рецепторы с протонными (Н+-) каналами

(ASIC), сходные по структуре с двухсегментными белками-каналоформерами двух рассмотренных выше рецепторов.

Структурные и функциональные свойства ионных каналов тормозных рецепторов

!Лигандактивируемые тормозные ионотропные рецепторы представляют собой анионные каналы-пен- тамеры; их активируют медиаторы ГАМК и глицин.

Строение. Важнейшие тормозные медиаторы

ЦНС — это аминокислоты, а именно γ-аминомас-

ляная кислота (ГАМК) и глицин. ГАМКА-рецеп- торы обнаружены прежде всего в коре больших полушарий и мозжечке, а рецепторы глицина — преимущественно в стволе мозга и в спинном мозге. С точки зрения их генетического происхождения оба рецептора классифицируются как принадлежащие к суперсемейству nAch-рецепто- ров, для которых характерны четырехсегментная топология и пентамерная стехиометрия субъединиц. При этом ГАМКА-рецепторы состоят из двух

α(α1–6)- и двух β (β1–3)-субъединиц, а также одной γ-, δ-, ε- или π-субъединицы; что касается ре-

цепторов глицина, то это гетеропентамеры из трех

α(α1–4)- и двух β (β1)-субъединиц (табл. 4.1).

Воротные механизмы. Для переключения (от-

крывания/закрывания) ГАМКА-рецепторов и рецепторов глицина характерны те же принципы, что и для воротных механизмов каналов nAchR и iGluR. Однако у тех и других каналов различная ионная проницаемость. ГАМКА-рецепторы и рецепторы глицина проявляют высокую селективность в отношении отрицательно заряженных ионов Cl–, следовательно, это медиаторуправляемые хлорные каналы. Такая избирательность к анионам определяется, по-видимому, свойствами порообразующего М2-сегмента, который по сравнению с аналогичным элементом катионселективного рецепторного канала имеет меньшее число, а также иное размещение положительно заряженных аминокислотных остатков. Влияние ГАМКА-рецепторов и рецепторов глицина на мембранный потенциал зависит от внутриклеточной концентрации Cl–. Если равновесный потенциал для Cl– более отрицателен, чем потенциал покоя, то открываются лигандуправляемые Cl–-каналы, что обеспечивает гиперполяризацию постсинаптической мембраны (гиперполяризующее торможение). Если же равновесный потенциал для Cl– соответствует потенциалу покоя, то при открывании каналов мембранный потенциал не изменяется, однако в результате снижения входного сопротивления возникает тормозный эффект (шунтирующее торможение). В итоге в некоторых ситуациях (например, в период раннего постнатального развития или при патологических

состояниях) равновесный потенциал для Cl– может принимать более положительные значения, чем потенциал покоя. В таких условиях активация лигандуправляемых Cl–-каналов приводит к деполяризации постсинаптической мембраны, а в особых случаях даже к возбуждению постсинаптической клетки (т. е. к генерации потенциалов действия).

Фармакология ГАМКА-рецепторов и рецепторов глицина. ГАМКА-рецепторы — это молекулярные мишени для веществ, применяемых в качестве лекарственных средств, а также широко распространенных как наркотики. К таким веществам относятся бензодиазепины (диазепам, клоназепам — известные анксиолитики) и барбитураты (фенобарбитал), используемые как снотворные и седативные средства.

Коротко

Лигандактивируемые ионные каналы

Активация рецепторного ионного канала может осуществляться в результате изменения мембранного потенциала или связывания внеклеточного медиатора (лиганда). Ионные каналы, способные активироваться таким образом, называются лигандактивируемыми каналами или ионотропными рецепторами.

Ионные каналы возбуждающих рецепторов

Важнейшие возбуждающие рецепторы — это

ионотропные рецепторы глутамата и ионотропные рецепторы ацетилхолина. Они состоят из четырех или пяти субъединиц.

При отсутствии агониста каналы находятся в закрытом состоянии; связывание с агонистом изменяет конформацию участка связывания и его окружения, что приводит к открыванию канала.

Ионные каналы тормозных рецепторов

Важнейшие тормозные медиаторы центральной нервной системы — это γ-аминомасляная кислота

(ГАМК) и глицин; соответствующие рецепторные каналы — ГАМКА-рецепторы и рецепторы глицина. Их молекулы образованы пятью субъединицами.

4.6. Мембранный потенциал покоя и потенциалы действия

Диффузионный потенциал — трансмембранная разность потенциалов

!Мембранные потенциалы обусловлены избирательной проницаемостью биологических мембран и неравномерным распределением ионов между внутри- и внеклеточной средой.

Между содержимым живой клетки и внешней средой существует градиент электрического напряжения, так называемый мембранный потенциал. Основу трансмембранной разности потенциалов составляет диффузионный потенциал.

Происхождение диффузионного потенциала.

Диффузионный потенциал возникает при следующих условиях:

при неравномерном распределении по обе стороны мембраны ионов некоторого определенного типа (градиент концентрации); при избирательной проницаемости мембраны для этих ионов.

Причину возникновения диффузионного потенциала объясняют на основе следующей модели клетки. Внутри клетки концентрация ионов K+ выше, чем снаружи, причем мембрана пропускает в клетку только K+ (рис. 4.14). Исходно разность потенциалов отсутствует, поскольку по обе стороны мембраны количество положительных и отрицательных ионов одинаково (электрическая нейтральность). Вначале единственной движущей силой для потока ионов через избирательно проницаемую мембрану служит градиент концентрации, вследствие которого из клетки выходит больше K+, чем в обратном направлении (разд. 3.3). Поскольку мембрана пропускает только K+, вместо каждого выходящего иона K+ в клетке остается анион. В результате по обе стороны мембраны возникает разница зарядов, т. е. создается трансмембранная разность потенциалов, или электрическое напряжение между внутри- и внеклеточной средой. Это напряжение становится движущей силой для ионов, которая противостоит диффузии, вызванной градиентом их концентрации. Процесс достигает равновесия, когда электрическая и химическая движущие силы (разд. 4.1) уравниваются. После установления равновесия из клетки в единицу времени выходит такое же количество K+, которое проникает в нее. Величина возникшего трансмембранного потенциала остается постоянной до тех пор, пока не изменится концентрация ионов и через мембрану не пойдет ионный ток.

Уравнение Нернста. Для описания диффузионного потенциала используется уравнение Нернста:

Значение потенциала зависит от концентрации ионов по обе стороны мембраны, от абсолютной температуры (Т), а также от постоянных R и F.

Диффузионный потенциал подчиняется элементарным физическим законам и его легко воспроизвести в эксперименте, например поместив избирательно проницаемую искусственную мембрану между двумя отделениями сосуда, содержащими растворы с разной концентрацией иона (рис. 4.14А).

Уравнение Нернста корректно описывает мембранный потенциал только в тех случаях, когда мембрана пропускает исключительно ионы одного вида, что бывает крайне редко. Поэтому обычно

уравнение позволяет рассчитать лишь приблизительное значение мембранного потенциала.

Уравнение Гольдмана. Когда мембрана пропускает потоки ионов нескольких видов, мембранный потенциал можно вычислить на основе уравнения Гольдмана–Ходжкина–Катца (Goldman–Hodgkin– Katz, GНK):

PNa[Na]0 + PK[K]0 +PCl[Cl]i Erev = RT/F · ln PNa[Na]i + PK[K]i +PCl[Cl]0 .

Рис. 4.14. Диффузионный потенциал. Генерация диффузионного потенциала на синтетической мембране, проницаемой к K+ (А), и на модели клетки (Б). А. В двух компартментах, разделенных проницаемой к K+ мембраной, образуются растворы с различной концентрацией хлорида калия. Вначале между компартментами отсутствует разность потенциалов. Затем по мере перехода K+ в соответствии с градиентом концентрации из одного компартмента в другой создается электрическое напряжение. Поскольку через мембрану могут проходить только положительные заряды, но не отрицательные, возникает разность потенциалов. Во всех клетках человека внутриклеточная концентрация K+, Nа+ и Сl– отличается от внеклеточной. Б. В таблице (см. вставку) приведены в качестве примера вне- и внутриклеточные концентрации ионов в возбудимой клетке — волокне скелетной мышцы человека. В то время как значения внутриклеточной концентрации катионов в большинстве клеток относительно близки, данные по внеклеточной концентрации хлорида в различных типах клеток существенно расходятся

Это уравнение позволяет рассчитать мембранный потенциал в случае проницаемости к нескольким различным ионам, например Na+, K+, и Cl–.

При равновесном потенциале сумма всех ионных токов равна нулю. При этом равновесное значение трансмембранной разности потенциалов зависит от токов всех проникающих ионов. В свою очередь, амплитуды ионных токов определяются мембранным потенциалом и концентрациями ионов (см. потенциалзависимый блок поры), поэтому рассчитать их можно только приблизительно. Согласно уравнению Гольдмана–Ходжкина– Катца ионный ток представляет собой функцию концентраций ионов и проницаемости мембраны (Р). По закону Фика, проницаемость рассчитывается как отношение коэффициента диффузии (D)

к толщине мембраны (d): Р = Dd .

Мембранный потенциал покоя

! Во многих клетках потенциал покоя соответствует диффузионному потенциалу для K+. В состоянии покоя K+-проводимость клеточной мембраны преимущественно обеспечивают потенциалнезависимые Kir-каналы внутреннего выпрямления (их также называют выпрямляющими входными K+-каналами, inward rectifiers), которые пропускают входящие, но невыходящие K+-токи, способствуя стабилизации мембранного потенциала на уровне покоя; кроме того, участвуют двупоровые K+-каналы (с 2Р-доменами).

Почти во всех возбудимых клетках организма млекопитающих мембранный потенциал покоя

примерно равен диффузионному потенциалу, иными словами, калиевому равновесному потенциалу

(ЕК) (рис. 4.15); приблизительные значения потенциала покоя составляют (со знаком «минус»): 70 мВ для нейронов, 90 мВ для клеток нейроглии; 90 мВ для клеток скелетных мышц и миокарда. Как известно, условием возникновения диффузионного потенциала в клетке является наличие

открытых, т. е. проницаемых, K+-каналов. Если мембранный потенциал более отрицателен, чем –70 мВ, в открытом состоянии могут находиться лишь немногие типы K+-каналов. Сюда относятся потенциалнезависимые K+-каналы аномального выпрямления (или внутреннего выпрямления, т. е. Kir-каналы, inward rectifiers) и двупоровые K+-ка- налы (с 2Р-доменами), а также потенциалуправляемые K+-каналы KCNQ-типа (KCNQ4), которые первыми полностью деактивируются при мембранном потенциале, значительно более отрицательном, чем –100 мВ.

Все остальные потенциалуправляемые K+-ка- налы (особенно КV-каналы) закрыты при классическом уровне мембранного потенциала покоя и, следовательно, не участвуют в его формировании. Каким именно типом K+-канала обеспечивается потенциал покоя, зависит от функциональных свойств клетки (от ее принадлежности к определенному типу ткани). Так, Kir-каналы присутствуют в клетках миокарда, скелетных мышц, многих эпителиальных тканей, нейроглии и в некоторых центральных нейронах, в то время как двупоровые K+-каналы (с 2Р-доменами), часто называемые «фоновыми каналами», определяют потенциал покоя большинства центральных ЦНС.

Если мембранный потенциал покоя достигает значений, более положительных, чем –60 мВ (например, при повышении Nа+-проводимости), то открываются потенциалуправляемые КV-каналы, которые выпускают из клетки ионы K+, поддерживая мембранный потенциал на уровне –60 мВ.

Потенциал действия

!После того как мембранный потенциал превысит пороговое значение, в возбудимой клетке генери-

руется потенциал действия (ПД); NаV-каналы обеспечивают деполяризацию мембраны, а КV-каналы (которым свойственна более медленная скорость открывания) — реполяризацию.

Потенциал действия — это кратковременный сдвиг мембранного потенциала в положительном направлении, вызванный стимулом, который деполяризовал клетку выше уровня порогового потенциала. Стереотипный временной ход событий, составляющих ПД, можно представить в виде нескольких фаз (рис. 4.16):

инициация (преодоление уровня порогового потенциала); деполяризация (фаза нарастания ПД — вплоть

до овершута, т. е. реверсии полярности);

реполяризация; следовая гиперполяризация.

Быстрые изменения мембранного потенциала обусловлены сдвигами проницаемости мембраны для ионов Nа+ и K+ в определенной временной последовательности (рис. 4.17). В некоторых клетках, например в кардиомиоцитах, в развитии ПД также участвуют потенциалзависимые Са2+-каналы.

Деполяризация. Чтобы возник ПД, стимул должен деполяризовать мембрану до порогового уровня (иными словами, порога возбуждения — фаза инициации, рис. 4.17). Это означает, что входящий в клетку поток катионов (Na+, Са2+), вызванный

Рис. 4.16. Фазы потенциала действия. Временной ход потенциала действия; представлены две разные шкалы времени. Обозначения фаз потенциала действия: I — инициация; IIa, IIb — деполяризация (подъем и овершут); III — реполяризация; IV — следовая гиперполяризация (на рисунке справа отмечена

розовым)

стимулом, более значителен, чем выходящий поток K+, который характерен для потенциала покоя и противодействует деполяризации. Если деполяризация преодолеет пороговый уровень, начинается

восходящая фаза потенциала действия, обусловленная активацией NаV-каналов. Поскольку воротный механизм активируется потенциалом, ионные каналы при величине мембранного потенциала положительнее значения –60 мВ начинают переходить в открытое состояние (рис. 4.17). Входящие через них ионы Na+ обеспечивают нарастание деполяризации, которое благодаря положительной обратной связи приводит к дальнейшей активации NаV-каналов. В результате такого быстрого «взрывного» потока Na+ мембрана деполяризуется до уровня натриевого равновесного потенциала (ЕNа, ~ +60 мВ). На вершине ПД трансмембранная разность потенциалов меняет свой знак и достигает значения от 0 до 40 мВ (овершут).

Распространение потенциалов действия. Достигнув порога возбуждения, ПД распространяется в соответствии с известной формулировкой по закону «все или ничего». Генерацию ПД обеспечивают два процесса. Во-первых, это потенциалуправляемая активация NаV-каналов с положительной обратной связью между деполяризующим Na+-то- ком и активацией каналов; во-вторых — сильный потенциалуправляемый блок Kir-каналов внутриклеточным катионом спермином. Инициирующая деполяризация (стимул) преодолевается явлением «отрицательного импеданса» (рис. 4.11, «сперминовый горб» — спад кривой зависимости ионного тока от потенциала), который способствует ослаблению блока Kir-каналов. Поскольку выходящий тормозный K+-ток резко прекращается, результирующий стимул может изменить заряд мембраны, что при соучастии NаV-ка- налов приводит к быстрой деполяризации клетки.

4.2. Гиперкалиемический периодический паралич

Симптомы и признаки. Основной симптом этого заболевания — приступы мышечной слабости, вызванные нарушением функции натриевых каналов NаV 1.4 скелетных мышц. Приступы длятся от нескольких минут до нескольких часов, может преобладать

Рис. 4.17. Потенциал действия. Показаны сдвиги Nа+- и K+-проводимости, составляющие основу фаз ПД

4.3. Синдром удлиненного интервала QT

Синдром представляет собой одну из форм сердечной аритмии. У молодых пациентов нередко возникает потеря сознания (синкопальное состояние); не исключена внезапная смерть.

Патогенез. При регистрации ЭКГ наблюдается удлинение интервала QT, ассоциированное с увеличением длительности ПД кардиомиоцитов. При генетических формах заболевания идентифицированы пять патологических генных мутаций; продукты экспрессии этих генов участвуют в кодировании ионных каналов (см. Приложение, табл. А2). Два кодируемых домена соответствуют α- и β-субъединицам K+-каналов кардиомиоцитов,

KCNQ1 (или KvLQT1) и KCNE1 (которая часто обозначается как minK или IsK). Мутация β-субъ-

единицы KCNE1 обусловливает крайне медленную активацию KCNQ1-каналов; это объясняет чрезвычайную продолжительность реполяризации (более 300 мс) в клетках миокарда желудочков. Мутация KCNQ1-каналов приводит прежде всего к редукции K+-токов, тогда как мутация KCNЕ1-влияет

в основном на работу воротного механизма. Оба типа каналопатии замедляют реполяризацию и, следовательно, увеличивают продолжительность ПД в миокарде. KCNQ1- и KCNЕ1-каналы выявлены не только в кардиомиоцитах, но и в сосудистой полоске (stria vascularis) улиткового лабиринта (компонент внутреннего уха; разд. 3.4), где они обеспечивают секрецию K+ в эндолимфу. Этот дефект вызывает нейросенсорную тугоухость.

4.4. Конгенитальная миотония

Симптомы и признаки. Заболевание характеризуется тугоподвижностью мышц во время произвольных движений. Пациент испытывает затруднения, когда он пытается встать, или побежать, или разогнуть пальцы после рукопожатия. Поскольку скованность мышц появляется только при повторных движениях, ограниченность двигательных возможностей пациента рассматривается как относительная.