12. Ионные каналы…

Ионный канал состоит из нескольких субъединиц, их ко­личество в отдельном ионном канале составляет от 3 до 12 субъединиц. По своей организации субъединицы, входящие в канал, могут быть гомологичными (однотипными), ряд кана­лов сформирован разнотипными субъединицами.

Каждая из субъединиц состоит из нескольких (три и бо­лее) трансмембранных сегментов (неполярные части, закру­ченные в α-спирали), из вне- и внутриклеточных петель и концевых участков доменов (представлены полярными облас­тями молекул, формирующих домен и выступающих за преде­лы билипидного слоя мембраны).

Каждый из трансмембранных сегментов, вне- и внутрик­леточных петель и концевых участков доменов выполняет свою функцию.

Так, трансмембранный сегмент 2, организованный в виде α-спирали, определяет селективность канала.

Концевые участки домена выступают в качестве сенсоров к вне- и внутриклеточным лигандам, а один из трансмембран­ных сегментов играет роль потенциалзависимого сенсора.

Третьи трансмембранные сегменты в субъединице от­ветственны за работу воротной системы каналов и т.д.

Ионные каналы работают по механизму облегченной диффузии. Движение по ним ионов при активации каналов идет по градиенту концентрации. Скорость перемещения через мембрану составляет 10 ионов в секунду.

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 ионовNa⁺.

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 мкм²в раз­личных тканях не одинакова.

Так, в немиелиновых нервных волокнах она составляет 50-200 каналов, а в миелиновых нервных волокнах (перехваты Ранвье) - 13000 на 1 мкм²площади 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 alформирует собственно канал и содержит места связывания для различных модуляторов каль­циевых каналов.

Было обнаружено несколько структурно различных alсубъединиц кальциевых каналов в нервных клетках млекопи­тающих (обозначенных как А, В, С,Dи 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 Са^2ч-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.

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 НСО₃не 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⁺,Ca²⁺-H⁺обменники, а также обменники, обеспечивающие обмен катионов на ани­оныNa⁺-HCO-₃, 2CI-Са²⁺и обменники, обеспечивающие обмен катиона на катион (Na⁺-Са²⁺) 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 (NMDAи 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 уровеньNa⁺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 Н₂О.

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 Са²⁺-насосов, ответственных за устранение ионов Са²⁺из цитоплазмы: Са²⁺-насосы плазмалеммы и Са²⁺-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 Са²⁺-насоса плазмалеммы контролируется не­посредственно Са²⁺: увеличение концентрации свободного кальция в цитозоле активирует Са²⁺-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. ЗначимостьSERCA3 -насосов менее ясна.

Белки SERCA2-нacocoв разделяются на две различные изоформы:SERCA2a, характерные для кардиомиоцитов и гладких мышц, иSERCA2b, характерные для тканей мозга.

Увеличение Са²⁺в цитозоле активирует захват ионов кальция в эндоплазматический ретикулум, в то время как уве­личение свободного кальция внутри эндоплазматического ретикулума ингибирует насосыSERCA.

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 Са²⁺-АТФазой,Nа⁺/Са²⁺-обменниками, кальцийсвязывающими белками цитозоля.

Кроме быстрого связывания цитозольного Са²⁺внутрик­леточными Са²⁺-связывающими белками, ионы кальция, по­падающие в цитозоль, могут аккумулироваться аппаратом Гольджи или клеточным ядром, захватываться митохондриальными Са²⁺-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-НСО₃-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.