Натриевые каналы: Потенциалзависимые натриевые каналы играют существенную роль в

19.Натриевые и калиевые каналы в мембране и их роль в биоэлектрогенезе

Натриевые каналы: Потенциалзависимые натриевые каналы играют существенную роль в

19.Натриевыеи калиевые каналы в мембране и их рольв биоэлектрогенезе. Воротный механизм.Особенности потенциалзависимых каналов.Механизм возникновения потенциаладействия. Состояние каналов и характерионных потоков в разные фазы ПД. Рольактивного транспорта в биоэлектрогенезе.Критический мембранный потенциал. Закон«все или ничего» для возбудимых мембран.Рефрактерность.

Выяснилось,что селективный фильтр обладает «жесткой»структурой, то есть не изменяет свойпросвет в разных усло­виях. Переходыканала из открытого состояния в закрытоеи обратно связаны с работой не селективногофильтра, воротного механизма.

Подворотными процессами, происходящимивтой или иной части ионного канала,которая называется воротами, понимаютвсякие изменения конформации белковыхмолекул, образующих канал, в результатекоторых его пара может открываться илизакрываться.

Следовательно, воротамипринято называть функциональные группыбелковых молекул, ко­торые обеспечиваютворотные процессы. Важно, что воротаприводятся в движение физиологическимистимулами, то есть такими, которыеприсутствуют в естественных условиях.

Сре­ди физиологических стимуловособую роль играют сдвиги мембранногопотенциала.

Существуютканалы, которые управляются разностьюпо­тенциалов на мембране, будучиоткрытыми при одних значе­нияхмембранного потенциала и закрытыми —при других. Та­кие каналы называютсяпотенциалзависимыми. Именно с ни­мисвязана генерация ПД.

Ввиду их особойзначимости все ионные каналы биомембранподразделяют на 2 типа: потенциалзависимыеи потенциалнезависимые. Естественнымисти­мулами, управляющими движениемворот в каналах второго типа служат несдвиги мембранного потенциала, а другиефак­торы.

Например, в химиочувствительныхканалах роль управ­ляющего стимулапринадлежит химическим веществам.

Существеннымкомпонентом потенциалзависимого ионногоканала является сенсор напряжения. Такназывают группы белковых молекул,способные реагировать на измененияэлек­трического поля.

Пока нетконкретных сведений о том, что они собоюпредставляют и как расположены, нопонятно, что электрическое поле можетвзаимодействовать в физической средетолько с зарядами (либо свободными, либосвязанны­ми).

Было предположение, чтосенсором напряжения служит Са2+(свободные заряды), так как измененияего содержания в межклеточной жидкостиприводят к таким же последстви­ям,как и сдвиги мембранного потенциала.Например, десяти­кратное снижениеконцентрации ионов кальция в интерстицииэквивалентно деполяризации плазматическоймембраны при­близительно на 15 мВ.

Одн-ко в дальнейшем оказалось, что Са2+необходим для работы сенсора напряжения,но сам не является им. ПД генерируетсядаже тогда, когда концентра­циясвободного кальция в межклеточной средепадает ниже 10~8моль. Кроме того, содержание Са2+в цитоплазме вооб­ще мало влияет наионную проводимость плазмолеммы.

Очевидно, сенсором напряжения служатсвязанные заря­ды — группы белковыхмолекул, обладающие большим дипольныммоментом. Они погружены в липидныйбислой, ко­торому свойственны довольноневысокая вязкость (30 — 100 сП) и низкаядиэлектрическая проницаемость. К такомузаключению привело изучение кинетическиххарактеристик движения сенсора напряженияпри сдвигах мем­бранного потенциала.Это движение представляет собой типичныйток смещения.

Современнаяфункциональная модель натриевогопотен­циалзависимого каналапредусматривает существование в немдвух типов ворот, работающих в противофазе.Они отличаются инерционными свойствами.

Более подвижные (легкие) на­званыm-воротами,более инерционные (тяжелые) — h– воротами. В покое h-воротаоткрыты, m– ворота закрыты, движение Na+по каналу невозможно.

При деполяризацииплазмолеммы ворота обоих типов приходятв движе­ние, но в силу неодинаковойинерции m-воротауспевают

открытьсяраньше, чем закроются h-ворота.В этот миг натриевый канал открыт и Na+устремляется по нему в клетку. Запаздываниедвижения h-ворототносительно m-воротсоответствует длительности деполяризационнойфазы ПД.

Когда же h-воротазакроются, поток Na+сквозь мембрану прекратится и нач­нетсяреполяризация. Затем происходит возвратh- и m- ворот в исходное состояние.

Потенциалзависимы натриевые каналы активируются (включаются) при быстрой (скачкообразной) деполяризацийплазматической мембраны. ,

ПДсоздается за счет более быстрой диффузиисквозь плазматическую мембрану ионовнатрия по сравнению с анионами, образующимис ним соли в межклеточной среде.Следовательно, деполяризация связанас вхождением в цитоплазму катионовнатрия.

При развитии ПД в клетке ненакапливается натрий. При возбуждениинаблюдается входящий и выходящий потокинатрия.

Возникновение ПД обусловленоне нарушением ионных концентраций вцитоплазме, а падением электрическогосопротивления плазматической мембранывследствие повышения ее проницаемостидля натрия.

Какуже говорилось, под действием пороговогои надпорогового раздражителей возбудимаямембрана генерирует ПД. Для этогопроцесса характерен закон «всеили ничего.Он является антитетой градуальностия.Смысл закона состоит в том, что параметрыПД не зависят от интнетсивностираздражителя.

Как только достигаетсяКМП, изменения разности потенциалов навозбудимой мембране определяются толькосвойствами её потенциалзависимых ионныхканалов, которые обеспечивают входящийток. Среди них внешний1 стимул открываеттолько самые чувствительные. Другиеоткрываются за счет предыдущих, уженезависимо от раздражителя.

Говорят оспантанном характере процесса вовлеченияв трансмембранный перенос ионов всёновых потенциалзависимых ионных каналов.Поэтому амплитуда. Длительность, крутизнапереднего и заднего фронтов ПД зависиттолько от ионных градиетнов на клеточноймембране и кинетических характеристикеё каналов.

Закон «всё или ничего» -характернейшее свойство одиночныхклеток и волокон, обладающтх возбудимоймембраной. Большинству многоклеточныхобразований он не свойственен. Исключениесоставляют структуры, организованныепо типу синцития.

РЕФРАКТЕРНОСТЬ

Рефрактерность– изменение возбудимости при возбуждении.Выделяют три основные стадии. Их принятоназывать фазами

Развитиевозбуждения вна­чале сопровождаетсяполной утратой возбудимости (S=0).Это состояние называют абсолютнорефрактерной фазой (АРФ).

Она соответствуетвремени деполяризации возбудимоймембраны (переходу мембранного потенциалаот уровня ПП до пиковой течки ПД, то естьдо максимального значения по­тенциалаинверсии), В течение АРФ возбудимаямембрана не может генерировать новыйПД, даже если на нее подейство­ватьсколь угодно сильным раздражителем.

Природа АРФ состоит в том, что во времядеполяризации все потенциалзависимыеионные каналы находятся в открытомсостоя­нии, и дополнительные стимулыне могут вызвать воротный процесс .

АРФсменяется относительно рефрактернойфазой (ОРФ). В течение которой возбудимостьот нуля возвращается к исходному уровню(So).ОРФ совпадает с реполяризацией возбудимоймембраны.

С течением времени во всебольшем числе потенциалзависимых ионныхканалов завершаются воротные процессы,с которыми было связано предшествующеевозбуждение, и каналы вновь обретаютспособность к.

следующему переходу иззакры­того в открытое состояние поддействием очередного стимула,

За ОРФследует фаза экзальтации (ФЭ), для которойхарактерна повышенная возбудимость(S>S0). Она ,очевидно, связана с изменениемсвойств сенсора напряжения во времявозбуждения. За счет перестройкиконформации белковых Молекул изменяютсяих дипольные моменты, что приводит кповышению чувствительности сенсоранапряжения к сдвигам мембранногопотенциала.

Источник: https://studfile.net/preview/6685260/

ПОИСК

Натриевые каналы: Потенциалзависимые натриевые каналы играют существенную роль в

    Пока представление о потенциале действия носило феноменологический характер, в дальнейшем необходимо рассмотреть лежащие в его основе молекулярные процессы. В гл. 6 эти вопросы обсуждаются подробно, здесь же рассмотрим лишь некоторые из них. В начале 50-х гг.

английские физиологи Ходжкин и Хаксли исследовали потенциал действия и заложили основы современного понимания данного явления. Они показали, что первоначально падение потенциала (деполяризация) обусловлено утечкой ионов натрия (рис. 5.7). По достижении порогового значения ионные каналы в мембране открываются и пропускают ионы натрия.

Последующая реполяризация происходит благодаря открытию специальных калиевых каналов и протока ионов калия в обратном направлении, т. е. изнутри наружу, одновременно закрываются натриевые каналы (инактивация). Из рис. 5.

7 следует, что первоначально реполяризация превышает значение потенциала покоя, так как при равновесном потенциале для К+ мембрана характеризуется более высоким отрицательным зарядом, чем при потенциале покоя. Это наблюдаемое различие медленно исчезает в результате закрывания калиевого канала и восстановления натриевого потенциала покоя.

Инактивация [c.117]
    Многообразие ионных каналов. В последние годы чрезвычайно широко проводилось исследование ионных каналов в различных типах нервных клеток. Эти исследования позволили значительно расширить модель потенциала действия, предложенную Ходжкином и Хаксли, включающую лишь один натриевый и один калиевый канал.

Большинство подобных работ было выполнено на телах нейронов моллюсков — крупных клетках, чрезвычайно удобных для внутриклеточных методов исследования с фиксацией потенциала. Полагают, что выявленные в этих исследованиях свойства мембраны тела нейрона в ка- [c.161]

    Зависимость параметров канала от мембранного потенциала.

Ионные каналы нервных волокон чувствительны к мембранному потенциалу, например натриевый и калиевый каналы аксона кальмара. Это проявляется в том, что после начала деполяризации мембраны соответствующие токи начинают изменяться с той или иной кинетикой (рис. 4.2). На языке ионных каналов этот процесс происходит следующим образом.

Ион-селективный канал имеет сенсор – некоторый элемент своей конструкции, чувствительный к действию электрического поля (рис. 4.6).

При изменении мембранного потенциала меняется величина действующей на него силы, в результате эта часть ионного канала перемещается и меняет вероятность открывания или закрывания ворот – своеобразных заслонок, действующих по закону все или ничего .

Экспериментально показано, что под действием деполяризации мембраны увеличивается вероятность перехода натриевого канала в проводящее состояние. Скачок напряжения на мембране, создаваемый при измерениях методом фиксации потенциала (рис. 3.5 и 4.2), приводит к тому, что большое число каналов открывается. Через них проходит больше зарядов, а значит, в среднем, протекает больший ток. Существенно, что процесс роста проводимости канала определяется увеличением вероятности перехода канала в открытое состояние, а не увеличением диаметра открытого канала. Таково современное представление о механизме прохождения тока через одиночный канал. [c.103]

    Электрический потенциал, действующий на ворота , складывается из трансмембранного потенциала и локальных потенциалов, создаваемых заряженными группами вблизи ворот . В число таких заряженных групп входят, по всей видимости, ионы Са +, адсорбированные вблизи входа в натриевый канал. [c.168]

    ТТХ-связывающие белки выделены из различных объектов головного мозга, клеток нейробластомы, нейронов моллюсков, аксонов кальмара и др. С помощью моно- и поликлональных антител.показано наличие общих антигенных детерминант у белков каналов, вьщеленных с помощью тетродотоксина, Им-мунохимические данные наряду с результатами офаниченного протеолиза и химической модификации молекул свидетельствуют в пользу трансмембранной модели потенциал-независимого натриевого канала. Доступность некоторых участков белка для иммуноглобулинов в липидных мембранах или липосомах подтверждает гипотезу о значительных конформационных перестройках молекулы натриевого канала под действием электрического поля. [c.250]

    Вновь обсудим электровозбудимые каналы, которые обеспечивают пассивный транспорт ионов Ыа+ и К+.

Тщательный анализ возникновения потенциала действия гигантского аксона кальмара, проведенный Ходжкин и Хаксли [1—3], показал, что существуют по крайней мере два различных (отдельных) капала после деполяризации мембраны открывается натриевый канал, обусловливающий входящий поток ионов Ыа+ через некоторое время открывается калиевый канал и поток ионов К+ устремляется в противоположном направлении (рис. 6.1). Известно, что проницаемость мембраны для ионов Ыа+ и К+ не увеличивается одновременно. Кроме того, имеются еще два факта, которые доказывают существование двух отдельных каналов. [c.132]

    Нейротоксины как инструменты исследования. Во время потенциала действия выделяют три фармакологически различных процесса активацию (открытие) канала, ионный транспорт через открытую пору и инактивацию (закрытие) канала.

Нейротоксины, влияющие на потенциалзависимые натриевые каналы, по-видимому, действуют через три различных участка канала [14] участок 1 (ТТХ, STX), относящийся к транспорту ионов участок 2 (ВТХ, вератридин, актонитин), регулирующий активацию канала, и участок 3 (S TX, АТХ), регулирующий инактивацию канала (табл. 6.4). [c.150]

    По определению потенциал-зависимые каналы-это такие каналы, которые открываются и закрываются в ответ на изменение трансмембранного потенциала.

Это наводит на мысль о каком-то простом механизме включения и выключения каналоа Но в случае натриевых каналов, ответствеиных за потенциал действия, этот механизм несколько сложнее, и существенную роль в нем играет временная задержка. Поведение канала можно исследовать с помощью описанного выше метода фиксации напряжения.

Если мембранный потенциал поддерживать на уровне нормального потенциала покоя (примерно – 70 мВХ натриевый ток практически отсутствует это указывает на то, что почти все натриевые каналы закрыты.

Если теперь резко сдвинуть мембранный потенциал в положительную сторону, скажем до О мВ, и удерживать клетку в таком деполяризованном состоянии, то потенциал-зависимые натриевые каналы откроются и ионы На потекут в клетку вниз по градиенту концентрации.

Этот нат мевый ток достигнет максимума примерно через 0,5 мс после того, как установится новое значение потенциала. Однако уже спустя несколько миллисекунд ток падает почти до нуля, даже если мембрана остается деполяризованной (рис. 18-И). Значит, каналы открылись на какой-то момент и вновь закрылись.

Закрывшись, каналы переходят в инактивированное состояние, которое явно отличается от их первоначального закрытого состояния, когда они еще были способны открыться в ответ на деполяризацию мембраны. Каналы остаются инактивированными до тех пор, пока мембранный потенциал не вернется к исходному отрицательному значению и не закончится восстановительный период длительностью в несколько миллисекунд. [c.81]

    ТТХ содержится в органах рыб семейства Tetraodontidae. Он воздействует на наружную поверхность мембраны, подавляя возникновение потенциалов действия в нервах и мышцах (см. гл. XXIII, 3) и блокируя селективно натриевый ток. Аналогичное действие оказывает и STX, содержащийся в жгутиковых.

Ион TEA селективно подавляет калиевый ток, удлиняя фазу падения потенциала действия (см. XXIII, 3). Блокирование канала инициируется связыванием агента с рецептором, который представляет собой определенный элемент молекулярной структуры канала.

Считается, что молекула блокатора Т связывается обратимо с рецептором в реакции [c.136]

    Проводимость каналов. Воротные токи. Изменение потоков Ма и К ( На и г к) во время потенциала действия (рис. 16.1) обеспечивается двумя типами ионных каналов для Ма и К, проводимость которых по-разному меняется в зависимости от электрического потенциала на мембране. Ма – проводимость быстро нарастает и затем быстро экспоненциально уменьшается.

Калиевая проводимость нарастает по 5-образной кривой и за 5 – 6 мс выходит на постоянный уровень. Восстановление натриевой проводимости до исходных значений происходит в 10 раз быстрее, чем калиевой проводимости.

Вопрос о том, каким образом проводимость ионных каналов управляется электрическим полем, является одним из центральных в биофизике мембранных процессов.

В модели Ходжкина – Хаксли предполагается, что проводимость для ионов Ма и К регулируется некоторыми положительно заряженными управляющими частицами, которые перемешаются в мембране при изменениях электрического поля. Смещение положения этих частиц в мембране зависит от приложенного потенциала и соответствующим образом открывает или закрывает ионный канал.

Считается, что в случае калиевой проводимости имеются четыре активирующие канальную проводимость частицы. В случае Ма – канала предполагается наличие трех активирующих частиц, необходимых для открывания, и одной инактивирующей частицы-для закрывания канала.

На основе этих предположений удалось построить математическую модель, с высокой точностью воспроизводящую нервный импульс. Главное достижение состоит в разделении трансмембранных токов на отдельные компоненты (г на и г к) и в экспериментальном изучении их свойств.

В функциональной структуре канала были выделены элементы, ответственные за механизмы селекции ионов (селективный фильтр), активации (активационные ворота) и инактивации канала (инактивационные ворота) (рис. 16.2). Движение заряженных управляющих частиц в канале (воротных частиц) обнаруживается экспериментально по возникновению воротных токов. Они появляются в результате смещения частиц в мембране под влиянием наложенного на мембрану электрического импульса. Удалось обнаружить воротные токи смещения, связанные с частицами, отрывающими Ма-канал. Вместе с [c.154]

    Тетродотоксин (выделен из рыб семейства Те1гао(1оп11(1ае) и сакситоксин (из морского фитопланктона ряда Сопуаи1ах) — полициклические соединения, содержащие гуанидиновую группу.

Оба они могут присоединяться к белкам натриевого канала в области его наружного входа, блокируя прохождение ионов натрия, а следовательно, и развитие потенциала действия. Если тетродотоксин и сакситоксин вводить внутрь аксона, то они не ингибируют проведение импульса.

Оба вещества отличаются очень высоким сродством к своим рецепторам на аксоне и поэтому относятся к наиболее сильным токсинам 1 мг сакситоксина вызывает паралич с летальным исходом. [c.536]

    В этой главе мы рассмотрим четыре типа возбудимых комплею ов, начав с натриевого канала в мембранах аксонов нервных клеток этот зависимый от потенциала канал участвует в возникновении потенциала действия в нервах. Далее мы обратимся к химически регулируемому каналу и рассмотрим. [c.326]

Смотреть страницы где упоминается термин Натриевые каналы и потенциал действия: [c.121]    [c.135]    [c.160]    [c.42]    [c.100]    Молекулярная биология клетки Т.3 Изд.2 (1994) — [ c.298 ]

Молекулярная биология клетки Т.3 Изд.2 (1994) — [ c.298 ]

© 2019 chem21.info Реклама на сайте

Источник: https://www.chem21.info/info/1339438/

О чем не знал гальвани: пространственная структура натриевого канала

Натриевые каналы: Потенциалзависимые натриевые каналы играют существенную роль в

«Общий план» организации Na+-канала бактерии Arcobacter butzleri (NavAb): каждый из четырех мономеров, образующих пору (отверстие в центре), показан своим цветом.

«Периферические» участки каждого мономера — потенциал-чувствительные домены, соединенные с доменом, образующим пору, гибким «шарниром».

Каждый мономер состоит из шести трансмембранных α-спиралей, обозначаемых S1–S6.

В основе «животного электричества» и вообще всех электробиохимических потенциалов, столь важных для существования любой формы жизни, лежат ионные каналы, способные управлять прохождением тех или иных заряженных частиц через биологическую мембрану.

Каналы, селективно пропускающие ионы натрия, отвечают за начальную фазу электрического возбуждения многих клеток, на котором держится передача нервных импульсов, сокращение мышц, секреция гормонов и многое другое.

После многих лет исследований ученым удалось получить пространственную структуру потенциал-чувствительного натриевого канала, — правда, пока это канал бактерий, устроенный более просто, чем канал животных.

Трехмерная организация проводящей поры и домена, «чувствующего» электрический потенциал, поможет лучше понять тонкости электрической активности возбудимых тканей и даст исследователям новое оружие против невралгических болей, эпилепсии и аритмии.

В 1786 году Луиджи Гальвани с помощниками наблюдали знаменитое подергивание лапок препарированной лягушки в ответ на прикосновение скальпеля к обнаженным бедренным нервам животного (рис. 1), что положило начало идее животного электричества, или гальванизма.

Однако чего они в то время не осознали, это что любой (а не только посмертный!) прыжок лягушки начинается со своего рода «искры», запускающей биоэлектрический процесс возбуждения в нервах и мышцах.

В наше время хорошо известно, что этот процесс носит название потенциала действия, и начинается он с лавинообразного входа внутрь возбудимой клетки (такой как нейрон или клетка мышц) положительно заряженных ионов натрия (Na+), которых вне клетки в десять раз больше, чем внутри нее.

Почти сразу после этого события входящий натриевый ток сменяется выходящим током ионов калия (K+, которых внутри клетки, напротив, в двадцать раз больше), что восстанавливает исходный электрический потенциал на мембране. Равновесная концентрация самих ионов после этого нормализуется при помощи Na+/K+-насоса.

Рисунок 1. Описание Гальвани своего опыта: «Я разрезал и препарировал лягушку… и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на стол, на котором находилась электрическая машина…, при полном разобщении от кондуктора последней и на довольно большом расстоянии от него.

Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги.

Другой же из них, который помогал нам в опытах по электричеству, заметил, как ему казалось, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра… Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями.

Тогда я зажегся невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нем скрытого».

«Шлюзом», в состоянии покоя не пускающим ионы натрия из межклеточной среды внутрь, являются потенциал-чувствительные натриевые каналы (ПЧНК), которые открываются при деполяризации — изменении электрического потенциала на мембране в сторону нуля (в покое, когда все ионные каналы закрыты, этот потенциал равен примерно −70 мВ). Пространственное строение натриевых каналов, несмотря на пятидесятилетнюю историю изучения, до недавнего времени оставалось неизвестным, — в отличие от K+-каналов, для нескольких типов которых в последнее десятилетие были получены пространственные структуры высокого разрешения. И вот ученые из Университета Сиэттла (штат Вашингтон, США) расшифровали пространственное строение ПЧНК бактерии Arcobacter butzleri (этот канал называется NavAb) [1], что должно позволить лучше понять, как работают натриевые каналы животных. Работа выполнена в лаборатории Уильяма Каттеролла, более 30 лет посвятившего изучению натриевых каналов.

«Электрические сигналы от потенциал-чувствительных натриевых каналов кодируют информацию в мозгу и передают ее в нервной системе, заставляют мышцы сокращаться, а также стимулируют выработку инсулина в поджелудочной железе», — поясняет Каттеролл важность выбранного им для изучения объекта. — «Если вам выполнили спинальную блокаду или дантист сделал вам инъекцию лидокаина, — натриевые каналы в  зоне укола временно перестают работать и не сообщают мозгу о том, что происходит что-то не то» [2].

Натриевые каналы входят в большую группу потенциал-чувствительных ионных каналов, куда также относятся калиевые и кальциевые каналы.

Однако функция ПЧНК уникальна тем, что именно с них начинается потенциал действия, когда в ответ на деполяризацию эти каналы временно (очень быстро, но очень ненадолго!) открываются, впуская Na+ внутрь клетки.

Считается, что активация и инактивация Na+-каналов происходит в разных участках этих белков [3], [4].

Как и другие потенциал-чувствительные каналы, ПЧНК могут полностью активироваться в ответ на всего лишь 10-мВ деполяризацию [5], вызывая каскадное открывание все новых каналов, что обусловливает крайне высокую чувствительность возбудимых тканей. В результате волна возбуждения (нервный импульс) будет бежать по нервному волокну до тех пор, пока не вызовет в нервном окончании секрецию молекул нейромедиатора, «передавая эстафету» другому нейрону или мышечной клетке.

Потенциал-чувствительные каналы либо состоят из четырех идентичных субъединиц, образующих в центре общую пору (так устроены калиевые каналы и «новоисследованные» Na+-каналы бактерий NavAb, см.

заглавный рисунок), либо образованы одной длинной полипептидной цепью, образующей четыре гомологичных (но не идентичных) домена, каждый строением напоминающий мономер K+-канала или NavAb. Эти четыре домена образуют пору аналогичным образом, «сворачиваясь» вокруг общего центра.

Четырехдоменное строение характерно для кальциевых и натриевых каналов животных, — что и отличает, главным образом, полученную структуру NavAb от натриевых каналов, находящихся в мембранах наших нейронов и мышечных клеток.

Пóра, образованная четырьмя поровыми доменами каждого из мономеров NavAb (или каждым из четырех доменов натриевых каналов животных), «настроена» на селективное пропускание ионов Na+ через мембрану, когда канал открыт; при этом энергетический барьер прохода на другую сторону мембраны снижается настолько, что натрий проходит через канал практически со скоростью свободной диффузии. Открытие поры (образована трансмембранными сегментами S5 и S6) регулируется потенциал-чувствительными доменами (ПЧД, сегменты S1–S4), образующими «лепестки» канала (см. заглавный рисунок). Трансмембранный сегмент S4 этого домена несет большой положительный заряд: каждый третий аминокислотный остаток здесь — аргинин или лизин, выстроенные точно в линию по одной из сторон α- (точнее, 310) спирали S4. Вообще-то, наличие заряженных остатков весьма нетипично для гидрофобной среды мембраны, однако именно такое устройство позволяет ПЧД крайне чувствительно реагировать на изменение потенциала и, «выезжая» из мембраны под действием меняющегося электрического поля, заодно открывать и пору, раздвигая образующие ее α-спирали.

В уже известных пространственных структурах K+-каналов [6], [7] пóра находится в открытом состоянии, что вполне согласуется с тем фактом, что при деполяризации канал открывается.

Однако в структуре канала NavAb, полученной Каттероллом и его коллегами, пóра закрыта, несмотря на состояние ПЧД, характерное для активированного (открытого) канала.

Согласно предположению ученых, им удалось «поймать» канал либо в «пред-открытом», либо в инактивированном состоянии (последнее — это когда канал закрыт и в течение какого-то времени не может быть активирован).

Структура канала NavAb объясняет, как устроен потенциал-чувствительный домен с его «обоймой» положительно заряженных аминокислотных остатков, пронизывающих всю мембрану и способных под влиянием электрического поля двигаться «вверх-вниз», подобно поршню.

Интересно также строение селективного фильтра, избирательно пропускающего ионы натрия, но непроницаемого для калия, — хотя он и существенно, судя по всему, отличается от селективного механизма ПЧНК животных.

Однако самым интересным, по-видимому, стали «бреши» в стенках поры, открывающие доступ в ее внутренний резервуар прямо из толщи мембраны (рис. 2).

По-видимому, именно эти «бреши», отсутствующие в K+-канале, являются причиной чрезвычайно высокой чувствительности ПЧНК к местным анестетикам, селективно блокирующим пору канала, — возможно, проникая внутрь нее именно из среды липидов мембраны (многие из этих анестетиков достаточно для этого гидрофобны) [8].

Рисунок 2. «Бреши» в боковых поверхностях натриевого канала NavAb. Бактериальный натриевый канал образован четырьмя идентичными мономерами, «сплетенными» между собой наподобие лепестков диафрагмы (поровый домен одного мономера тесно взаимодействует с потенциал-чувствительным доменом соседнего мономера).

а — Боковое сечение канала, на котором видны «бреши», открывающие доступ из гидрофобной среды мембраны во внутренний резервуар поры (пустое пространство показано красным контуром). Границы мембраны показаны серыми линиями.

б — Сечение в виде «сверху» показывает размер внутреннего резервуара поры NavAb в закрытом состоянии.

«Учитывая такое интересное строение натриевых каналов, открывается широкий простор для дизайна новых лекарственных веществ, действующих на эти каналы, — подытоживает Каттеролл. — Ученые надеются разработать новые лекарства, действующие на натриевые каналы „изнутри“.

В частности, очень хотелось бы увидеть новые анестетики без побочных эффектов, а также лекарства, которые помогли бы против эпилепсии и расстройства сердечного ритма, приводящего иногда к внезапной сердечной смерти» [2].

Но это, конечно, не у бактерий — а значит, еще предстоит большая работа по выяснению того, как устроены натриевые каналы у животных и в особенности — у млекопитающих.

Написано с использованием материалов Nature News [9].

  1. Jian Payandeh, Todd Scheuer, Ning Zheng, William A. Catterall. (2011). The crystal structure of a voltage-gated sodium channel. Nature. 475, 353-358;
  2. Atomic structure discovered for a sodium channel that generates electrical signals in living cells. (2011). ScienceDaily;
  3. F Bezanilla, E Stefani. (1994). Voltage-Dependent Gating of Ionic Channels. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct.. 23, 819-846;
  4. William A. Carterall. (2008). Molecular Mechanisms of Gating and Drug Block of Sodium Channels. Sodium Channels and Neuronal Hyperexcitability. 206-225;
  5. B. Hirschberg. (1995). Transfer of twelve charges is needed to open skeletal muscle Na+ channels. The Journal of General Physiology. 106, 1053-1068;
  6. S. B. Long. (2005). Voltage Sensor of Kv1.2: Structural Basis of Electromechanical Coupling. Science. 309, 903-908;
  7. Stephen B. Long, Xiao Tao, Ernest B. Campbell, Roderick MacKinnon. (2007). Atomic structure of a voltage-dependent K+ channel in a lipid membrane- environment. Nature. 450, 376-382;
  8. H. Fozzard, P. Lee, G. Lipkind. (2005). Mechanism of Local Anesthetic Drug Action on Voltage-Gated Sodium Channels. CPD. 11, 2671-2686;
  9. Richard Horn. (2011). Peering into the spark of life. Nature. 475, 305-306.

Источник: https://biomolecula.ru/articles/o-chem-ne-znal-galvani-prostranstvennaia-struktura-natrievogo-kanala

Потенциалуправляемые каналы

Натриевые каналы: Потенциалзависимые натриевые каналы играют существенную роль в

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).

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 Са2ч-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.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/13_138188_potentsialupravlyaemie-kanali.html

Medic-studio
Добавить комментарий