів не існує. Є спеціальні калієві канали, що активуються при підвищенні внутрішньоклітинної концентрації кальцію та деполяризації клітинної мембрани. Активація калій-кальційзалежних каналів прискорює реполяризацію, тим самим відновлюючи вихідне значення потенціалу спокою.

Особливий інтерес становлять кальцієві канали. Вхідний кальцієвий струм, як правило, недостатньо великий, щоб нормально деполяризувати клітинну мембрану. Найчастіше кальцій, що надходить у клітину, виступає в ролі «месенджера», або вторинного посередника. Активація кальцієвих каналів забезпечується деполяризацією клітинної мембрани, наприклад, вхідним натрієвим струмом.

Процес інактивації кальцієвих каналів є досить складним. З одного боку, підвищення внутрішньоклітинної концентрації вільного кальцію призводить до інактивації кальцієвих каналів. З іншого боку, білки цитоплазми клітин зв'язують кальцій, що дозволяє тривалий час підтримувати стабільну величину кальцієвого струму, хоча і на низькому рівні; при цьому натрієвий струм повністю пригнічується. Кальцієві канали грають істотну роль клітинах серця. Електрогенез кардіоміоцитів у главі 7. Електрофізіологічні характеристики клітинних мембран досліджують з допомогою спеціальних методів.