1. Физиология как наука
 Скачать 2.32 Mb.
|
|
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 мкм 2 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 мкм 2 площади мембраны. В состоянии покоя они закрыты. Мембранный потенциал составляет 70-80 мВ. Воздействие раздражителя изменяет мембранный потенциал и активирует потенциалзависимый натриевый канал. Он активируется при смещении потенциала мембраны от уровня потенциала покоя в направлении критического уровня деполяризации. Сильный натриевый ток обеспечивает смещение потенциала мембраны до критического уровня деполяризации (КУД). Изменение мембранного потенциала до -50-40 мВ, т.е. до уровня критического уровня деполяризации, вызывает открытие других потенциалзависимых № + -каналов, через которые осуществляется входящий натриевый ток, формирующий "пик" потенциала действия. Ионы натрия по градиенту концентрации и химическому градиенту по каналу перемещаются в клетку, формируя так называемый входящий натриевый ток, что приводит к дальнейшему быстрому развитию процесса деполяризации. Мембранный потенциал изменяет знак на противоположный +10-20 мв. Положительный мембранный потенциал вызывает закрытие натриевых каналов, их инактивацию. Потенциалзависимые № + -каналы играют ведущую роль в формировании потенциала действия, т.е. процесса возбуждения в клетке. Ионы кальция затрудняют открытие потенциалзависимых натриевых каналов, изменяя параметры реагирования. К + -каналы Калиевые каналы (внутренний диаметр 0,30 нм) имеются в цитоплазматических мембранах, обнаружено значительное количество каналов "утечки" калия из клетки. В состоянии покоя они открыты. Через них в состоянии покоя происходит "утечка" калия из клетки по градиенту концентрации и электрохимическому градиенту. Этот процесс обозначается как выходящий калиевый ток, который приводит к формированию потенциала покоя мембраны (-70-80 мВ). Эти калиевые каналы можно лишь условно отнести к потенциалзависимым. При изменении мембранного потенциала в процессе деполяризации происходит инактивация калиевого тока. При реполяризации через потенциалзависимые каналы формируется входящий К + ток, который получил название К + ток задержанного выпрямления. Еще один тип потенциалзависимых К + -каналов. По ним возникает быстрый выходящий калиевый ток в подпороговой области мембранного потенциала (положительный следовой потенциал). Инактивация канала происходит за счет следовой гиперполяризации. Другой тип потенциалзависимых калиевых каналов активируется только после предварительной гиперполяризации, он формирует быстрый транзиторный калиевый ток, который быстро инактивируется. Ионы кальция облегчают открытие потенциалзависимых калиевых каналов, изменяя параметры реагирования. Са + -каналы. Потенциалуправляемые каналы вносят существенный вклад как в регуляцию входа кальция в цитоплазму, так и в электрогенез. Белки, образующие кальциевые каналы, состоят из пяти субъединиц (al, a2, b, g, d). Главная субъединица al формирует собственно канал и содержит места связывания для различных модуляторов кальциевых каналов. Было обнаружено несколько структурно различных al субъединиц кальциевых каналов в нервных клетках млекопитающих (обозначенных как А, В, С, D и Е). Функционально кальциевые каналы различных типов отличаются друг от друга активацией, кинетикой, проводимостью одиночного канала и фармакологией. В клетках описано до шести типов потенциалуправляемых кальциевых каналов (Т - , L - , N - , P - , Q - , R - каналы). Активность потенциалуправляемых каналов плазмалеммы регулируется различными внутриклеточными вторич- ными 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. Са 2+ -каналы СПР являются олигомерными протеинами, встроенными в мембрану СПР. Са 2+ -управляемые Са 2+ -каналы СПР. Эти кальциевые каналы были впервые выделены из скелетных и сердечных мышц. Оказалось, что Са 2+ -каналы СПР в этих мышечных тканях имеют молекулярные различия и кодируются различными генами. Са 2+ -каналы СПР в сердечных мышцах непосредственно связаны с высокопороговыми Са 2+ -каналами плазмалеммы (L-тип) через кальцийсвязывающие белки, образуя, таким образом, функционально активную структуру - "триаду". В скелетных мышцах деполяризация плазмалеммы прямо активирует освобождение Са 2+ из эндоплазматического ретикулума благодаря тому, что Са 2+ -каналы плазмалеммы служат потенциалчувствительными передатчиками активирующего сигнала непосредственно Са 2+ -каналам СПР через связывающие белки. Таким образом, Са 2+ -депо скелетных мышц обладают механизмом освобождения Са 2+ , вызываемым деполяризацией (RyRl-тип). В отличие от скелетных мышц, эндоплазматические Са 2+ -каналы кардиомиоцитов не связаны с плазмалеммой, и для стимуляции освобождения Са 2+ из депо требуется увеличение концентрации цитозольного кальция (RyR2- тип). Кроме этих двух типов Са 2+ -активируемых Са 2ч -каналов, недавно был идентифицирован третий тип Са 2+ -каналов СПР (RyR3-тип), который еще изучен не достаточно. Для всех кальциевых каналов характерна медленная активация и медленная инактивация по сравнению с натриевыми каналами. При деполяризации мышечной клетки (выпячивания цитоплазматических мембран - Т-трубочки подходят к мембранам эндоплазматического ретикулума) происходит потенциалзависимое открытие кальциевых каналов мембран саркоплазматического ретикулума. Так как, с одной стороны, концентрация кальция в СПР велика (депо кальция), а концентрация кальция в цитоплазме низка, а с другой - площадь мембраны СПР и плотность кальциевых каналов в ней велики, то уровень кальция в цитоплазме увеличивается в 100 раз. Такое увеличение концентрации кальция инициирует процесс сокращения миофибрилл. Кальциевые каналы в кардиомиоцитах находятся в цитоплазматической мембране и относятся к кальциевым каналам L-типа. Активируются при потенциале мембраны +20-40 мВ, формируют входящий кальциевый ток. Длительно находятся в активированном состоянии, формируют "плато" потенциала действия кардиомиоцита. Анионные каналы. Наибольшее количество в мембране клетки каналов для хлора. В клетке меньше ионов хлора по сравнению с межклеточным окружением. Поэтому при открытии каналов хлор входит в клетку по градиенту концентрации и электрохимическому градиенту. Количество каналов для НСО 3 не столь велико, объем транспорта этого аниона через каналы существенно меньше. Ионные обменники. В мембране имеются ионные обменники (белки-переносчики), которые осуществляют облегченную диффузию ионов, т.е. ускоренное сопряженное перемещение ионов через биомембрану по градиенту концентрации, такие процессы являются АТФ-независимыми. Наиболее известны Na + -H + , K + -H + , Ca 2+ -H + обменники, а также обменники, обеспечивающие обмен катионов на анионы Na + -HCO- 3 , 2CI-Са 2+ и обменники, обеспечивающие обмен катиона на катион (Na + -Са 2+ ) или аниона на анион (Сl- НСOз). Рецепторуправляемые ионные каналы. Лигандуправляемые (лигандзависимые) ионные каналы. Лигандуправляемые ионные каналы являются подвидом рецепторуправляемых каналов и всегда совмещены с рецептором к биологически активному веществу (БАВ). Рецепторы рассматриваемых каналов относятся к ионотропному типу мембранных рецепторов, при взаимодействии которых с БАВ (лиганды) возникают быстропротекающие реакции. Лигандуправляемый ионный канал состоит из: • поры, заполненной водой; • селективного фильтра; • активационных ворот; • центра связывания лиганда (рецептор). Высокоэнергетически активное БАВ обладает высоким сродством (аффинитетом) к определенному виду рецепторов. При активации ионных каналов происходит перемещение определенных ионов по градиенту концентрации и электрохимическому градиенту. 1. В рецепторе мембраны центр связывания лиганда может быть доступен для лиганда с наружной поверхности мембраны. В этом случае в качестве лиганда выступают гормоны и парагормоны, ионы. Так, при активации N-холинорецепторов активируются натриевые каналы. Кальциевую проницаемость инициируют нейрональные ацетилхолинуправляемые, глютаматуправляемые (NMDA и АМРА / каинаттипы) рецепторы и пурино-рецепторы. ГАМК А -рецепторы сопряжены с ионными хлорными каналами, с хлорными каналами сопряжены и глициновые рецепторы. 2. В рецепторе мембраны центр связывания лиганда может быть доступен для лигандов с внутренней поверхности мембраны. В этом случае в качестве лиганда выступают протеинкиназы, активированные вторыми посредниками, или сами вторые посредники. Так, протеинкиназы А, С, G, фосфорилируя белки катионных каналов, изменяют их проницаемость. Механоуправляемые ионные каналы. Механоуправляемые ионные каналы изменяют свою проводимость для ионов либо за счет изменения натяжения билипидного слоя, либо через цитоскелет клетки. Множество механоуправляемых каналов сопряжено с механорецепторами, они существуют в слуховых клетках, мышечных веретенах, сосудистом эндотелии. Все механоуправляемые каналы делятся на две группы: • активирующиеся при растяжении клеток (SAC); • инактивирующиеся при растяжении клеток (SIC). У механоуправляемых каналов имеются все основные канальные признаки: • пора, заполненная водой; • воротный механизм; • сенсор, реагирующий на растяжение. При активации канала по нему происходит перемещение ионов по градиенту концентрации. Натрий, калиевая АТФаза. Натрий, калиевая АТФаза (натрий-калиевый насос, натрий-калиевая помпа). Состоит из четырех трансмембранных доменов: из двух α-субъединиц и двух β-субъединиц. α-субъединица является большим доменом, а β-субъединица — малым. В ходе транспорта ионов фосфорилируются большие субъединицы и через них перемещаются ионы. Натрий, калиевая АТФаза играет важнейшую роль в поддержании гомеостаза натрия и калия во внутри- и внеклеточной среде: • поддерживает высокий уровень К + и низкий уровень Na + в клетке; • участвует в формировании мембранного потенциала покоя, в генерации потенциала действия; • обеспечивает Na + сопряженный транспорт большинства органических веществ через мембрану (вторично- активный транспорт); • существенно влияет на гомеостаз Н 2 О. Натрий, каливая АТФаза вносит наиболее важный вклад в формирование ионной асимметрии во вне- и внутриклеточных пространствах. Поэтапная работа натрий, калиевого насоса обеспечивает неэквивалентный обмен калия и натрия через мембрану. Са + -АТФаза (насос). Существуют два семейства Са 2+ -насосов, ответственных за устранение ионов Са 2+ из цитоплазмы: Са 2+ -насосы плазмалеммы и Са 2+ -насосы эндоплазматического ретикулума. Хотя они относятся к одному семейству белков (так называемому Р-классу АТФаз), эти насосы обнаруживают некоторые различия в строении, функциональной активности и фармакологии. Находится в большом количестве в цитоплазматической мембраны. В цитоплазме клетки в покое концентрация кальция составляет 10-7 моль/л, а вне клетки значительно больше -10-3 моль/л. Такая значительная разница концентраций поддерживается за счет работы цитоплазматической Са ++ -АТФазы. Активность Са 2+ -насоса плазмалеммы контролируется непосредственно Са 2+ : увеличение концентрации свободного кальция в цитозоле активирует Са 2+ -насос. В покое диффузия через кальциевые ионные каналы почти не происходит. Са-АТФаза транспортирует Са из клетки во внеклеточную среду против его концентрационного градиента. По градиенту Са + поступает в клетку благодаря диффузии через ионные каналы. В мембране эндоплазматического ретикулума также содержится большое количество Са ++ -АТФазы. Кальциевый насос эндоплазматического ретикулума (SERCA) обеспечивает удаление кальция из цитозоля в эндоплазматический ретикулум - "депо" кальция за счет первично активного транспорта. В депо кальций связывается с кальцийсвязывающими белками (кальсеквестрином, кальретикулином и др.). В настоящее время описано по крайней мере три различных изоформы SERCA-насосов. SERCA1-подтип сосредоточен исключительно в быстрых скелетных мышцах, SERCA2-насосы широко распространены в других тканях. Значимость SERCA3 -насосов менее ясна. Белки SERCA2-нacocoв разделяются на две различные изоформы: SERCA2a, характерные для кардиомиоцитов и гладких мышц, и SERCA2b, характерные для тканей мозга. Увеличение Са 2+ в цитозоле активирует захват ионов кальция в эндоплазматический ретикулум, в то время как увеличение свободного кальция внутри эндоплазматического ретикулума ингибирует насосы SERCA. Н+ К+ -АТФаза (насос). При помощи этого насоса (в результате гидролиза одной молекулы АТФ) в обкладочных (париетальных) клетках слизистой желудка происходит транспорт двух ионов калия из внеклеточного пространства в клетку и двух ионов Н+ из цитозоля во внеклеточное пространство при гидролизе одной молекулы. Этот механизм лежит в основе образования соляной кислоты в желудке. Ионный насос класс F. Митохондриальная АТФаза. Катализирует конечный этап синтеза АТФ. Крипты митохондрий содержат АТФ- синтазу, сопрягающую окисление в цикле Кребса и фосфорилирование АДФ до АТФ. Ионный насос класса V. Лизосомальные Н + -АТФазы (лизосомальные протонные насосы) - протонные насосы, обеспечивающие транспорт Н + из цитозоля в ряд органелл-лизосомы, аппарат Гольджи, секреторные везикулы. В результате понижается значение рН, например, в лизосомах до 5,0 что оптимизирует деятельность этих структур. Особенности ионного транспорта 1. Значительный и асимметричный трансмембранный! градиент для Na + и К + в покое. Натрия вне клетки (145 ммоль/л) в 10 раз больше, чем в клетке (14 ммоль/л). Калия в клетке (140 ммоль/л) примерно в 30 раз больше, чем вне клетки (4 ммоль/л). Эта особенность распределения ионов натрия и калия: • гомеостатируется работой Na + /K + -нacoca; • формирует в покое выходящий калиевый ток (канал утечки); • формирует потенциал покоя; • работа любых калиевых каналов (потенциалзависимых, кальцийзависимых, лигандзависимых) направлена на формирование выходящего калиевого тока. Это либо возвращает состояние мембраны к исходному уровню (активация потенциалзависимых каналов в фазу реполяризации), либо гиперполяризует мембрану (кальцийзависимые, лигандзависимые каналы, в том числе и активируемые системами вторых посредников). Следует иметь в виду, что: • перемещение калия через мембрану осуществляется путем пассивного транспорта; • формирование возбуждения (потенциала действия) всегда обусловлено входящим натриевым током; • активация любых натриевых каналов всегда вызывает входящий натриевый ток; • перемещение натрия через мембрану осуществляется почти всегда путем пассивного транспорта; • в эпителиальных клетках, образующих в тканях стенку разных трубок, полостей (тонкий кишечник, канальца нефрона и др.), во внешней мембране всегда имеется большое количество натриевых каналов, обеспечивающих при активации входящий натриевый ток, а в базальной мембране - большое число натрий, калиевых насосов, выкачивающих натрий из клетки. Такое асимметричное распределение этих транспортных систем для натрия обеспечивает его трансклеточный перенос, т.е. из просвета кишечника, почечных канальцев во внутреннюю среду организма; • пассивный транспорт натрия в клетку по электрохимическому градиенту ведет к накоплению энергии, которая используется для вторично активного транспорта многих веществ. 2. Низкий уровень кальция в цитозоле клетки. В клетке в покое содержание кальция (50 нмоль/л) в 5000 раз ниже, чем вне клетки (2,5 ммоль/л). Такой низкий уровень кальция в цитозоле не случаен, так как кальций в концентрациях в 10-100 раз больше исходной выступает в качестве второго внутриклеточного посредника в реализации сигнала. В таких условиях возможно быстрое увеличение кальция в цитозоле за счет активации кальциевых каналов (облегченная диффузия), которые в большом количестве имеются в цитоплазматической мембране и в мембране эндоплазматического ретикулума (эндоплазматический ретикулум - "депо" кальция в клетке). Формирование потоков кальция, происходящее за счет открытия каналов, обеспечивает физиологически значимое повышение концентрации кальция в цитозоле. Низкий уровень кальция в цитозоле клетки поддерживается Са 2+ -АТФазой, Nа + /Са 2+ -обменниками, кальцийсвязывающими белками цитозоля. Кроме быстрого связывания цитозольного Са 2+ внутриклеточными Са 2+ -связывающими белками, ионы кальция, попадающие в цитозоль, могут аккумулироваться аппаратом Гольджи или клеточным ядром, захватываться митохондриальными Са 2+ -депо. 3. Низкий уровень хлора в клетке. В клетке в покое содержание хлора (8 ммоль/л) более чем в 10 раз ниже, чем вне клетки (110 ммоль/л). Такое состояние поддерживается работой К + /Сl- -транспортер. Изменение функционального состояния клетки связано (или обусловлено) с изменением проницаемости мембраны для хлора. При активации протенциал- и лигандуправляемых хлорных каналов ион через канал путем пассивного транспорта входит в цитозоль. Кроме того, вход хлора в цитозоль формируется за счет № + /К + /2СГ-котранспортера и СГ-НСО 3 -обменник. Вход хлора в клетку увеличивает полярность мембраны вплоть до гиперполяризации. Особенности ионного транспорта играют основополагающую роль в формировании биоэлектрических явлений в органах и тканях, которые кодируют информацию, определяют функциональное состояние этих структур, их переход из одного функционального состояния в другое. |