Ионные каналы

 

Коннексоны найдены практически во всех видах клеток.

 

9. «Энерго-зависимые транспортёры» (ионные насосы, ионные помпы, ионные обменники, транспортёры). Это особая группа динамичных пор, проводящих ионы через мембрану, которые формально не относятся к ИК. Их деятельность обеспечивается энергией расщепления АТФ. Они представлены мембранными ферментными белками АТФазами, которые активно протаскивают через себя ионы, используя для этого энергию расщепления АТФ, и обеспечивают активный транспорт ионов через мембрану даже против их градиента концентрации.

 

Примеры: натрий-калиевый насос, протонный насос, кальциевый насос.

 

 

Примеры ионных каналов разного типа

Ацетилхолиновый рецептор лиганд-управляемого (хемозависимого) ионного канала

 

На рисунке представлена структурная модель лиганд-управляемого ацетилхолинового ИК.

 

Глутаматные лиганд-управляемые (хемозависимые) и совместно-управляемые  ионные каналы

 

Постсинаптические рецепторы к глутамату классифицируются в соответствии с аффинностью (сродством) к трем экзогенным агонистам:

 

1) квисгулату,

 

2) каинату,

 

3) N-метил-D-аспартату (NMDA).

 

 

Ионные каналы, активируемые квисгулатом и каинатом, подобны каналам, которые управляются никотиновыми рецепторами — они пропускают смесь катионов (Na+ и К+). По нашей функциональной классификации они являются лиганд-управляемыми.

 

Стимуляция NMDA-рецепторов имеет сложный характер активации: ионный ток, который переносится не только Na+ и К+, но также Са++ при открывании ионного канала рецептора, зависит от потенциала мембраны. По нашей классификации они относятся к совместно-управляемым ионным каналам.

Потенциал-управляемые ионные каналы

 

 

На рисунке  представлена модель, отражающая взаимодействие субъединиц потенциал-управляемого кальциевого канала (вверху), и его доменная структура.

 

Этот белковый канал построен из пяти субъединиц: a1, a2, b, g и d. Три из них (a1, g и d) прошивают плазматическую мембрану, причем их N- и C-концы расположены в цитоплазме. b-субъединица полностью находится в цитозольном пространстве клетки, а a2-субъединица, взаимодействующая через S-S-мостики с d-субъединицей, выступает над наружной стороной мембраны.

 

Все субъединицы, за исключением d, состоят из нескольких компактных доменов, соединенных между собой петлями. В виде цилиндров изображены a-спиральные участки субъединиц. Места фосфорилирования (Р) аминокислотных остатков показаны красным цветом.

 

 

 

 

 

 

 

Ионные каналы мембраны и их виды

 

Ионные каналы (ИК) относятся к мембранным интегральным белкам, пронизывающим клеточную мембрану поперёк. Они выстроены из нескольких субъединиц и образуют структуру со сложной пространственной конфигурацией. В этой своеобразной "молекулярной машине" имеются системы открытия, закрытия, избирательности, активации, инактивации и регуляции, а также участки-сайты для связывания с управляющими веществами.

В ИК (например, в NMDA-комплексе) может встречаться до 8 точек для приложения управляющего воздействия, т.е. для связывания управляющих веществ, меняющих состояние канала.

Отдельные части этой структуры являются подвижными относительно друг друга, и они непрерывно шевелятся, меняя своё взаиморасположение. Поэтому общее состояние ИК может непрерывно меняться, и он в определённые моменты времени может оказаться в открытом состоянии, а в другие моменты — в закрытом. Это вероятностный процесс, и внешнее управление каналом лишь меняет вероятность его нахождения в открытом и закрытом состоянии.

Для ИК функционально важными являются именно эти их переходы между открытыми и закрытыми состояниями. Эти переходы совершаются практически моментально. Иногда канал открыт только одну миллисекунду или даже меньше, хотя в следующий раз он может открыться на гораздо более продолжительное время. Тем не менее, каждый канал имеет своё характерное среднее время открытого состояния, и все вариации происходят именно вокруг этого среднего показателя.

Некоторые ИК открываются достаточно часто даже в покое. Это означает, что вероятность нахождения таких каналов в открытом состоянии даже в неактивированной клетке относительно высока. Большинство таких постоянно открытых ионных каналов проницаемо для калия или хлора. Они важны для генерации мембранного потенциала покоя.

Такие ИК мы предлагаем называть «неуправляемыми».

Другие ИК мембраны, которых большинство, большую часть времени закрыты, то есть вероятность нахождения их в открытом состоянии очень низка. Активация этих каналов адекватным стимулом резко увеличивает вероятность их открытия, хотя и нельзя сказать, что эта вероятность достигает 100%, и что каждый активируемый канал обязательно откроется. Этот же стимул может деактивировать ИК, бывшие активными в покое. Важно помнить, что активация или деактивация канала означает возрастание или снижение вероятности открытия канала, но не увеличение или уменьшение продолжительности времени открытого состояния канала.

Такие ИК мы предлагаем называть в целом «управляемыми».

Помимо активации и деактивации, прохождение ионов через каналы регулируется двумя другими факторами, которые можно назвать «инактивацией» и «блокированием».

Инактивация заключается в том, что ионный канал переходит в новое конформационное состояние, в котором обычный активирующий стимул не способен вызвать открытие канала. Для ионных каналов, активируемых деполяризацией, такое состояние называется инактивацией. Для каналов, отвечающих на химические стимулы, это состояние известно как «десенситизация», т.е. понижение чувствительности.

Второй механизм - блокирование открытого канала. Такое случается, когда, например, крупная молекула (например, токсин) связывается с ионным каналом и физически закупоривает пору. Другим примером может служить блокирование некоторых катионных каналов ионами магния Mg2+. В этом случае ионы магния сами не проходят через ионный канал на другую сторону мембраны, но связываются с каналом в области его устья и тем самым мешают прохождению через него других катионов.  Такое явление называется «магниевая пробка».

Некоторые каналы специфически отвечают на изменения в состоянии клеточной мембраны нейрона. Наиболее яркими представителями этой группы являются потенциал-активируемые каналы, реагирующие на электрический заряд мембраны. Примером может служить чувствительный к потенциалу натриевый канал, который отвечает за самоускоряющуюся деполяризацию, лежащую в основе развития потенциала действия.

Такие ИК мы предлагаем называть «потенциал-управляемыми».

К группе управляемых каналов относятся также механочувствительные ИК, которые повышают свою проницаемость в ответ на механические воздействия на клеточную мембрану. Сенсорные рецепторы растяжения, содержащие в своей мембране такие ИК, найдены, например, в механорецепторах кожи.

Такие ИК мы предлагаем называть «стимул-управляемыми».

Другие ИК открываются тогда, когда определённые химические вещества (их обобщённое название - «лиганды») активируют связывающие центры на молекуле канала. Такие лиганд-активируемые ИК подразделяются на две подгруппы, в зависимости от того, являются ли активные центры внутриклеточными или внеклеточными.

Каналом, отвечающим на внеклеточную активацию, является, например, катионный канал постсинаптической мембраны в скелетной мышце. Этот канал активируется нейротрансмиттером ацетилхолином, освобождающимся из двигательного нервного окончания. Открытие ацетилхолин-активируемого ионного канала позволяет ионам натрия войти в клетку, вызывая деполяризацию мышечного волокна.

Такие ИК мы предлагаем называть «лиганд-управляемыми».

Лиганд-активируемые каналы, отвечающие на внутриклеточные стимулы, включают в себя каналы, чувствительные к местным изменениям концентрации специфических ионов. Например, кальций-активируемые калиевые каналы активируются локальным повышением концентрации внутриклеточного кальция. Такие каналы играют важную роль в реполяризации клеточной мембраны во время завершения потенциала действия. Помимо ионов кальция, типичными представителями лигандов, активирующих ИК с цитоплазматической стороны мембраны, являются циклические нуклеотиды. Циклический ГМФ, например, отвечает за активацию натриевых каналов в палочках сетчатки. Такой тип канала играет принципиальную роль в работе зрительного анализатора.

Такие ИК мы предлагаем называть «опосредованно-управляемыми» ( «мессенджер-управляемыми»).

Предлагаемая нами классификация ИК по способу управления их состоянием не является достаточно строгой, посокльку выделяемые нами группы не являются взаимоисключающими, и каналы могут одновременно входить в несколько групп. Например, кальций-активируемые калиевые каналы (опосредованно-управляемые) чувствительны также и к изменению потенциала (т.е. являются одновременно и потенциал-управляемыми или же совместно-управляемыми), а некоторые потенциал-управляемые ИК чувствительны к внутриклеточным лигандам, т.е являются дополнительно опосредованно-управляемыми. Что тут поделаешь? Реальность часто бывает сложнее, чем наши теории на её счёт!

Следует также помнить, что ИК различаются по своей избирательности (селективности). Так, некоторые катионные каналы пропускают в основном только один вид ионов: натрий, калий или кальций, другие же являются менее избирательными. Анионные каналы сравнительно не избирательны для малых анионов, но они пропускают в основном ионы хлора, так как хлор является самым распространенным анионом в составе внеклеточной и внутриклеточной жидкости в организме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используемая литература:

 

1. Ионные  каналы возбудимой клетки (структура, функция, патология) / Зефиров А.Л., Ситдикова Г.Ф. Казань: Арт-кафе, 2010. 271 с.

 

2. Мушкамбаров  Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология. Учебное пособие для студентов  медицинских вузов. М.: ООО "Медицинское  информационное агентство", 2003. 544 с.

 

3.  Сазонов  В.Ф. Функциональная классификация мембранных ионных каналов // Научные труды III Съезда физиологов СНГ / Под ред. А.И. Григорьева, О.А. Крышталя, Ю.В. Наточина, Р.И. Сепиашвили. М.: Медицина–Здоровье, 2011. С. 72. (Электронная версия: physiology-cis.org/Page181.html)

 

4. Фундаментальная и клиническая физиология. Под ред. А.Г. Камкина и А.А. Каменского. М.: Академия, 2004. 1072 с.

 

Дополнительные интернет-ресурсы:

 

www.slideshare.net/crasgmu/169-8885481 - Механоуправляемые ионные каналы, презентация.