Типы ионных каналов. Ионные каналы мембраны

Сквозь мембрану. Такие комплексы представляют собой набор идентичных или гомологичных белков, плотно упакованных в липидном бислое мембраны вокруг водной поры. Каналы расположены в плазмалемме и некоторых внутренних мембранах клетки.

Через ионные каналы проходят ионы Na + (натрия), K + (калия), Cl − (хлора) и Ca 2 + (кальция). Из-за открывания и закрывания ионных каналов меняется концентрация ионов по разные стороны мембраны и происходит сдвиг мембранного потенциала.

Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются молекулярные системы открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции. Ионные каналы могут иметь несколько участков (сайтов) для связывания с управляющими веществами.

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

Калий-натриевый насос.flv

2016_03_12 Роль ионных каналов и ионных насосов в регуляции мышечного сокращения - Рубцов А.М.

ЛЕКЦИЯ НОБЕЛЕВСКОГО ЛАУРЕАТА ПО ФИЗИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ ЭРВИНА НЕЕРА В КАЗНМУ

Субтитры

Типы ионных каналов

Классификация ионных каналов проводится по различным параметрам и поэтому единой унифицированной классификации для них пока не существует.

Так, возможна классификация по структуре (строению) и происхождению от однотипных генов .

По этому принципу, например, выделяют три семейства лиганд-активируемых ионных каналов :

1. с пуриновыми рецепторами (АТФ-активируемые);
2. с никотиновыми АХ-рецепторами , ГАМК -, глицин - и серотонин -рецепторами ;
3. с глутаматными рецепторами .

При этом в одно и то же семейство попадают ионные каналы с разной ионной селективностью, а также с рецепторами к разным лигандам . Но зато образующие эти каналы белки имеют большое сходство в строении и происхождении.

Ионные каналы также можно классифицировать по селективности в зависимости от проходящих через них ионов : натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные , протонные (водородные).

Согласно функциональной классификации , ионные каналы группируются по способам управления их состоянием на следующие виды:

1. Неуправляемые (независимые).
2. Потенциал -управляемые (потенциал-чувствительные, потенциал-зависимые, voltage-gated).
3. Лиганд-управляемые (хемо-управляемые, хемочувствительные, хемозависимые, лиганд-зависимые, рецептор -активируемые).
4. Опосредованно-управляемые (вторично-управляемые, ион-активируемые, ион-зависимые, мессенджер -управляемые, управляемые метаботропными рецепторами).
5. Совместно-управляемые (NMDA-рецепторно-канальный комплекс). Они открываются одновременно как лигандами, так и определённым электрическим потенциалом мембраны . Можно сказать, что у них двойное управление. Пример: NMDA-рецепторно-канальный комплекс, имеющий сложную систему управления, включающую в себя 8 рецепторных участков-сайтов, с которыми могут связываться различные лиганды.
6. Стимул -управляемые (механочувствительные, механосенситивные, активируемые растяжением (stretch) липидного бислоя, протон -активируемые, температурно-чувствительные).
7. Актин -управляемые (актин-регулируемые, actin-regulated, actin-gated channels).
8. Коннексоны (двойные поры).

Наиболее часто встречаются два типа каналов: ионные каналы с лиганд-зависимыми воротами (находятся, в частности, в постсинаптической мембране нервно-мышечных соединений) и ионные каналы с потенциал-зависимыми воротами. Лиганд-зависимые каналы превращают химические сигналы, приходящие к клетке, в электрические; они необходимы, в частности, для работы химических синапсов . Потенциал-зависимые каналы нужны для распространения потенциала действия .

Работа ионных каналов

Неуправляемые (независимые) ионные каналы

Эти каналы обычно находятся в открытом состоянии и постоянно пропускают через себя ионы за счёт диффузии по градиенту их концентрации и/или по электрическому градиенту зарядов по обе стороны мембраны. Некоторые неуправляемые каналы различают вещества и пропускают через себя по градиенту концентрации все молекулы меньше определённой величины, их называют «неселективные каналы» или «поры». Существуют также «селективные каналы», которые благодаря своему диаметру и строению внутренней поверхности переносят только определённые ионы. Примеры: калиевые каналы , участвующие в формировании мембранного потенциала покоя, хлоридные каналы , эпителиальные натриевые каналы , анионные каналы эритроцитов.

Потенциал-зависимые ионные каналы

Эти каналы отвечают за распространение потенциала действия, они открываются и закрываются в ответ на изменение мембранного потенциала . Например, натриевые каналы. Если мембранный потенциал поддерживается на уровне потенциала покоя , натриевые каналы закрыты и натриевый ток отсутствует. Если мембранный потенциал сдвигается в положительную сторону, то натриевые каналы откроются, и в клетку начнут входить ионы натрия по градиенту концентрации . Через 0,5 мс после установления нового значения мембранного потенциала, этот натриевый ток достигнет максимума. А еще через несколько миллисекунд падает почти до 12. Во время покоя мембранного потенциала , внутриклеточная концентрация ионов натрия 12 ммоль/литр, а внеклеточная концентрация 145 ммоль/литр. Это значит, что каналы через некоторое время закрываются вследствие инактивации, даже если клеточная мембрана остается деполяризованной. Но закрывшись, они отличаются от состояния, в котором находились до открытия, теперь они не могут открываться в ответ на деполяризацию мембраны, то есть они инактивированны. В таком состоянии они останутся до тех пор, пока мембранный потенциал не вернется к исходному значению и не пройдет восстановительный период, занимающий несколько миллисекунд.

Лиганд-зависимые ионные каналы

Эти каналы открываются, когда

Селективность - это избирательно повышенная проницаемость ионного канала для определённых ионов и пониженная для других. Такая избирательность определяется селективным фильтром - самым узким местом канальной поры. Фильтр, кроме узких размеров, может иметь также локальный электрический заряд.

Управляемая проницаемость - это способность открываться или закрываться при определённых управляющих воздействиях на канал.

Инактивация - это способность ионного канала через некоторое время после своего открытия автоматически понижать свою проницаемость даже в том случае, когда открывший их активирующий фактор продолжает действовать.

Блокировка - это способность ионного канала под действием веществ-блокаторов фиксировать какое-то одно своё состояние и не реагировать на обычные управляющие воздействия. Блокировку вызывают вещества-блокаторы, которые могут называться антагонистами, блокаторами или литиками.

Родерика Маккинона (Roderick MacKinnon) . Работа содержит проволочный каркас, удерживающий выдутый из желтого стекла объект, который репрезентирует основную полость канальной структуры.

Ионные каналы образованы белками, они весьма разнообразны по устройству и механизму их действия. Известно более 50 видов каналов, каждая нервная клетка имеет более 5 видов каналов. Состояние активации управляемого ионного канала обычно длится около 1 мс, иногда до 3 мс и значительно больше, при этом через один канал может пройти 12--20 млн ионов.

Классификация ионных каналов проводится по нескольким признакам.

По возможности управления их функцией различают управляемые и неуправляемые каналы (каналы утечки ионов). Через неуправляемые каналы ионы перемещаются постоянно, но медленно, естественно, при наличии электрохимического градиента, как и в случае быстрого перемещения ионов по управляемым каналам. Управляемые каналы имеют ворота с механизмами их управления, поэтому ионы через них могут проходить только при открытых воротах.

По скорости движения ионов каналы могут быть быстрыми и медленными. Например, потенциал действия в скелетной мышце возникает в следствие активации быстрых Nа- и К-каналов. В развитии потенциала действия сердечной мышцы наряду с быстрыми каналами для Nа+ и К+ важную роль играют медленные каналы -- кальциевые, калиевые и натриевые.

В зависимости от стимула, активирующего или инактивирующего, управляемые ионные каналы различают несколько их видов:

• а)потенциалчувствительные,
• б)хемочувствительные,
• в)механочувствительные,
• г)кальцийчувствительные,
• д) каналы, чувствительные ко вторым посредникам.

Последние расположены во внутриклеточных мембранах, они изучены недостаточно, так же как и кальцийчувствительные каналы. При взаимодействии медиатора (лиганда) с рецепторами, расположенными на поверхности клеточной мембраны, может происходить открытие ворот хемочувствительных каналов, поэтому их называют также рецепторуправляемыми каналами. Л и г а н д -- это биологически активное вещество или фармакологический препарат, активирующий или блокирующий рецептор. Открытие хемочувствительных каналов происходит в результате конформационных изменений рецепторного комплекса. Ворота потенциалзависимых каналов открываются и закрываются при изменении величины мембранного потенциала. Поэтому в конструкции их воротного механизма должны быть частицы, несущие электрический заряд. Механочувствительные каналы активируются и инактивируются сдавливанием и растяжением. Кальцийчувствительные каналы активируются, как видно из названия, кальцием, причем Са2+ может активировать как собственные каналы, например Са-каналы саркоплазматического ретикулума, так и каналы других ионов, например каналы ионов К+. Мембраны возбудимых клеток (гладких и поперечнополосатых мышц, в том числе и сердечной мышцы, нервной системы) содержат потенциале-, хемо-, механо- и кальцийчувствительные каналы. Следует заметить, что кальций-чувствительные каналы -- это один из примеров хемочувствительных каналов.

В зависимости от селективности различают ионоселективные каналы, пропускающие только один ион, и каналы, не обладающие селективностью. Имеются Nа-, К-, Са-, С1- и Nа/Са-селективные каналы. Есть каналы, пропускающие несколько ионов, например Nа+, К+ и Са2+ в клетках миокарда, т.е. не обладающие селективностью. Наиболее высока степень селективности потенциал чувствительных (потенциалзависимых) каналов, несколько ниже она у хемочувствительных (рецепторзависимых) каналов. Например, при действии ацетилхолина на Н-холинорецептор постсинаптической мембраны в нервно-мышечном синапсе активируются ионные каналы, через которые проходят одновременно ионы Nа+, К+ и Са2+. Механочувствительные каналы являются вообще неселективными для одновалентных ионов и Са2+.

Один и тот же ион может иметь несколько видов каналов. Наиболее важными из них для формирования биопотенциалов являются следующие.

Каналы для К+:

• а) неуправляемые каналы покоя (каналы утечки) через которые К+ постоянно выходит из клетки, что является главным фактором в формировании мембранного потенциала(потенциала покоя);
• б) потенциалчувствительные управляемые К-каналы;
• в) К-каналы, активируемые Са2+;
• г) каналы, активируемые и другими ионами и веществами, например ацетилхолином, что обеспечивает гиперполяризацию миоцитов сердца.

Каналы для Nа+ -- управляемые быстрые и медленные и неуправляемые (каналы утечки ионов):

• а) потенциалчувствительные быстрые Na-каналы -- быстро активирующиеся при уменьшении мембранного потенциала, обеспечивают вход Nа+ в клетку во время ее возбуждения;
• б) рецепторуправляемые Nа-каналы, активируемые ацетилхолином в нервно-мышечном синапсе, глутаматом -- в синапсах нейронов ЦНС;
• в) медленные неуправляемые Nа-каналы--каналы утечки, через которые Nа+ постоянно диффундирует в клетку и пере носит с собой другие молекулы, например глюкозу, аминокислоты, молекулы-переносчики. Таким образом, Nа-каналы утечки обеспечивают вторичный транспорт веществ и участие Nа+ в формировании мембранного потенциала.

Каналы для Са2+ весьма разнообразны и наиболее сложны: рецепторуправляемые и потенциалуправляемые, медленные и быстрые:

• а) медленные кальциевые потенциалчувствительные каналы (новое название: L-типа), медленно активирующиеся при деполяризации клеточной мембраны, обусловливают медленный вход Са2+ в клетку и медленный кальциевый потенциал, например, у кардиомиоцитов. Имеются в исчерченных и гладких мышцах, в нейронах ЦНС;
• б) быстрые кальциевые потенциалчувствительные каналы саркоплазматического ретикулума обеспечивают выход Са2+ в гиалоплазму и электромеханическое сопряжение.

Каналы для хлора имеются в скелетных и сердечных миоцитах, эритроцитах, в небольшом количестве в нейронах и сконцентрированы в синапсах. Потенциалуправляемые С1-каналы имеются в кардиомиоцитах, рецепторуправляемые в синапсах ЦНС и активируются тормозными медиаторами ГАМК и глицином.

Структура ионных каналов и их функционирование. Каналы имеют устье и селективный фильтр, а управляемые каналы -- и воротный механизм; каналы заполнены жидкостью, их размеры 0,3--0,8 нм. Селективность ионных каналов определяется их размером и наличием в канале заряженных частиц. Эти частицы имеют заряд, противоположный заряду иона, который они притягивают, что обеспечивает проход иона через данный канал (одноименные заряды, как известно, отталкиваются). Через ионные каналы могут проходить и незаряженные частицы. Ионы, проходя через канал, должны избавиться от гидратной оболочки, иначе их размеры будут больше размеров канала. Диаметр иона Nа+, например, с гидратной оболочкой равен 0,3 нм, а без гидратной оболочки -- 0,19 нм. Слишком мелкий ион, проходя через селективный фильтр, не может отдать гидратную оболочку, поэтому он не может пройти через канал. Однако, по-видимому, имеются и другие механизмы селективности клеточной мембраны. Гипотеза «просеивания» не в состоянии объяснить, например, почему К+ не проходит через открытые Nа-каналы в начале цикла возбуждения клетки, но тем не менее она дает удовлетворительное, а в некоторых случаях и абсолютно убедительное объяснение избирательной (селективной) проницаемости клеточных мембран для разных частиц и ионов.

У каналов одного и того же вида возможно взаимовлияние друг на друга. Так, открытие одних электроуправляемых каналов способствует активации рядом расположенных электрочувствительных каналов, в то время как открытие одного хемо- или механочувствительного канала и прохождение через него ионов практически не влияют на состояние соседних таких же каналов. Частичная деполяризация клеточной мембраны за счет активации механочувствительных каналов может привести к активации потенциалчувствительных каналов Nа+, К+ (или Cl-) и Са2+.

Ионные каналы блокируются специфическими веществами и фармакологическими препаратами, что широко используется с лечебной целью. Специфическим блокатором механочувствительных каналов является Gadolinium (Gd3+). Блокаторами различных потенциалчувствительных каналов являются разные препараты или химические вещества. Так, например, блокатором хемочувствительного (рецепторчувствительного) канала эффекторных клеток, активируемого ацетилхолином, является атропин. Потенциалзависимые Nа-каналы блокируются тетродотоксином (действует только снаружи клетки); кальциевые -- двухвалентными ионами, например ионами никеля, марганца, а также верапамилом, нифедипином. Число ионных каналов на клеточной мембране огромно. Так, на 1 мкм2 насчитывают примерно 50 Nа-каналов, в среднем они располагаются на расстоянии 140 нм друг от друга. Успешное изучение ионных каналов дает возможность глубже понять механизм действия фармакологических препаратов, а значит, более успешно применять их в клинической практике. Новокаин, например, как местный анестетик снимает болевые ощущения потому, что он, блокируя Nа-каналы, прекращает проведение возбуждения по нервным волокнам.

Затраты энергии при транспорте веществ через мембрану. На процессы транспорта веществ в организме расходуется значительная часть энергии. Тем не менее транспорт веществ осуществляется весьма экономично, поскольку обычно транспорт одних частиц обеспечивает переход других, о чем свидетельствуют многие факты.

В процессе работы Nа/К-насоса энергия расходуется на перенос Na+ из клетки в окружающую ее среду, тогда как перенос К+ в клетку происходит без непосредственной затраты энергии в результате конформации белковой молекулы (Nа/К-АТФазы) после присоединения К+ к активному ее участку.

Создание концентрационного градиента ионов, являясь причиной возникновения мембранного потенциала, одновременно формирует осмотический градиент, который в свою очередь создает предпосылки направленного перемещения воды. Созданный электрический градиент принимает участие в переносе заряженных частиц, обеспечивает возникновение потенциала действия и распространение возбуждения.

Процесс перехода воды из одной области в другую, согласно закону осмоса, обеспечивает транспорт всех частиц, растворенных в ней и способных пройти через биологические фильтры (следование за растворителем). Энергия на переход воды непосредственно не затрачивается (вторичный транспорт), не затрачивается, естественно, энергия и на перенос частиц, растворенных в воде, которые следуют вместе с водой.

Натрийзависимый транспорт (транспорт неэлектролитов) требует затрат энергии на перенос Nа+ из клетки, но при этом часто диффузия Nа+ в клетку обеспечивает перемещение мембранных переносчиков, соединенных с молекулами глюкозы, аминокислот. Следовательно, глюкоза, аминокислоты могут поступать в клетку вместе с Nа+ (симпорт). Обратный захват медиатора в пресинаптическую терминаль из синаптической щели в синапсах ЦНС также осуществляется с помощью подобного механизма. Натрийзависимый транспорт может также обеспечивать челночные движения молекул-переносчиков, которые в свою очередь транспортируют ионы Са2+, Н+ из клетки (противотранспорт, антипорт) согласно концентрационному градиенту переносчиков.

Глюкоза и аминокислоты переносятся с помощью облегченной диффузии вторично активно без непосредственной затраты энергии.

Диффузия газов в легких между воздухом и кровью, а также в тканях между кровью и интерстицием происходит вообще без затрат энергии, как и обмен ионов НСO3 и Сl- между эритроцитами и плазмой, когда кровь находится в различных тканях организма и легких. Диффузия веществ из кишечника, например глюкозы в кровь после приема с пищей, если ее концентрация в кишечнике больше, происходит согласно градиенту концентрации, на создание которого клетки организма энергию не затрачивают. Эти два случая (диффузия газов в легком, тканях и частиц -- в кишечнике) являются исключением, когда транспорт в организме осуществляется вообще без затраты энергии. Однако энергия расходуется на доставку этих веществ в организм -- дыхательные движения, приготовление пищи и обработка ее в пищеварительной системе.

Энергия, затрачиваемая сердцем на движение крови по сосудам, обеспечивает не только транспорт кровью всех веществ, в том числе и газов, но и образование фильтрата (движение всех частиц) в тканях организма и мочеобразование.

Таким образом, первичный транспорт нескольких ионов, главным из которых является Nа+, обеспечивает перенос подавляющего большинства веществ в организме.

Все виды транспорта играют жизненно важную роль в процессе жизнедеятельности клеток и организма в целом. В частности, транспорт ионов обеспечивает формирование мембранных потенциалов клеток мышечной и нервной тканей, одной из функций последней является регуляция различных систем организма.

Согласно современным представлениям биологические мембраны образуют наружную оболочку всех живых клеток. Одним из главных структурных признаков является то, что мембраны всегда образуют замкнутые пространства. Этот факт помогает выполнять им важнейшие функции:

Барьерная (создание концентрационных градиентов, что препятствует свободной диффузии веществ). Это обеспечивает создание потенциала покоя, генерацию потенциала действия.

Регуляторная (тонкая регуляция внутриклеточного содержимого и внутриклеточных реакций за счет рецепции БАВ, что приводит к изменению активности ферментативных систем мембраны и запуску механизмов вторичных месенджеров (посредников).

Преобразование энергии раздражителя в электрические сигналы (в рецепторах).

Высвобождение нейромедиаторов в синоптических окончаниях.

Химический анализ показал, что мембраны в основном состоят из липидов и белков, количество которых варьирует у разных типов клеток. В настоящее время наиболее признана жидкостно-мозаичная модель клеточной мембраны.

Согласно этой модели, мембрана представлена бислоем фосфолипидных молекул. При этом гидрофобные концы молекул находятся внутри бислоя, а гидрофильные направлены в водную фазу, что способствует для образования раздела двух фаз: вне- и внутриклеточной. В фосфолипидном бислое интегрированы глобулярные белки, полярные участки которых образуют гидрофильную поверхность в водной фазе. Эти интегрированные белки выполняют различные функции:

рецепторную,

ферментативную,

образуют ионные каналы,

являются мембранными насосами,

переносят ионы и молекулы.

Общее представление о структуре и функциях ионных каналов.

Ионные каналы - особые образования в мембране клетки, представляющие собой олигомерные (состоящие из нескольких субъединиц) белки. Центральным образованием канала является молекула белка, которая пронизывает мембрану таким образом, что в ее гидрофильном центре формируется канал-пора, через которую в клетку способны проникать соединения, диаметр которых не превышает диаметра поры (обычно- это ионы).

Вокруг главной субъединицы канала располагается система из нескольких субъединиц, которые формируют участки для взаимодействия с мембранными регуляторными белками, различными медиаторами, а также фармакологически активными веществами.

Классификация ионных каналов по их функциям:

1) по количеству ионов, для которых канал проницаем, каналы делят на селективные (проницаемы только для одного вида ионов) и неселективные (проницаемы для нескольких видов ионов);

2) по характеру ионов, которые они пропускают на Na + , Ca ++ , Cl - , K + -каналы;

3) по способу регуляции делятся на потенциалзависимые и потенциалнезависимые. Потенциалзависимые каналы реагируют на изменение потенциала мембраны клетки, и при достижении потенциалом определенной величины, канал переходит в активное состояние, начиная пропускать ионы по их градиенту концентрации. Так, натриевые и быстрые кальциевые каналы являются потенциалзависимыми, их активация происходит при снижении мембранного потенциала до -50-60 мВ, при этом ток ионов Na + и Ca ++ в клетку вызывает падение потенциала покоя и генерацию ПД. Калиевые потенциалзависимые каналы активируются при развитии ПД и, обеспечивая ток ионов К + из клетки, вызывают реполяризацию мембраны.

Потенциалнезависимые каналы реагируют не на изменение мембранного потенциала, а на взаимодействие рецепторов, с которыми они взаимосвязаны, и их лигандов. Так, Cl - -каналы связаны с рецепторами g-аминомасляной кислоты и при взаимодействии этих рецепторов с ней они активируются и обеспечивают ток ионов хлора в клетку, вызывая ее гиперполяризацию и снижение возбудимости.

3. Мембранный потенциал покоя и его происхождение.

Термином «мембранный потенциал покоя» принято называть трансмембранную разность потенциалов, существующую между цитоплазмой и окружающим клетку наружным раствором. Когда клетка (волокно) находится в состоянии физиологического покоя, ее внутренний заряд отрицателен по отношению к наружному, условно принимаемому за нуль. У разных тканей мембранный потенциал характеризуется разной величиной: самый большой у мышечной ткани -80 -90 мВ, у нервной -70 мВ, у соединительной -35 -40 мВ, у эпителиальной -20мВ.

Образование МПП зависит от концентрации ионов К + , Nа + , Са 2+ , Сl - , и от особенностей строение мембраны клетки. В частности, ионные каналы, имеющиеся в мембране, обладают свойствами:

1. Селективностью (избирательной проницаемостью)

2. Электровозбудимостью.

В состоянии покоя натриевые каналы все закрыты, а большинство калиевых – открыты. Каналы могут открываться и закрываться. В мембране существуют каналы утечки (неспецифические), которые проницаемы для всех элементов, но более проницаемы для калия. Калиевые каналы всегда открыты, и ионы движутся через эти каналы по концентрационному и электрохимическому градиенту.

Согласно мембранно-ионной теории наличие МПП обусловлено:

непрерывным движением ионов по ионным каналам мембраны,

постоянно существующей разностью концентраций катионов по обе стороны мембраны,

непрерывной работой натрий-калиевого насоса.

различной проницаемостью каналов для этих ионов.

Ионов К + много в клетке, снаружи его мало, Nа + - наоборот, много вне клетки и мало в клетке. Ионов Сl - чуть больше снаружи клетки, чем внутри. Внутри клетки много органических анионов, которые в основном и обеспечивают отрицательный заряд внутренней поверхности мембраны.

В состоянии покоя мембрана клетки проницаема только для ионов К + . Ионы калия в состоянии покоя постоянно выходят в окружающую среду, где высокая концентрация Nа + . Поэтому, в состоянии покоя, наружная поверхность мембраны заряжена положительно. Высокомолекулярные органические анионы (белки) концентрируются у внутренней поверхности мембраны и определяют ее отрицательный заряд. Они же электростатически удерживают ионы К + с другой стороны мембраны. Основную роль в образовании МПП принадлежит ионам К + .

Несмотря на потоки ионов через каналы утечки разность концентрации ионов не выравнивается, т.е. сохраняется всегда постоянной. Этого не происходит потому, что в мембранах существуют Nа + - К + - насосы. Они непрерывно откачивают Nа + из клетки и против градиента концентрации вводят в цитоплазму К + . На 3 иона Nа + , которые выводятся из клетки, внутрь вводится 2 иона К + . Перенос ионов против градиента концентрации осуществляется активным транспортом (с затратой энергии). В случае отсутствия энергии АТФ клетка погибает.

Наличие потенциала покоя позволяет клетке практически мгновенно после действия раздражителя перейти из состояния функционального покоя в состояние возбуждения.

При возбуждении происходит снижение величины исходного потенциала покоя с перезарядкой мембраны. Когда внутренний заряд мембраны становится менее отрицательным наступает деполяризация мембраны и начинает развиваться потенциал действия.

4.Потенциал действия и механизм его происхождения.

Соотношение фаз возбудимости с фазами потенциала действия.

Потенциалом действия называют быстрое колебание мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных, мышечных и секреторных клеток. В его основе лежат изменения ионной проницаемости мембраны. Амплитуда и характер изменений потенциала действия мало зависят от силы вызывающего его раздражителя, важно лишь, чтобы эта сила была не меньше некоторой критической величины, которая называется порогом раздражения.

Порог раздражения – эта минимальная сила, при которой возникает минимальная ответная реакция. Для характеристики порога раздражения используется понятие реобаза (рео – ток, база – основной).

Кроме пороговых различают подпороговые раздражители, которые не могут вызвать ответной реакции, но вызывают сдвиг обмена веществ в клетке. Также существуют надрпороговые раздражители.

Возникнув, ПД распространяется вдоль мембраны, не изменяя своей амплитуды. В нем различают фазы:

Деполяризации:

а) медленная деполяризация;

б) быстрая деполяризация.

Реполяризация:

а) быстрая реполяризация;

б) медленная реполяризация (отрицательный следовой потенциал)

Гиперполяризация (положительный следовой потенциал)

Согласно современным представлениям, биологические мембраны образуют наружную оболочку всех животных клеток и формируют многочисленные внутриклеточные органеллы. Наиболее характерным структурным признаком является то, что мембраны всегда образуют замкнутые пространства, и такая микроструктурная организация мембран позволяет им выполнять важнейшие функции.

Строение и функции клеточных мембран.

1. Барьерная функция выражается в том, что мембрана при помощи соответствующих механизмов участвует в создании концентрационных градиентов, препятствуя свободной диффузии. При этом мембрана принимает участие в механизмах электрогенеза. К ним относятся механизмы создания потенциала покоя, генерация потенциала действия, механизмы распространения биоэлектрических импульсов по однородной и неоднородной возбудимым структурам.

2. Регуляторная функция клеточной мембраны заключается в тонкой регуляции внутриклеточного содержимого и внутриклеточных реакций за счет рецепции внеклеточных биологически активных веществ, что приводит к изменению активности ферментных систем мембраны и запуску механизмов вторичных «месенджеров» («посредников»).

3. Преобразование внешних стимулов неэлектрической природы в электрические сигналы (в рецепторах).

4. Высвобождение нейромедиаторов в синаптических окончаниях.

Современными методами электронной микроскопии была определена толщина клеточных мембран (6-12 нм). Химический анализ показал, что мембраны в основном состоят из липидов и белков, количество которых неодинаково у разных типов клеток. Сложность изучения молекулярных механизмов функционирования клеточных мембран обусловлена тем, что при выделении и очистке клеточных мембран нарушается их нормальное функционирование. В настоящее время можно говорить о нескольких видах моделей клеточной мембраны, среди которых наибольшее распространение получила жидкостно-мозаичная модель.

Согласно этой модели, мембрана представлена бислоем фосфолипидных молекул, ориентированных таким образом, что гидрофобные концы молекул находятся внутри бислоя, а гидрофильные направлены в водную фазу. Такая структура идеально подходит для образования раздела двух фаз: вне- и внутриклеточной.

В фосфолипидном бислое интегрированы глобулярные белки, полярные участки которых образуют гидрофильную поверхность в водной фазе. Эти интегрированные белки выполняют различные функции, в том числе рецепторную, ферментативную, образуют ионные каналы, являются мембранными насосами и переносчиками ионов и молекул.

Некоторые белковые молекулы свободно диффундируют в плоскости липидного слоя; в обычном состоянии части белковых молекул, выходящие по разные стороны клеточной мембраны, не изменяют своего положения.

Электрические характеристики мембран:

Емкостные свойства в основном определяются фосфолипидным бислоем, который непроницаем для гидратированных ионов и в то же время достаточно тонок (около 5 нм), чтобы обеспечивать эффективное разделение и накопление зарядов и электростатическое взаимодействие катионов и анионов. Кроме того, емкостные свойства клеточных мембран являются одной из причин, определяющих временные характеристики электрических процессов, протекающихщих на клеточных мембранах.

Проводимость (g) - величина, обратная электрическому сопротивлению и равная отношению величины общего трансмембранного тока для данного иона к величине, обусловившей его трансмембранной разности потенциалов.

Через фосфолипидный бислой могут диффундировать различные вещества, причем степень проницаемости (Р), т. е. способность клеточной мембраны пропускать эти вещества, зависит от разности концентраций диффундирующего вещества по обе стороны мембраны, его растворимости в липидах и свойств клеточной мембраны.

Проводимость мембраны является мерой ее ионной проницаемости. Увеличение проводимости свидетельствует об увеличении количества ионов, проходящих через мембрану.

Строение и функции ионных каналов . Ионы Na+, K+, Са2+, Сl- проникают внутрь клетки и выходят наружу через специальные, заполненные жидкостью каналы. Размер каналов довольно мал.

Все ионные каналы подразделяются на следующие группы:

1. По избирательности:

a) Селективные, т.е. специфические. Эти каналы проницаемы для строго определенных ионов.

b) Малоселективные, неспецифические, не имеющие определенной ионной избирательности. Их в мембране небольшое количество.

1. По характеру пропускаемых ионов:

a) калиевые

b) натриевые

c) кальцевые

d) хлорные

1. По скорости инактивации, т.е. закрывания:

a) быстроинактивирующиеся, т.е. быстро переходящие в закрытое состояние. Они обеспечивают быстро нарастающее снижение МП и такое же быстрое восстановление.

b) медленноинактирующиеся. Их открывание вызывает медленное снижение МП и медленное его восстановление.

4. По механизмам открывания:

a) потенциалзависимые, т.е. те которые открываются при определенном уровне потенциала мембраны.

b) хемозависимые, открывающиеся при воздействии на хеморецепторы мембраны клетки физиологически активных веществ (нейромедиаторов, гормонов и т. д).

В настоящее время установлено, что ионные каналы имеют следующее строение:

1.Селективный фильтр, расположенный в устье канала. Он обеспечивает прохождение через канал строго определенных ионов.

2.Активационные ворота, которые открываются при определенном уровне мембранного потенциала или действии соответствующего ФАВ. Активационные ворота потенциалзависимых каналов имеется сенсор, который открывает их на определенном уровне МП.

3.Инактивационные ворота, обеспечивающие закрывание канала и прекращение проведения ионов по каналу на определенном уровне МП.(Рис).

Неспецифические ионные каналы не имеют ворот.

Селективные ионные каналы могут находиться в трех состояниях, которые определяются положением активационных (м) и инактивационных (h) ворот:

1.Закрытом, когда активационные закрыты, а инактивационные открыты.

2.Активированном, и те и другие ворота открыты.

3.Инактивированном, активационные ворота открыты, а инактивационные закрыты

Функции ионных каналов:

1. Калиевый (в покое) – генерация потенциала покоя

2. Натриевый – генерация потенциала действия

3. Кальциевый - генерация медленных действий

4. Калиевый (задержанное выпрямление) – обеспечение реполяризации

5. Калиевый кальций-активируемый – ограничение деполяризации, обусловленной током Са+2

Функцию ионных каналов изучают различными способами. Наиболее распространенным является метод фиксации напряжения, или «voltage-clamp». Сущность метода заключается в том, что с помощью специальных электронных систем в процессе опыта изменяют и фиксируют на определенном уровне мембранный потенциал. При этом измеряют величину ионного тока, протекающего через мембрану. Если разность потенциалов постоянна, то в соответствии с законом Ома величина тока пропорциональна проводимости ионных каналов. В ответ на ступенчатую деполяризацию открываются те или иные каналы, соответствующие ионы входят в клетку по электрохимическому градиенту, т. е. возникает ионный ток, который деполяризует клетку. Это изменение регистрируется с помощью управляющего усилителя и через мембрану пропускается электрический ток, равный по величине, но противоположный по направлению мембранному ионному току. При этом трансмембранная разность потенциалов не изменяется.

Изучение функции отдельных каналов возможно методом локальной фиксации потенциала «path-clamp». Стеклянный микроэлектрод (микропипетка) заполняют солевым раствором, прижимают к поверхности мембраны и создают небольшое разрежение. При этом часть мембраны подсасывается к микроэлектроду. Если в зоне присасывания оказывается ионный канал, то регистрируют активность одиночного канала. Система раздражения и регистрации активности канала мало отличается от системы фиксации напряжения.

Ток через одиночный ионный канал имеет прямоугольную форму и одинаков по амплитуде для каналов различных типов. Длительность пребывания канала в открытом состоянии имеет вероятностный характер, но зависит от величины мембранного потенциала. Суммарный ионный ток определяется вероятностью нахождения в открытом состоянии в каждый конкретный период времени определенного числа каналов.

Наружная часть канала сравнительно доступна для изучения, исследование внутренней части представляет значительные трудности. П. Г. Костюком был разработан метод внутриклеточного диализа, который позволяет изучать функцию входных и выходных структур ионных каналов без применения микроэлектродов. Оказалось, что часть ионного канала, открытая во внеклеточное пространство, по своим функциональным свойствам отличается от части канала, обращенной во внутриклеточную среду.

Именно ионные каналы обеспечивают два важных свойства мембраны: селективность и проводимость.

Селективность, или избирательность, канала обеспечивается его особой белковой структурой. Большинство каналов являются электроуправляемыми, т. е. их способность проводить ионы зависит от величины мембранного потенциала. Канал неоднороден по своим функциональным характеристикам, особенно это касается белковых структур, находящихся у входа в канал и у его выхода (так называемые воротные механизмы).

Рассмотрим принцип работы ионных каналов на примере натриевого канала. Полагают, что в состоянии покоя натриевый канал закрыт. При деполяризации клеточной мембраны до определенного уровня происходит открытие m-активационных ворот (активация) и усиление поступления ионов Na+ внутрь клетки. Через несколько миллисекунд после открытия m-ворот происходит закрытие h-ворот, расположенных у выхода натриевых каналов (инактивация). Инактивация развивается в клеточной мембране очень быстро и степень инактивации зависит от величины и времени действия деполяризующего стимула.

При генерации одиночного потенциала действия в толстом нервном волокне изменение концентрации ионов Na+ во внутренней среде составляет всего 1/100000 от внутреннего содержания ионов Na гигантского аксона кальмара.

Кроме натриевых, в клеточных мембранах установлены другие виды каналов, избирательно проницаемых для отдельных ионов: К+, Са2+, причем существуют разновидности каналов для этих ионов.

Ходжкин и Хаксли сформулировали принцип «независимости» каналов, согласно которому потоки натрия и калия через мембрану независимы друг от друга.

Свойство проводимости различных каналов неодинаково. В частности, для калиевых каналов процесс инактивации, как для натриевых каналов, не существует. Имеются особые калиевые каналы, активирующиеся при повышении внутриклеточной концентрации кальция и деполяризации клеточной мембраны. Активация калий-кальцийзависимых каналов ускоряет реполяризацию, тем самым восстанавливая исходное значение потенциала покоя.

Особый интерес представляют кальциевые каналы. Входящий кальциевый ток, как правило, недостаточно велик, чтобы нормально деполяризовать клеточную мембрану. Чаще всего поступающий в клетку кальций выступает в роли «мессенджера», или вторичного посредника. Активация кальциевых каналов обеспечивается деполяризацией клеточной мембраны, например входящим натриевым током.

Процесс инактивации кальциевых каналов достаточно сложен. С одной стороны, повышение внутриклеточной концентрации свободного кальция приводит к инактивации кальциевых каналов. С другой стороны, белки цитоплазмы клеток связывают кальций, что позволяет поддерживать длительное время стабильную величину кальциевого тока, хотя и на низком уровне; при этом натриевый ток полностью подавляется. Кальциевые каналы играют существенную роль в клетках сердца. Электрогенез кардиомиоцитов рассматривается в главе 7. Электрофизиологические характеристики клеточных мембран исследуют с помощью специальных методов.

селективные (проницаемы только для одного вида ионов). По характеру ионов, которые они пропускают на Na+, Ca++, Cl-, K+-каналы;

неселективные (проницаемы для нескольких видов ионов);

2) По способу регуляции делятся на:

потенциалзависимые (электровозбудимые, потенциалуправляемые)

Потенциалнезависимые (хемовозбудимые, (лиганд-рецептор -зависимые), хемоуправляемые)

Механовозбудимые (механоуправляемые).

Потенциал покоя и действия. Мембранно-ионная теория происхождения потенциала покоя и действия. Местное и распространяющееся возбуждение.

Установлено, что мембрана любой живой клетки поляризована, внутренняя поверхность элетроотрицательна по отношению к наружной. Мембранный потенциал равен - (минус) 70 - (90) мв. При возбуждении происходит снижение величины исходного потенциала покоя с перезарядкой мембраны. Формирование и сохранение потенциала покоя обусловлено непрерывным движением ионов по ионным каналам мембраны, постоянно существующей разностью концентраций катионов по обе стороны мембраны, непрерывной работой натрий-калиевого насоса. За счет постоянного удаления из клетки иона натрия и активного переноса в клетку иона калия сохраняется разность концентраций ионов и поляризация мембраны. Концентрация иона калия в клетке превышает внеклеточную концентрацию в 30 - 40 раз, внеклеточная концентрация натрия примерно на порядок выше внутриклеточной. Электроотрицательность внутренней поверхности мембраны обусловлена наличием в клетке избытка анионов органических соединений, абсолютная величина потенциала покоя (мембранный потенциал, трансмембранный потенциал, равновесный калиевый потенциал) обусловлена главным образом соотношением внутри- и внеклеточной концентраций ионов калия и удовлетворительно описывается уравнением Нернста : (1)

Современная теория учитывает так же:

1) разницу концентраций ионов натрия, хлора, кальция;

2) проницаемость (Р) мембраны для каждого иона в текущий момент времени.

Наличие потенциала покоя позволяет клетке практически мгновенно после действия раздражителя перейти из состояния функционального покоя в состояние возбуждения.

Возникновение потенциала действия (деполяризация)

I – мембранный потенциал

1 - потенциал покоя, 2-- медленная деполяризация, 3 - быстрая деполяризация, 4 - быстрая реполяризация, 5 – медленная реполяризация, 6- гиперполяризация

II - возбудимость

а – нормальная, б – повышенная, в –абсолютная рефрактерность,

г – относительная рефрактерность, д – супернормальность,

е -субнормальность

Потенциал действия (ПД) развивается при наличии исходной поляризации мембраны (потенциала покоя) благодаря изменению проницаемости ионных каналов (натриевых и калиевых). После действия раздражителя потенциал покоя уменьшается, активация каналов повышает их проницаемость для ионов натрия , который входит в клетку и обеспечивает процесс деполяризации. Поступление в клетку иона натрия уменьшает электроотрицательность внутренней поверхности мембраны, что способствует активации новых ионных натриевых каналов и дальнейшему поступлению в клетку иона натрия. Действуют силы:

а) электростатическое притяжение внутриклеточных анионных группировок;

б) концентрационный градиент ионов натрия, направленный внутрь клетки.

Пик потенциала действия обусловлен равновесием поступления в клетку ионов натрия и равным их удалением под влиянием сил отталкивания одноимённо заряженных ионов.