Typy iontových kanálů. iontové kanály. Potenciální nezávislé sodíkové kanály
Poslední aktualizace: 28/10/2013
Druhý článek ze série Základy fyziologie člověka a zvířat. Budeme si povídat o mechanismu vzniku akčního potenciálu – základu každého pohybu.
Vzrušivé buňky (což jsou v té či oné míře všechny buňky zvířecího těla) v klidu mají přebytek záporného náboje, který se tvoří. Pokud je buňka vystavena vnější stimulaci, přechází do excitovaného stavu a generuje další potenciál – akční potenciál.
Tento proces je realizován systémem iontových kanálů v buněčné membráně, který reguluje koncentraci elektricky nabitých částic - iontů. Všechny kanály, bez ohledu na specializaci, jsou ovládány určitými silami. Může se jednat o změnu potenciálu na buněčné membráně - v případě napěťově závislých kanálů zvýšení koncentrace určitých aktivních látek - u ligandově závislých nebo protažení membrány - u mechanicky řízených kanálů.
Kanály jsou specifické proteiny uložené v membráně. Každý typ kanálu umožňuje průchod určitých iontů. Jedná se o pasivní transportní systém: ionty jimi procházejí v důsledku difúze a kanály jednoduše řídí koncentraci procházejících částic, regulují pro ně propustnost membrány.
Na tvorbě akčního potenciálu i klidového potenciálu se podílejí především ionty sodíku a draslíku.
Sodíkové kanály mají poměrně jednoduchou strukturu: je to protein tří různých podjednotek, které tvoří strukturu podobnou pórům – tedy trubici s vnitřním lumenem. Kanál může být ve třech stavech: uzavřený, otevřený a neaktivovaný (uzavřený a nevybuzený). To je zajištěno lokalizací negativních a pozitivních nábojů v samotném proteinu; tyto náboje jsou přitahovány k opačným nábojům existujícím na membráně, a tak se kanál při změně stavu membrány otevírá a zavírá. Když je otevřená, mohou jí ionty sodíku volně procházet do buňky podél koncentračního gradientu. Jedná se o velmi krátký časový okamžik – doslova zlomky milisekund.
Draslíkové kanály jsou ještě jednodušší: jsou to samostatné podjednotky, které mají v kontextu lichoběžníkový tvar; jsou umístěny téměř blízko sebe, ale vždy je mezi nimi mezera. Draslíkové kanály se zcela neuzavírají, v klidu draslík volně opouští cytoplazmu (podél koncentračního gradientu).
Sodíkové i draslíkové kanály jsou závislé na napětí – fungují v závislosti na změnách elektrický potenciál membrány.
Při tvorbě akčního potenciálu dochází k prudkému krátkodobému dobití membrány. To je zajištěno několika po sobě jdoucími procesy.
Za prvé, pod vlivem vnějšího podnětu (např. elektrický proud) membrána se depolarizuje - to znamená, že náboje z jejích různých stran se mění na opačné (uvnitř buňky se náboj stává kladným, vně - záporným). To je signál pro otevření sodíkových kanálů, kterých je na povrchu jedné membrány obrovské množství - může jich být až 12 tisíc. Okamžik, kdy se kanály začínají otevírat, se nazývá kritická úroveň depolarizace. Proud, který vytváří tuto kritickou depolarizaci, se nazývá prahový proud.
Je zajímavé, že zvýšení proudu po dosažení prahové hodnoty nemění charakteristiky výsledného akčního potenciálu. Pro otevření kanálů není důležitá amplituda proudu, ale množství energie přijaté membránou - „množství elektřiny“. Tomuto vzoru se říká „všechno nebo nic“ – buď dochází k plnohodnotné reakci na podráždění s jeho hodnotou od prahové hodnoty a výše, nebo nedochází k žádné odpovědi, pokud podráždění nedosáhlo prahové hodnoty. V tomto případě je hodnota prahové hodnoty určena dobou trvání dodávané stimulace.
Tento zákon však platí pouze v rámci jedné buňky. Vezmeme-li např. nerv složený z velkého množství různých axonů, bude záležet i na amplitudě, protože odezvu na podráždění uvidíme až při aktivaci kanálků ve všech buňkách – tedy s větší celkovou hodnotou prahového proudu.
Po otevření kanálů začne sodík vstupovat do buňky a jeho proud výrazně převyšuje proud draslíku opouštějícího gradient. To znamená, že propustnost membrány pro sodík se stává větší než pro draslík. V určitém okamžiku se otevřou téměř všechny sodíkové kanály. To se děje jako lavina: od bodu, ve kterém přišel podnět, v obou směrech. Koncentrace sodíku v buňce tedy prudce stoupá.
Poté by se koncentrace iontů měly vrátit na původní. To poskytuje takovou společnou vlastnost kanálů, jako je refrakternost: kanál, který fungoval, je po nějakou dobu neaktivní a nemůže být vybuzen působením dráždivého podnětu.
Sodíkové kanály se v okamžiku maximální odezvy na podráždění stávají refrakterními, propustnost sodíku prudce klesá. Draslíkové kanály naopak začnou aktivně pracovat a proud draslíku z buňky se zvyšuje. Buňku tak opustí přebytek kladně nabitých iontů a obnoví se původní klidový potenciál. Po tuto dobu, než se obnoví sodíkové kanály a počáteční potenciál (to může trvat asi milisekundu), není buňka schopna excitace.
Vzhledem k tomu, že schopnost buněk vzrušovat zajišťuje fungování těla jako celku a možnost centrálního řízení všech buněk těla, patří jedy, které blokují kanály, mezi nejnebezpečnější pro člověka a mnoho zvířat.
Jedním z nejobávanějších blokátorů kanálů je tetrodotoxin, látka produkovaná pufferovými rybami. Hodnota LD50 (50% Level of Death – dávka, na kterou zemře 50 lidí ze sta) je pro něj 10 miligramů na kilogram hmotnosti, tedy asi tisíckrát méně než u kyanidu. Jeho molekuly se těsně vážou na protein sodíkového kanálu, když je uzavřen, a zcela blokují možnost akčního potenciálu. Některé řasy produkují podobné toxiny. Naopak jed štíra udržuje všechny kanály v trvale otevřeném stavu.
Dobře, štír, ale proč tak hrozná zbraň na řasy je záhadou.
Chceš něco říct? Zanechat komentář!.
Vlastnosti iontových kanálů
Selektivita je selektivně zvýšená permeabilita IR pro určité ionty. U ostatních iontů je propustnost snížena. Tato selektivita je určena selektivním filtrem - nejužším místem póru kanálu. Filtr kromě úzkých rozměrů může mít i lokál elektrický náboj. Například kationtově selektivní kanály mají obvykle negativně nabité aminokyselinové zbytky v molekule proteinu v oblasti jejich selektivního filtru, které přitahují kladné kationty a odpuzují negativní anionty, čímž jim brání procházet póry.
Řízená propustnost je schopnost integrovaného obvodu otevřít nebo zavřít za určitých řídicích akcí na kanálu. Uzavřený kanál má sníženou propustnost a otevřený kanál má zvýšenou. Podle této vlastnosti lze IC klasifikovat v závislosti na metodách jejich objevu: například potenciálně aktivované, ligandem aktivované atd.
Inaktivace je schopnost integrovaných obvodů automaticky snížit jejich propustnost nějakou dobu po jejich otevření, i když aktivační faktor, který je otevřel, pokračuje v činnosti. Rychlá inaktivace je speciální proces s vlastním specifickým mechanismem, odlišným od pomalého uzavírání kanálu (pomalá inaktivace). K uzavření (pomalé inaktivaci) kanálu dochází v důsledku procesů, které jsou opačné k procesům, které zajistily jeho otevření, tzn. změnou konformace kanálového proteinu. Ale například u napěťově aktivovaných kanálů dochází k rychlé inaktivaci pomocí speciální molekulární zátky, která se podobá zátce na řetězu, která se obvykle používá v koupelích. Tato zátka je aminokyselinová (polypeptidová) smyčka se zesílením na konci ve formě tří aminokyselin, která uzavírá vnitřní ústí kanálu ze strany cytoplazmy. Proto napěťově závislé IO pro sodík, které zajišťují vývoj akčního potenciálu a pohyb nervového vzruchu, dokážou ionty sodíku vpustit do buňky jen na několik milisekund a pak jsou automaticky uzavřeny svými molekulárními zátkami, navzdory tomu, že depolarizace, která je otevírá, nadále funguje. Dalším mechanismem inaktivace CI může být modifikace intracelulárního ústí kanálu dalšími podjednotkami.
Blokování je schopnost IR při působení blokujících látek opravit jeden ze svých stavů a nereagovat na běžné kontrolní akce. V tomto stavu kanál jednoduše přestane reagovat na řídicí akce. Blokování je způsobeno blokujícími látkami, které mohou být nazývány antagonisty, blokátory nebo lytiky. Antagonisté jsou látky, které brání aktivačnímu působení jiných látek na IC. Takové látky jsou schopny se dobře vázat na místo IR receptoru, ale nejsou schopny změnit stav kanálu a způsobit jeho odpověď. Ukazuje se blokáda receptoru a spolu s ním blokáda IR. Je třeba mít na paměti, že antagonisté nemusí nutně způsobit úplnou blokádu receptoru a jeho IR, mohou působit slaběji a kanál pouze inhibují (utlačují), ale ne úplně jej zastaví.Agonisté-antagonisté jsou látky, které mají slabý stimulační účinek na receptor, ale zároveň blokuje působení přirozených endogenních kontrolních látek. Blokátory jsou látky, které brání fungování iontového kanálu, například interakci mediátoru s jeho molekulárním receptorem, a proto narušují řízení kanálu a blokují jej. Například působení acetylcholinu je blokováno anticholinergiky; norepinefrin s adrenalinem - blokátory; histamin - blokátory histaminu atd. Mnoho blokátorů se používá k terapeutickým účelům jako léky. Lytika jsou stejné blokátory, termín je starší a používá se jako synonymum pro blokátor: anticholinergikum, adrenolytikum atd.
Plasticita je schopnost IC měnit své vlastnosti, své charakteristiky. Nejběžnějším mechanismem, který zajišťuje plasticitu, je fosforylace aminokyselin kanálových proteinů z vnitřní strany membrány proteinkinázovými enzymy. Zbytky fosforu z ATP nebo GTP jsou připojeny ke kanálovým proteinům - a kanál mění své vlastnosti. Například je fixován v trvale zavřeném stavu, nebo naopak v otevřeném stavu.
12. Iontové kanály…
Iontový kanál se skládá z několika podjednotek, jejich počet v jednom iontovém kanálu se pohybuje od 3 do 12 podjednotek. Svou organizací mohou být podjednotky obsažené v kanálu homologní (stejného typu), řada kanálů je tvořena podjednotkami různých typů.
Každá z podjednotek se skládá z několika (tří nebo více) transmembránových segmentů (nepolární části stočené do α-helixů), z extra- a intracelulárních smyček a koncových úseků domén (reprezentovaných polárními oblastmi molekul, které tvoří doménu a vyčnívají za bilipidovou vrstvou membrány).
Každý z transmembránových segmentů, extra- a intracelulárních smyček a koncových úseků domén plní svou vlastní funkci.
Transmembránový segment 2, organizovaný ve formě a-šroubovice, tedy určuje selektivitu kanálu.
Koncové oblasti domény fungují jako senzory pro extra- a intracelulární ligandy a jeden z transmembránových segmentů hraje roli senzoru závislého na napětí.
Třetí transmembránové segmenty v podjednotce jsou zodpovědné za provoz systému portálových kanálů atd.
Iontové kanály fungují mechanismem usnadněné difúze. Když jsou kanály aktivovány, pohyb iontů podél nich sleduje koncentrační gradient. Rychlost pohybu membránou je 10 iontů za sekundu.
Specifičnost iontových kanálů.
Většina z nich je selektivní, tzn. kanály, které umožňují průchod pouze jednomu typu iontů (sodíkové kanály, draslíkové kanály, vápníkové kanály, aniontové kanály).
kanálová selektivita.
Selektivita kanálu je určena přítomností selektivního filtru.
Jeho roli hraje počáteční úsek kanálu, který má určitý náboj, konfiguraci a velikost (průměr), což umožňuje průchod pouze určitého typu iontů do kanálu.
Některé z iontových kanálů jsou neselektivní, jako jsou „únikové“ kanály. Jedná se o membránové kanály, kterými v klidu, podél koncentračního gradientu, ionty K + opouštějí buňku, těmito kanály se však do buňky v klidu podél koncentračního gradientu dostává také malé množství iontů Na +.
Snímač iontového kanálu.
Snímač iontového kanálu je citlivá část kanálu, která vnímá signály, jejichž povaha může být různá.
Na tomto základě existují:
napěťově řízené iontové kanály;
receptorem řízené iontové kanály;
ligandem řízené (ligand-dependentní);
mechanicky ovládané (mechanicky závislé).
Kanály, které mají senzor, se nazývají řízené. Některé kanály nemají senzor. Takové kanály se nazývají nespravované.
Systém brány iontového kanálu.
Kanál má bránu, která je v klidu uzavřena a otevře se, když je přiveden signál. V některých kanálech se rozlišují dva typy hradel: aktivace (m-gates) a inaktivace (h-gates).
Existují tři stavy iontových kanálů:
klidový stav, kdy je brána zavřená a kanál je pro ionty nepřístupný;
stav aktivace, kdy je systém brány otevřený a ionty se pohybují membránou podél kanálu;
stav inaktivace, kdy je kanál uzavřen a nereaguje na podněty.
Rychlost vedení (vodivost).
Existují rychlé a pomalé kanály. Únikové kanály jsou pomalé, sodíkové kanály v neuronech rychlé.
V membráně každé buňky je velký soubor různých (z hlediska rychlosti) iontových kanálů, jejichž aktivace určuje funkční stav buněk.
napěťově řízené kanály.
Potenciálně řízený kanál se skládá z:
selektivní filtr;
aktivační a deaktivační brány;
čidlo napětí.
póry naplněné vodou;
Průměr kanálu je mnohem větší než průměr iontů, v zóně selektivního filtru se zužuje na atomární rozměry, což zajišťuje, že tato část kanálu plní funkci selektivního filtru.
K otevírání a zavírání hradlového mechanismu dochází, když se změní membránový potenciál a brána se otevírá při jedné hodnotě membránového potenciálu a zavírá při jiné úrovni membránového potenciálu.
Předpokládá se, že změna elektrického pole membrány je vnímána speciální částí stěny kanálu, která se nazývá snímač napětí.
Změna jeho stavu v důsledku změny úrovně membránového potenciálu způsobí konformaci proteinových molekul, které tvoří kanál, a v důsledku toho vede k otevření nebo uzavření brány iontového kanálu.
Kanály (sodík, vápník, draslík) mají čtyři homologní domény - podjednotky (I, II, III, IV). Doména (například sodíkové kanály) se skládá ze šesti transmembránových segmentů organizovaných ve formě a-helixů, z nichž každý hraje svou vlastní roli.
Transmembránový segment 5 tedy hraje roli póru, transmembránový segment 4 je senzor, který reaguje na změny membránového potenciálu, a další transmembránové segmenty jsou zodpovědné za aktivaci a inaktivaci systému portálových kanálů. Doposud nebyla studována role jednotlivých transmembránových segmentů a podjednotek.
Sodíkové kanály (vnitřní průměr 0,55 nm) jsou přítomny v buňkách excitabilních tkání. Hustota na 1 µm 2 v různých tkáních není stejná.
Takže v nemyelinizovaných nervových vláknech je to 50-200 kanálů a v myelinizovaných nervových vláknech (Ranvier intercepts) - 13 000 na 1 mikron 2 plochy membrány. V klidu jsou zavřené. Membránový potenciál je 70-80 mV.
Vystavení stimulu mění membránový potenciál a aktivuje napěťově řízený sodíkový kanál.
Je aktivován, když se membránový potenciál posune z hladiny klidového potenciálu ke kritické úrovni depolarizace.
Silný sodíkový proud zajišťuje posun membránového potenciálu na kritickou úroveň depolarizace (CDL).
Změna membránového potenciálu až -50-40 mV, tzn. na úroveň kritické úrovně depolarizace, způsobí otevření dalších napěťově závislých Na+ kanálů, kterými je veden příchozí sodíkový proud, který tvoří "vrchol" akčního potenciálu.
Sodné ionty se pohybují do buňky podél koncentračního gradientu a chemického gradientu kanálem a tvoří tzv. příchozí sodíkový proud, což vede k dalšímu rychlému rozvoji depolarizačního procesu.
Membránový potenciál mění znaménko na opačné +10-20 mV. Pozitivní membránový potenciál způsobuje uzavření sodíkových kanálů a jejich inaktivaci.
Potenciálně závislé Na+ kanály hrají vedoucí roli při tvorbě akčního potenciálu, tzn. proces excitace v buňce.
Ionty vápníku brání otevření napěťově řízených sodíkových kanálů změnou parametrů odezvy.
NA + -kanály
Draslíkové kanály (vnitřní průměr 0,30 nm) jsou přítomny v cytoplazmatických membránách, bylo nalezeno značné množství kanálků pro „únik“ draslíku z buňky.
V klidu jsou otevřené. Přes ně v klidu draslík „uniká“ z buňky podél koncentračního gradientu a elektrochemického gradientu.
Tento proces se označuje jako odcházející draslíkový proud, který vede k vytvoření klidového membránového potenciálu (-70-80 mV). Tyto draslíkové kanály lze pouze podmíněně klasifikovat jako závislé na napětí.
Když se membránový potenciál během depolarizace změní, draslíkový proud je inaktivován.
Během repolarizace se přes napěťově závislé kanály tvoří příchozí K + proud, který se nazývá K + proud zpožděného usměrnění.
Jiný typ napěťově řízených K + -kanálů. Podél nich v podprahové oblasti membránového potenciálu vzniká rychlý vnější proud draslíku (pozitivní stopový potenciál). K inaktivaci kanálu dochází v důsledku hyperpolarizace stopy.
Jiný typ napěťově řízených draslíkových kanálů se aktivuje až po předběžné hyperpolarizaci, tvoří rychlý přechodný draslíkový proud, který se rychle inaktivuje.
Ionty vápníku usnadňují otevírání napěťově řízených draslíkových kanálů změnou parametrů odezvy.
so + -kanály.
Potenciálně řízené kanály významně přispívají jak k regulaci vstupu vápníku do cytoplazmy, tak k elektrogenezi.
Proteiny, které tvoří vápníkové kanály, se skládají z pěti podjednotek (al, a2, b, g, d).
Hlavní podjednotka al tvoří samotný kanál a obsahuje vazebná místa pro různé modulátory vápníkového kanálu.
V nervových buňkách savců (označených A, B, C, D a E) bylo nalezeno několik strukturně odlišných al-podjednotek vápníkového kanálu.
Funkčně se různé typy kalciových kanálů od sebe liší aktivací, kinetikou, jednokanálovou vodivostí a farmakologií.
V buňkách bylo popsáno až šest typů napěťově řízených vápníkových kanálů (T-, L-, N-, P-, Q-, R- kanály).
Aktivita napěťově řízených kanálů plazmatické membrány je regulována různými intracelulárními druhými posly a membránově vázanými G-proteiny.
Kalciové napěťově řízené kanály se nacházejí ve velkém množství v cytoplazmatických membránách neuronů, myocytech hladkých, příčně pruhovaných a srdečních svalů a v membránách endoplazmatického retikula.
Ca2+-kanály SPR jsou oligomerní proteiny vložené do membrány SPR.
so 2+ - ovládal Sa 2+ - SPR kanály.
Tyto vápníkové kanály byly nejprve izolovány z kosterních a srdečních svalů.
Ukázalo se, že Ca 2+ -kanály SPR v těchto svalových tkáních mají molekulární rozdíly a jsou kódovány různými geny.
Ca 2+ -kanály SPR v srdečních svalech jsou přímo propojeny s vysokoprahovými Ca 2+ -kanály plazmatické membrány (L-typ) prostřednictvím proteinů vázajícího vápník a tvoří tak funkčně aktivní strukturu - "triádu".
V kosterních svalech depolarizace plazmalemy přímo aktivuje uvolňování Ca 2+ z endoplazmatického retikula v důsledku skutečnosti, že Ca 2+ kanály plazmatické membrány slouží jako napěťově citlivé přenašeče aktivačního signálu přímo do Ca 2+ kanálů SPR prostřednictvím vazebných proteinů.
Depoty Ca2+ kosterních svalů tedy mají mechanismus uvolňování Ca2+ indukovaný depolarizací (typ RyRl).
Na rozdíl od kosterních svalů nejsou endoplazmatické Ca 2+ kanály kardiomyocytů spojeny s plazmatickou membránou a stimulace uvolňování Ca 2+ z depa vyžaduje zvýšení koncentrace cytosolického vápníku (typ RyR2).
Kromě těchto dvou typů Ca 2+-aktivovaných Ca 2h kanálů byl nedávno identifikován třetí typ Ca 2+ SPR kanálů (typ RyR3), který dosud nebyl dostatečně prozkoumán.
Všechny vápníkové kanály se vyznačují pomalou aktivací a pomalou inaktivací ve srovnání se sodíkovými kanály.
Při depolarizaci svalové buňky (výběžky cytoplazmatických membrán - T-tubuly se přibližují k membránám endoplazmatického retikula) dochází k napěťově závislému otevírání vápníkových kanálků membrán sarkoplazmatického retikula.
Protože na jedné straně je koncentrace vápníku v SPR vysoká (zásobník vápníku) a koncentrace vápníku v cytoplazmě je nízká a na druhé straně plocha membrány SPR a hustota vápníku kanály v něm jsou velké, hladina vápníku v cytoplazmě se zvyšuje 100krát.
Toto zvýšení koncentrace vápníku iniciuje proces kontrakce myofibril.
Kalciové kanály v kardiomyocytech jsou umístěny v cytoplazmatické membráně a jsou to vápníkové kanály typu L.
Jsou aktivovány při membránovém potenciálu +20-40 mV, tvoří příchozí vápníkový proud. Jsou dlouhodobě v aktivovaném stavu, tvoří „plató“ akčního potenciálu kardiomyocytů.
aniontové kanály.
Největší počet kanálů pro chlór v buněčné membráně. Ve srovnání s mezibuněčným prostředím je v buňce méně chloridových iontů. Proto, když se kanály otevřou, chlor vstupuje do článku podél koncentračního gradientu a elektrochemického gradientu.
Počet kanálů pro HCO 3 není tak velký, objem transportu tohoto aniontu kanály je mnohem menší.
iontoměničů.
Membrána obsahuje iontoměniče (nosné proteiny), které provádějí usnadněnou difúzi iontů, tzn. zrychlený spojený pohyb iontů přes biomembránu podél koncentračního gradientu, takové procesy jsou nezávislé na ATP.
Nejznámější jsou výměníky Na + -H +, K + -H +, Ca 2+ -H +, dále výměníky zajišťující výměnu kationtů za aniontyNa + -HCO- 3, 2CI-Ca 2+ a výměníky, které zajišťují výměnu kationtu za kation (Na + -Ca 2+) nebo aniont za anion (Cl- HCO3).
Iontové kanály řízené receptorem.
Ligand-gated (ligand-gated) iontové kanály.
Ligandem řízené iontové kanály jsou poddruhem receptorově řízených kanálů a jsou vždy kombinovány s receptorem pro biologicky aktivní látku (BAS).
Receptory uvažovaných kanálů patří k ionotropnímu typu membránových receptorů, při interakci s biologicky aktivními látkami (ligandy) dochází k rychlým reakcím.
Iontový kanál s ligandem se skládá z:
póry naplněné vodou;
selektivní filtr;
aktivační brána;
vazebné místo pro ligand (receptor). Vysokoenergetický aktivní BAS má vysokou
afinita (afinita) k určitému typu receptoru. Když jsou aktivovány iontové kanály, určité ionty se pohybují podél koncentračního gradientu a elektrochemického gradientu.
V membránovém receptoru může být vazebné místo pro ligand přístupné pro ligand z vnějšího povrchu membrány.
V tomto případě hormony a parahormony, ionty působí jako ligand.
Takže když jsou aktivovány N-cholinergní receptory, aktivují se sodíkové kanály.
Propustnost vápníku je iniciována neuronálními acetylcholinovými, glutamátovými (NMDA a AMPA/kainattypy) receptory a purinovými receptory.
Receptory GABAA jsou spojeny s iontovými chloridovými kanály a glycinové receptory jsou také spojeny s chloridovými kanály.
V membránovém receptoru může být vazebné místo ligandu přístupné pro ligandy z vnitřního povrchu membrány.
V tomto případě proteinkinázy aktivované druhými posly nebo druhými posly samotnými působí jako ligandy.
Takže proteinkinázy A, C, G fosforylací proteinů kationtových kanálů mění svou permeabilitu.
Mechanicky ovládané iontové kanály.
Mechanicky řízené iontové kanály mění svou vodivost pro ionty buď změnou napětí bilipidové vrstvy nebo prostřednictvím buněčného cytoskeletu. Mnoho mechanicky řízených kanálů je spojeno s mechanoreceptory; existují ve sluchových buňkách, svalových vřeténech a vaskulárním endotelu.
Všechny mechanicky ovládané kanály jsou rozděleny do dvou skupin:
natažením aktivované buňky (SAC);
natažením inaktivované buňky (SIC).
Mechanicky ovládané kanály mají všechny hlavní vlastnosti kanálu:
póry naplněné vodou;
mechanismus brány;
senzor natažení.
Když je kanál aktivován, ionty se pohybují podél koncentračního gradientu podél něj.
ATPáza sodíku, draslíku.
Sodná, draselná ATPáza (sodno-draslíková pumpa, sodno-draselná pumpa).
Skládá se ze čtyř transmembránových domén: dvou α-podjednotek a dvou β-podjednotek. α-podjednotka je velká doména a β-podjednotka je malá. Během transportu iontů jsou velké podjednotky fosforylovány a ionty se jimi pohybují.
ATPáza sodíku a draslíku hraje klíčovou roli při udržování homeostázy sodíku a draslíku v intra- a extracelulárním prostředí:
podporuje vysoká úroveň K + a nízké hladiny Na + v buňce;
podílí se na tvorbě klidového membránového potenciálu, na tvorbě akčního potenciálu;
zajišťuje Na + konjugovaný transport většiny organických látek přes membránu (sekundární aktivní transport);
významně ovlivňuje homeostázu H2O.
Sodík, draselná ATPáza, má nejdůležitější podíl na tvorbě iontové asymetrie v extra- a intracelulárních prostorech.
Fázovaná práce sodíkové a draslíkové pumpy zajišťuje neekvivalentní výměnu draslíku a sodíku přes membránu.
so + -ATPase (čerpadlo).
Existují dvě rodiny Ca 2+ pump odpovědných za eliminaci Ca 2+ iontů z cytoplazmy: Ca 2+ pumpy plazmatické membrány a Ca 2+ pumpy endoplazmatického retikula.
Přestože patří do stejné rodiny proteinů (tzv. P-třída ATPáz), tyto pumpy vykazují určité rozdíly ve struktuře, funkční aktivitě a farmakologii.
Nachází se ve velkém množství v cytoplazmatické membráně. V cytoplazmě buňky v klidu je koncentrace vápníku 10-7 mol/l a mimo buňku je to mnohem více -10-3 mol/l.
Takový významný rozdíl v koncentracích je udržován díky práci cytoplazmatické Ca++-ATPázy.
Činnost Ca 2+ -pumpy plazmatické membrány je přímo řízena Ca 2+ : zvýšení koncentrace volného vápníku v cytosolu aktivuje Ca 2+ -pumpu.
V klidu nedochází téměř k žádné difúzi přes vápníkové iontové kanály.
Ca-ATPáza transportuje Ca z buňky do extracelulárního prostředí proti jeho koncentračnímu gradientu. Podél gradientu vstupuje Ca + do buňky v důsledku difúze iontovými kanály.
Membrána endoplazmatického retikula obsahuje také velké množství Ca++-ATPázy.
Kalciová pumpa endoplazmatického retikula (SERCA) zajišťuje odvod vápníku z cytosolu do endoplazmatického retikula – „depot“ vápníku díky primárnímu aktivnímu transportu.
V depu se vápník váže na proteiny vázající vápník (calsekvestrin, calreticulin atd.).
Dosud byly popsány alespoň tři různé izoformy čerpadel SERCA.
Podtyp SERCA1 se koncentruje výhradně v rychlých kosterních svalech, zatímco pumpy SERCA2 jsou rozšířeny v jiných tkáních. Význam čerpadel SERCA3 je méně jasný.
Proteiny SERCA2-nacos se dělí na dvě různé izoformy: SERCA2a, charakteristické pro kardiomyocyty a hladké svaly, a SERCA2b, charakteristické pro mozkové tkáně.
Zvýšení Ca 2+ v cytosolu aktivuje vychytávání vápenatých iontů do endoplazmatického retikula, zatímco zvýšení volného vápníku v endoplazmatickém retikulu inhibuje SERCA pumpy.
H + K + -ATPáza (pumpa).
Pomocí této pumpy (v důsledku hydrolýzy jedné molekuly ATP) ve výstelkových (parietálních) buňkách žaludeční sliznice jsou transportovány dva draselné ionty z extracelulárního prostoru do buňky a dva H + ionty z cytosolu. do extracelulárního prostoru při hydrolýze jedné molekuly. Tento mechanismus je základem tvorby kyseliny chlorovodíkové v žaludku.
Stupeň iontové pumpyF.
Mitochondriální ATPáza. Katalyzuje poslední krok syntézy ATP. Mitochondriální krypty obsahují ATP syntázu, která spojuje oxidaci v Krebsově cyklu a fosforylaci ADP na ATP.
Stupeň iontové pumpyPROTI.
Lysozomální H + -ATPáza (lysozomální protonové pumpy) - protonové pumpy, které zajišťují transport H + z cytosolu do řady lysozomálních organel, Golgiho aparát, sekreční váčky. V důsledku toho klesá hodnota pH např. u lysozomů na 5,0, což optimalizuje aktivitu těchto struktur.
Vlastnosti iontového transportu
1. Významná a asymetrická transmembrána! gradient pro Na+ a K+ v klidu.
Sodíku mimo buňku (145 mmol/l) je 10x více než v buňce (14 mmol/l).
V buňce je asi 30x více draslíku (140 mmol/l) než mimo buňku (4 mmol/l).
Tato vlastnost distribuce iontů sodíku a draslíku:
homeostatizováno prací Na + /K + -nacoca;
tvoří v klidu odcházející draslíkový proud (únikový kanál);
vytváří klidový potenciál;
práce jakýchkoli draslíkových kanálů (závislých na napětí, na vápníku, na ligandu) je zaměřena na tvorbu odcházejícího draslíkového proudu.
To buď vrátí stav membrány na původní úroveň (aktivace napěťově závislých kanálů ve fázi repolarizace), nebo membránu hyperpolarizuje (kanály závislé na vápníku, ligandy, včetně těch aktivovaných systémy druhých mediátorů).
Je třeba mít na paměti, že:
pohyb draslíku přes membránu se provádí pasivním transportem;
tvorba excitace (akčního potenciálu) je vždy způsobena příchozím sodíkovým proudem;
aktivace jakýchkoli sodíkových kanálů vždy způsobí vnitřní sodíkový proud;
pohyb sodíku přes membránu se téměř vždy uskutečňuje pasivním transportem;
v epiteliálních buňkách, které tvoří stěnu různých trubic a dutin v tkáních (tenké střevo, nefronové tubuly atd.), ve vnější membráně je vždy velké množství sodíkových kanálů, které při aktivaci zajišťují příchozí sodíkový proud, a ve vnější membráně bazální membrána – velké množství sodíkových, draselných pump, které odčerpávají sodík z buňky. Taková asymetrická distribuce těchto transportních systémů pro sodík zajišťuje jeho transcelulární transport, tzn. ze střevního lumen, renálních tubulů do vnitřního prostředí těla;
pasivní transport sodíku do buňky po elektrochemickém gradientu vede k akumulaci energie, která se využívá pro sekundární aktivní transport mnoha látek.
2. Nízká hladina vápníku v cytosolu buňky.
V buňce v klidu je obsah vápníku (50 nmol/l) 5000krát nižší než mimo buňku (2,5 mmol/l).
Takto nízká hladina vápníku v cytosolu není náhodná, protože vápník v koncentracích 10–100krát vyšších, než je výchozí, působí jako druhý intracelulární mediátor při realizaci signálu.
Za takových podmínek je možný rychlý nárůst vápníku v cytosolu v důsledku aktivace vápníkových kanálů (usnadněná difúze), které jsou ve velkém množství přítomny v cytoplazmatické membráně a v membráně endoplazmatického retikula (endoplazmatické retikulum – „depot vápníku v buňce).
Tvorba toků vápníku, ke kterému dochází v důsledku otevření kanálů, poskytuje fyziologicky významné zvýšení koncentrace vápníku v cytosolu.
Nízkou hladinu vápníku v cytosolu buňky udržují Ca 2+ -ATPáza, Na + /Ca 2+ -výměníky, vápník vázající proteiny cytosolu.
Kromě rychlé vazby cytosolického Ca 2+ intracelulárními proteiny vázajícími Ca 2+ mohou být ionty vápníku vstupující do cytosolu akumulovány Golgiho aparátem nebo buněčným jádrem a zachyceny mitochondriálními depoty Ca 2+.
3. Nízká hladina chlóru v článku.
V článku v klidu je obsah chloru (8 mmol/l) více než 10x nižší než mimo článek (110 mmol/l).
Tento stav je udržován provozem transportéru K + /Cl-.
Změna funkčního stavu článku je spojena (nebo způsobena) se změnou propustnosti membrány pro chlór. Po aktivaci chloridových kanálů řízených napětím a ligandem vstupuje ion do cytosolu kanálem pasivním transportem.
Vstup chloru do cytosolu je navíc tvořen kotransportérem Na+/K+/2CH a výměníkem CG-HCO3.
Vstup chlóru do článku zvyšuje polaritu membrány až k hyperpolarizaci.
Vlastnosti iontového transportu hrají zásadní roli při vzniku bioelektrických jevů v orgánech a tkáních, které kódují informace, určují funkční stav těchto struktur, jejich přechod z jednoho funkčního stavu do druhého.
12. Iontové kanály…
Iontový kanál se skládá z několika podjednotek, jejich počet v jednom iontovém kanálu se pohybuje od 3 do 12 podjednotek. Svou organizací mohou být podjednotky obsažené v kanálu homologní (stejného typu), řada kanálů je tvořena podjednotkami různých typů.
Každá z podjednotek se skládá z několika (tří nebo více) transmembránových segmentů (nepolární části stočené do α-helixů), z extra- a intracelulárních smyček a koncových úseků domén (reprezentovaných polárními oblastmi molekul, které tvoří doménu a vyčnívají za bilipidovou vrstvou membrány).
Každý z transmembránových segmentů, extra- a intracelulárních smyček a koncových úseků domén plní svou vlastní funkci.
Transmembránový segment 2, organizovaný ve formě a-šroubovice, tedy určuje selektivitu kanálu.
Koncové oblasti domény fungují jako senzory pro extra- a intracelulární ligandy a jeden z transmembránových segmentů hraje roli senzoru závislého na napětí.
Třetí transmembránové segmenty v podjednotce jsou zodpovědné za provoz systému portálových kanálů atd.
Iontové kanály fungují mechanismem usnadněné difúze. Když jsou kanály aktivovány, pohyb iontů podél nich sleduje koncentrační gradient. Rychlost pohybu membránou je 10 iontů za sekundu.
Specifičnost iontových kanálů.
Většina z nich je selektivní, tzn. kanály, které umožňují průchod pouze jednomu typu iontů (sodíkové kanály, draslíkové kanály, vápníkové kanály, aniontové kanály).
kanálová selektivita.
Selektivita kanálu je určena přítomností selektivního filtru.
Jeho roli hraje počáteční úsek kanálu, který má určitý náboj, konfiguraci a velikost (průměr), což umožňuje průchod pouze určitého typu iontů do kanálu.
Některé z iontových kanálů jsou neselektivní, jako jsou „únikové“ kanály. Jedná se o membránové kanály, kterými v klidu, podél koncentračního gradientu, ionty K + opouštějí buňku, těmito kanály se však do buňky v klidu podél koncentračního gradientu dostává také malé množství iontů Na +.
Snímač iontového kanálu.
Snímač iontového kanálu je citlivá část kanálu, která vnímá signály, jejichž povaha může být různá.
Na tomto základě existují:
napěťově řízené iontové kanály;
receptorem řízené iontové kanály;
ligandem řízené (ligand-dependentní);
mechanicky ovládané (mechanicky závislé).
Kanály, které mají senzor, se nazývají řízené. Některé kanály nemají senzor. Takové kanály se nazývají nespravované.
Systém brány iontového kanálu.
Kanál má bránu, která je v klidu uzavřena a otevře se, když je přiveden signál. V některých kanálech se rozlišují dva typy hradel: aktivace (m-gates) a inaktivace (h-gates).
Existují tři stavy iontových kanálů:
klidový stav, kdy je brána zavřená a kanál je pro ionty nepřístupný;
stav aktivace, kdy je systém brány otevřený a ionty se pohybují membránou podél kanálu;
stav inaktivace, kdy je kanál uzavřen a nereaguje na podněty.
Rychlost vedení (vodivost).
Existují rychlé a pomalé kanály. Únikové kanály jsou pomalé, sodíkové kanály v neuronech rychlé.
V membráně každé buňky je velký soubor různých (z hlediska rychlosti) iontových kanálů, jejichž aktivace určuje funkční stav buněk.
napěťově řízené kanály.
Potenciálně řízený kanál se skládá z:
selektivní filtr;
aktivační a deaktivační brány;
čidlo napětí.
póry naplněné vodou;
Průměr kanálu je mnohem větší než průměr iontů, v zóně selektivního filtru se zužuje na atomární rozměry, což zajišťuje, že tato část kanálu plní funkci selektivního filtru.
K otevírání a zavírání hradlového mechanismu dochází, když se změní membránový potenciál a brána se otevírá při jedné hodnotě membránového potenciálu a zavírá při jiné úrovni membránového potenciálu.
Předpokládá se, že změna elektrického pole membrány je vnímána speciální částí stěny kanálu, která se nazývá snímač napětí.
Změna jeho stavu v důsledku změny úrovně membránového potenciálu způsobí konformaci proteinových molekul, které tvoří kanál, a v důsledku toho vede k otevření nebo uzavření brány iontového kanálu.
Kanály (sodík, vápník, draslík) mají čtyři homologní domény - podjednotky (I, II, III, IV). Doména (například sodíkové kanály) se skládá ze šesti transmembránových segmentů organizovaných ve formě a-helixů, z nichž každý hraje svou vlastní roli.
Transmembránový segment 5 tedy hraje roli póru, transmembránový segment 4 je senzor, který reaguje na změny membránového potenciálu, a další transmembránové segmenty jsou zodpovědné za aktivaci a inaktivaci systému portálových kanálů. Doposud nebyla studována role jednotlivých transmembránových segmentů a podjednotek.
Sodíkové kanály (vnitřní průměr 0,55 nm) jsou přítomny v buňkách excitabilních tkání. Hustota na 1 µm 2 v různých tkáních není stejná.
Takže v nemyelinizovaných nervových vláknech je to 50-200 kanálů a v myelinizovaných nervových vláknech (Ranvier intercepts) - 13 000 na 1 mikron 2 plochy membrány. V klidu jsou zavřené. Membránový potenciál je 70-80 mV.
Vystavení stimulu mění membránový potenciál a aktivuje napěťově řízený sodíkový kanál.
Je aktivován, když se membránový potenciál posune z hladiny klidového potenciálu ke kritické úrovni depolarizace.
Silný sodíkový proud zajišťuje posun membránového potenciálu na kritickou úroveň depolarizace (CDL).
Změna membránového potenciálu až -50-40 mV, tzn. na úroveň kritické úrovně depolarizace, způsobí otevření dalších napěťově závislých Na+ kanálů, kterými je veden příchozí sodíkový proud, který tvoří "vrchol" akčního potenciálu.
Sodné ionty se pohybují do buňky podél koncentračního gradientu a chemického gradientu kanálem a tvoří tzv. příchozí sodíkový proud, což vede k dalšímu rychlému rozvoji depolarizačního procesu.
Membránový potenciál mění znaménko na opačné +10-20 mV. Pozitivní membránový potenciál způsobuje uzavření sodíkových kanálů a jejich inaktivaci.
Potenciálně závislé Na+ kanály hrají vedoucí roli při tvorbě akčního potenciálu, tzn. proces excitace v buňce.
Ionty vápníku brání otevření napěťově řízených sodíkových kanálů změnou parametrů odezvy.
NA + -kanály
Draslíkové kanály (vnitřní průměr 0,30 nm) jsou přítomny v cytoplazmatických membránách, bylo nalezeno značné množství kanálků pro „únik“ draslíku z buňky.
V klidu jsou otevřené. Přes ně v klidu draslík „uniká“ z buňky podél koncentračního gradientu a elektrochemického gradientu.
Tento proces se označuje jako odcházející draslíkový proud, který vede k vytvoření klidového membránového potenciálu (-70-80 mV). Tyto draslíkové kanály lze pouze podmíněně klasifikovat jako závislé na napětí.
Když se membránový potenciál během depolarizace změní, draslíkový proud je inaktivován.
Během repolarizace se přes napěťově závislé kanály tvoří příchozí K + proud, který se nazývá K + proud zpožděného usměrnění.
Jiný typ napěťově řízených K + -kanálů. Podél nich v podprahové oblasti membránového potenciálu vzniká rychlý vnější proud draslíku (pozitivní stopový potenciál). K inaktivaci kanálu dochází v důsledku hyperpolarizace stopy.
Jiný typ napěťově řízených draslíkových kanálů se aktivuje až po předběžné hyperpolarizaci, tvoří rychlý přechodný draslíkový proud, který se rychle inaktivuje.
Ionty vápníku usnadňují otevírání napěťově řízených draslíkových kanálů změnou parametrů odezvy.
so + -kanály.
Potenciálně řízené kanály významně přispívají jak k regulaci vstupu vápníku do cytoplazmy, tak k elektrogenezi.
Proteiny, které tvoří vápníkové kanály, se skládají z pěti podjednotek (al, a2, b, g, d).
Hlavní podjednotka al tvoří samotný kanál a obsahuje vazebná místa pro různé modulátory vápníkového kanálu.
V nervových buňkách savců (označených A, B, C, D a E) bylo nalezeno několik strukturně odlišných al-podjednotek vápníkového kanálu.
Funkčně se různé typy kalciových kanálů od sebe liší aktivací, kinetikou, jednokanálovou vodivostí a farmakologií.
V buňkách bylo popsáno až šest typů napěťově řízených vápníkových kanálů (T-, L-, N-, P-, Q-, R- kanály).
Aktivita napěťově řízených kanálů plazmatické membrány je regulována různými intracelulárními druhými posly a membránově vázanými G-proteiny.
Kalciové napěťově řízené kanály se nacházejí ve velkém množství v cytoplazmatických membránách neuronů, myocytech hladkých, příčně pruhovaných a srdečních svalů a v membránách endoplazmatického retikula.
Ca2+-kanály SPR jsou oligomerní proteiny vložené do membrány SPR.
so 2+ - ovládal Sa 2+ - SPR kanály.
Tyto vápníkové kanály byly nejprve izolovány z kosterních a srdečních svalů.
Ukázalo se, že Ca 2+ -kanály SPR v těchto svalových tkáních mají molekulární rozdíly a jsou kódovány různými geny.
Ca 2+ -kanály SPR v srdečních svalech jsou přímo propojeny s vysokoprahovými Ca 2+ -kanály plazmatické membrány (L-typ) prostřednictvím proteinů vázajícího vápník a tvoří tak funkčně aktivní strukturu - "triádu".
V kosterních svalech depolarizace plazmalemy přímo aktivuje uvolňování Ca 2+ z endoplazmatického retikula v důsledku skutečnosti, že Ca 2+ kanály plazmatické membrány slouží jako napěťově citlivé přenašeče aktivačního signálu přímo do Ca 2+ kanálů SPR prostřednictvím vazebných proteinů.
Depoty Ca2+ kosterních svalů tedy mají mechanismus uvolňování Ca2+ indukovaný depolarizací (typ RyRl).
Na rozdíl od kosterních svalů nejsou endoplazmatické Ca 2+ kanály kardiomyocytů spojeny s plazmatickou membránou a stimulace uvolňování Ca 2+ z depa vyžaduje zvýšení koncentrace cytosolického vápníku (typ RyR2).
Kromě těchto dvou typů Ca 2+-aktivovaných Ca 2h kanálů byl nedávno identifikován třetí typ Ca 2+ SPR kanálů (typ RyR3), který dosud nebyl dostatečně prozkoumán.
Všechny vápníkové kanály se vyznačují pomalou aktivací a pomalou inaktivací ve srovnání se sodíkovými kanály.
Při depolarizaci svalové buňky (výběžky cytoplazmatických membrán - T-tubuly se přibližují k membránám endoplazmatického retikula) dochází k napěťově závislému otevírání vápníkových kanálků membrán sarkoplazmatického retikula.
Protože na jedné straně je koncentrace vápníku v SPR vysoká (zásobník vápníku) a koncentrace vápníku v cytoplazmě je nízká a na druhé straně plocha membrány SPR a hustota vápníku kanály v něm jsou velké, hladina vápníku v cytoplazmě se zvyšuje 100krát.
Toto zvýšení koncentrace vápníku iniciuje proces kontrakce myofibril.
Kalciové kanály v kardiomyocytech jsou umístěny v cytoplazmatické membráně a jsou to vápníkové kanály typu L.
Jsou aktivovány při membránovém potenciálu +20-40 mV, tvoří příchozí vápníkový proud. Jsou dlouhodobě v aktivovaném stavu, tvoří „plató“ akčního potenciálu kardiomyocytů.
aniontové kanály.
Největší počet kanálů pro chlór v buněčné membráně. Ve srovnání s mezibuněčným prostředím je v buňce méně chloridových iontů. Proto, když se kanály otevřou, chlor vstupuje do článku podél koncentračního gradientu a elektrochemického gradientu.
Počet kanálů pro HCO 3 není tak velký, objem transportu tohoto aniontu kanály je mnohem menší.
iontoměničů.
Membrána obsahuje iontoměniče (nosné proteiny), které provádějí usnadněnou difúzi iontů, tzn. zrychlený spojený pohyb iontů přes biomembránu podél koncentračního gradientu, takové procesy jsou nezávislé na ATP.
Nejznámější jsou výměníky Na + -H +, K + -H +, Ca 2+ -H +, dále výměníky zajišťující výměnu kationtů za aniontyNa + -HCO- 3, 2CI-Ca 2+ a výměníky, které zajišťují výměnu kationtu za kation (Na + -Ca 2+) nebo aniont za anion (Cl- HCO3).
Iontové kanály řízené receptorem.
Ligand-gated (ligand-gated) iontové kanály.
Ligandem řízené iontové kanály jsou poddruhem receptorově řízených kanálů a jsou vždy kombinovány s receptorem pro biologicky aktivní látku (BAS).
Receptory uvažovaných kanálů patří k ionotropnímu typu membránových receptorů, při interakci s biologicky aktivními látkami (ligandy) dochází k rychlým reakcím.
Iontový kanál s ligandem se skládá z:
póry naplněné vodou;
selektivní filtr;
aktivační brána;
vazebné místo pro ligand (receptor). Vysokoenergetický aktivní BAS má vysokou
afinita (afinita) k určitému typu receptoru. Když jsou aktivovány iontové kanály, určité ionty se pohybují podél koncentračního gradientu a elektrochemického gradientu.
V membránovém receptoru může být vazebné místo pro ligand přístupné pro ligand z vnějšího povrchu membrány.
V tomto případě hormony a parahormony, ionty působí jako ligand.
Takže když jsou aktivovány N-cholinergní receptory, aktivují se sodíkové kanály.
Propustnost vápníku je iniciována neuronálními acetylcholinovými, glutamátovými (NMDA a AMPA/kainattypy) receptory a purinovými receptory.
Receptory GABAA jsou spojeny s iontovými chloridovými kanály a glycinové receptory jsou také spojeny s chloridovými kanály.
V membránovém receptoru může být vazebné místo ligandu přístupné pro ligandy z vnitřního povrchu membrány.
V tomto případě proteinkinázy aktivované druhými posly nebo druhými posly samotnými působí jako ligandy.
Takže proteinkinázy A, C, G fosforylací proteinů kationtových kanálů mění svou permeabilitu.
Mechanicky ovládané iontové kanály.
Mechanicky řízené iontové kanály mění svou vodivost pro ionty buď změnou napětí bilipidové vrstvy nebo prostřednictvím buněčného cytoskeletu. Mnoho mechanicky řízených kanálů je spojeno s mechanoreceptory; existují ve sluchových buňkách, svalových vřeténech a vaskulárním endotelu.
Všechny mechanicky ovládané kanály jsou rozděleny do dvou skupin:
natažením aktivované buňky (SAC);
natažením inaktivované buňky (SIC).
Mechanicky ovládané kanály mají všechny hlavní vlastnosti kanálu:
póry naplněné vodou;
mechanismus brány;
senzor natažení.
Když je kanál aktivován, ionty se pohybují podél koncentračního gradientu podél něj.
ATPáza sodíku, draslíku.
Sodná, draselná ATPáza (sodno-draslíková pumpa, sodno-draselná pumpa).
Skládá se ze čtyř transmembránových domén: dvou α-podjednotek a dvou β-podjednotek. α-podjednotka je velká doména a β-podjednotka je malá. Během transportu iontů jsou velké podjednotky fosforylovány a ionty se jimi pohybují.
ATPáza sodíku a draslíku hraje klíčovou roli při udržování homeostázy sodíku a draslíku v intra- a extracelulárním prostředí:
udržuje vysokou hladinu K + a nízkou hladinu Na + v buňce;
podílí se na tvorbě klidového membránového potenciálu, na tvorbě akčního potenciálu;
zajišťuje Na + konjugovaný transport většiny organických látek přes membránu (sekundární aktivní transport);
významně ovlivňuje homeostázu H2O.
Sodík, draselná ATPáza, má nejdůležitější podíl na tvorbě iontové asymetrie v extra- a intracelulárních prostorech.
Fázovaná práce sodíkové a draslíkové pumpy zajišťuje neekvivalentní výměnu draslíku a sodíku přes membránu.
so + -ATPase (čerpadlo).
Existují dvě rodiny Ca 2+ pump odpovědných za eliminaci Ca 2+ iontů z cytoplazmy: Ca 2+ pumpy plazmatické membrány a Ca 2+ pumpy endoplazmatického retikula.
Přestože patří do stejné rodiny proteinů (tzv. P-třída ATPáz), tyto pumpy vykazují určité rozdíly ve struktuře, funkční aktivitě a farmakologii.
Nachází se ve velkém množství v cytoplazmatické membráně. V cytoplazmě buňky v klidu je koncentrace vápníku 10-7 mol/l a mimo buňku je to mnohem více -10-3 mol/l.
Takový významný rozdíl v koncentracích je udržován díky práci cytoplazmatické Ca++-ATPázy.
Činnost Ca 2+ -pumpy plazmatické membrány je přímo řízena Ca 2+ : zvýšení koncentrace volného vápníku v cytosolu aktivuje Ca 2+ -pumpu.
V klidu nedochází téměř k žádné difúzi přes vápníkové iontové kanály.
Ca-ATPáza transportuje Ca z buňky do extracelulárního prostředí proti jeho koncentračnímu gradientu. Podél gradientu vstupuje Ca + do buňky v důsledku difúze iontovými kanály.
Membrána endoplazmatického retikula obsahuje také velké množství Ca++-ATPázy.
Kalciová pumpa endoplazmatického retikula (SERCA) zajišťuje odvod vápníku z cytosolu do endoplazmatického retikula – „depot“ vápníku díky primárnímu aktivnímu transportu.
V depu se vápník váže na proteiny vázající vápník (calsekvestrin, calreticulin atd.).
Dosud byly popsány alespoň tři různé izoformy čerpadel SERCA.
Podtyp SERCA1 se koncentruje výhradně v rychlých kosterních svalech, zatímco pumpy SERCA2 jsou rozšířeny v jiných tkáních. Význam čerpadel SERCA3 je méně jasný.
Proteiny SERCA2-nacos se dělí na dvě různé izoformy: SERCA2a, charakteristické pro kardiomyocyty a hladké svaly, a SERCA2b, charakteristické pro mozkové tkáně.
Zvýšení Ca 2+ v cytosolu aktivuje vychytávání vápenatých iontů do endoplazmatického retikula, zatímco zvýšení volného vápníku v endoplazmatickém retikulu inhibuje SERCA pumpy.
H + K + -ATPáza (pumpa).
Pomocí této pumpy (v důsledku hydrolýzy jedné molekuly ATP) ve výstelkových (parietálních) buňkách žaludeční sliznice jsou transportovány dva draselné ionty z extracelulárního prostoru do buňky a dva H + ionty z cytosolu. do extracelulárního prostoru při hydrolýze jedné molekuly. Tento mechanismus je základem tvorby kyseliny chlorovodíkové v žaludku.
Stupeň iontové pumpyF.
Mitochondriální ATPáza. Katalyzuje poslední krok syntézy ATP. Mitochondriální krypty obsahují ATP syntázu, která spojuje oxidaci v Krebsově cyklu a fosforylaci ADP na ATP.
Stupeň iontové pumpyPROTI.
Lysozomální H + -ATPáza (lysozomální protonové pumpy) - protonové pumpy, které zajišťují transport H + z cytosolu do řady lysozomálních organel, Golgiho aparát, sekreční váčky. V důsledku toho klesá hodnota pH např. u lysozomů na 5,0, což optimalizuje aktivitu těchto struktur.
Vlastnosti iontového transportu
1. Významná a asymetrická transmembrána! gradient pro Na+ a K+ v klidu.
Sodíku mimo buňku (145 mmol/l) je 10x více než v buňce (14 mmol/l).
V buňce je asi 30x více draslíku (140 mmol/l) než mimo buňku (4 mmol/l).
Tato vlastnost distribuce iontů sodíku a draslíku:
homeostatizováno prací Na + /K + -nacoca;
tvoří v klidu odcházející draslíkový proud (únikový kanál);
vytváří klidový potenciál;
práce jakýchkoli draslíkových kanálů (závislých na napětí, na vápníku, na ligandu) je zaměřena na tvorbu odcházejícího draslíkového proudu.
To buď vrátí stav membrány na původní úroveň (aktivace napěťově závislých kanálů ve fázi repolarizace), nebo membránu hyperpolarizuje (kanály závislé na vápníku, ligandy, včetně těch aktivovaných systémy druhých mediátorů).
Je třeba mít na paměti, že:
pohyb draslíku přes membránu se provádí pasivním transportem;
tvorba excitace (akčního potenciálu) je vždy způsobena příchozím sodíkovým proudem;
aktivace jakýchkoli sodíkových kanálů vždy způsobí vnitřní sodíkový proud;
pohyb sodíku přes membránu se téměř vždy uskutečňuje pasivním transportem;
v epiteliálních buňkách, které tvoří stěnu různých trubic a dutin v tkáních (tenké střevo, nefronové tubuly atd.), ve vnější membráně je vždy velké množství sodíkových kanálů, které při aktivaci zajišťují příchozí sodíkový proud, a ve vnější membráně bazální membrána – velké množství sodíkových, draselných pump, které odčerpávají sodík z buňky. Taková asymetrická distribuce těchto transportních systémů pro sodík zajišťuje jeho transcelulární transport, tzn. ze střevního lumen, renálních tubulů do vnitřního prostředí těla;
pasivní transport sodíku do buňky po elektrochemickém gradientu vede k akumulaci energie, která se využívá pro sekundární aktivní transport mnoha látek.
2. Nízká hladina vápníku v cytosolu buňky.
V buňce v klidu je obsah vápníku (50 nmol/l) 5000krát nižší než mimo buňku (2,5 mmol/l).
Takto nízká hladina vápníku v cytosolu není náhodná, protože vápník v koncentracích 10–100krát vyšších, než je výchozí, působí jako druhý intracelulární mediátor při realizaci signálu.
Za takových podmínek je možný rychlý nárůst vápníku v cytosolu v důsledku aktivace vápníkových kanálů (usnadněná difúze), které jsou ve velkém množství přítomny v cytoplazmatické membráně a v membráně endoplazmatického retikula (endoplazmatické retikulum – „depot vápníku v buňce).
Tvorba toků vápníku, ke kterému dochází v důsledku otevření kanálů, poskytuje fyziologicky významné zvýšení koncentrace vápníku v cytosolu.
Nízkou hladinu vápníku v cytosolu buňky udržují Ca 2+ -ATPáza, Na + /Ca 2+ -výměníky, vápník vázající proteiny cytosolu.
Kromě rychlé vazby cytosolického Ca 2+ intracelulárními proteiny vázajícími Ca 2+ mohou být ionty vápníku vstupující do cytosolu akumulovány Golgiho aparátem nebo buněčným jádrem a zachyceny mitochondriálními depoty Ca 2+.
3. Nízká hladina chlóru v článku.
V článku v klidu je obsah chloru (8 mmol/l) více než 10x nižší než mimo článek (110 mmol/l).
Tento stav je udržován provozem transportéru K + /Cl-.
Změna funkčního stavu článku je spojena (nebo způsobena) se změnou propustnosti membrány pro chlór. Po aktivaci chloridových kanálů řízených napětím a ligandem vstupuje ion do cytosolu kanálem pasivním transportem.
Vstup chloru do cytosolu je navíc tvořen kotransportérem Na+/K+/2CH a výměníkem CG-HCO3.
Vstup chlóru do článku zvyšuje polaritu membrány až k hyperpolarizaci.
Vlastnosti iontového transportu hrají zásadní roli při vzniku bioelektrických jevů v orgánech a tkáních, které kódují informace, určují funkční stav těchto struktur, jejich přechod z jednoho funkčního stavu do druhého.
Model excitabilní membrány podle Hodgkin-Huxleyho teorie předpokládá regulovaný transport iontů přes membránu. Přímý přechod iontu přes lipidovou dvojvrstvu je však velmi obtížný a v důsledku toho by byl také malý tok iontů.
Tato a řada dalších úvah dala důvod se domnívat, že membrána musí obsahovat nějaké speciální struktury – vodivé ionty. Takové struktury byly nalezeny a pojmenovány iontové kanály. Podobné kanály byly izolovány z různých objektů: plazmatické membrány buněk, postsynaptické membrány svalových buněk a dalších objektů. Známé jsou také iontové kanály tvořené antibiotiky.
Hlavní vlastnosti iontových kanálů:
1) selektivita;
2) nezávislost provozu jednotlivých kanálů;
3) diskrétní charakter vodivosti;
4) závislost parametrů kanálu na membránovém potenciálu.
Zvažme je v pořadí.
1. Selektivita je schopnost iontových kanálů selektivně přenášet ionty jakéhokoli jednoho typu.
Již při prvních experimentech na axonu olihně bylo zjištěno, že ionty Na+ a Km mají různé účinky na membránový potenciál. Ionty K+ mění klidový potenciál a ionty Na+ akční potenciál. V modelu Hodgkin-Huxley je to popsáno zavedením nezávislých draslíkových a sodných iontových kanálů. Předpokládalo se, že první propustí pouze ionty K+ a druhý pouze ionty Na+.
Měření ukázala, že iontové kanály mají absolutní selektivitu s ohledem na kationty (kanály selektivní pro kationty) nebo na anionty (kanály selektivní pro anionty). Současně jsou různé kationty různých chemických prvků schopny procházet kationtově selektivními kanály, ale vodivost membrány pro minoritní ion, a tím i proud přes ni, bude výrazně nižší, např. Na + - kanál, draslíkový proud skrz něj bude 20krát menší. Schopnost iontového kanálu propouštět různé ionty se nazývá relativní selektivita a je charakterizována řadou selektivity - poměrem vodivosti kanálu pro různé ionty odebrané při stejné koncentraci. V tomto případě se pro hlavní iont bere selektivita jako 1. Například pro kanál Na + má tato řada tvar:
Na+:K+= 1:0,05.
2. Nezávislost jednotlivých kanálů. Průchod proudu jednotlivým iontovým kanálem je nezávislý na tom, zda proud protéká jinými kanály. Například kanály K + lze zapnout nebo vypnout, ale proud přes kanály Na + se nemění. Vzájemné ovlivnění kanálů nastává nepřímo: změna permeability jakýchkoli kanálů (například sodíku) mění membránový potenciál a již ovlivňuje vodivosti jiných iontových kanálů.
3. Diskrétní povaha vedení iontových kanálů. Iontové kanály jsou podjednotkový komplex proteinů, který překlenuje membránu. V jeho středu je trubice, kterou mohou procházet ionty. Počet iontových kanálů na 1 μm 2 povrchu membrány byl stanoven pomocí radioaktivně značeného blokátoru sodíkových kanálů - tetrodotoxinu. Je známo, že jedna molekula TTX se váže pouze na jeden kanál. Pak měření radioaktivity vzorku o známé ploše umožnilo ukázat, že na 1 μm 2 axonu olihně připadá asi 500 sodíkových kanálů.
Ty transmembránové proudy, které jsou měřeny v konvenčních experimentech, například na axonu olihně dlouhém 1 cm a průměru 1 mm, to znamená s plochou 3 * 10 7 μm 2, jsou způsobeny celkovou odezvou (změna ve vodivosti) 500 3 10 7 -10 10 iontových kanálů. Taková odezva je charakterizována postupnou změnou vodivosti v průběhu času. Odezva jednoho iontového kanálu se v průběhu času mění zásadně odlišným způsobem: diskrétně pro oba Na+ kanály, K+- a Ca2+ kanály.
To bylo poprvé objeveno v roce 1962 při studiích vodivosti lipidových dvojvrstvých membrán (BLM), kdy byla do roztoku obklopujícího membránu přidána mikrokvantita nějaké látky, která vyvolala excitaci. Na BLM bylo aplikováno konstantní napětí a byl zaznamenáván proud I(t). Záznam proudu v čase měl podobu skoků mezi dvěma vodivými stavy.
Jeden z efektivní metody Experimentální studií iontových kanálů byla metoda lokální fixace membránového potenciálu ("Patch Clamp") vyvinutá v 80. letech (obr. 10).
Rýže. 10. Způsob lokální fixace membránového potenciálu. ME - mikroelektroda, IR - iontový kanál, M - buněčná membrána, SFP - potenciální svorkový obvod, I - jednokanálový proud
Podstata metody spočívá v tom, že ME mikroelektroda (obr. 10) s tenkým koncem o průměru 0,5–1 μm je nasávána k membráně tak, že do jejího vnitřního průměru vstupuje iontový kanál. Potom je možné pomocí potenciálově upínacího obvodu měřit proudy, které procházejí pouze jedním kanálem membrány a ne všemi kanály současně, jak se to děje při použití standardní metoda fixační potenciál.
Výsledky experimentů provedených na různých iontových kanálech ukázaly, že vodivost iontového kanálu je diskrétní a může být ve dvou stavech: otevřený nebo uzavřený. K přechodům mezi stavy dochází v náhodných časech a řídí se statistickými vzory. Nelze říci, že se tento iontový kanál otevře přesně v tomto okamžiku. Dá se říci pouze o pravděpodobnosti otevření kanálu v určitém časovém intervalu.
4. Závislost parametrů kanálu na membránovém potenciálu. Iontové kanály nervových vláken jsou citlivé na membránový potenciál, například sodíkové a draslíkové kanály axonu olihně. To se projevuje tím, že po začátku depolarizace membrány se odpovídající proudy začnou měnit s tou či onou kinetikou. Tento proces probíhá následovně: Iontově selektivní kanál má senzor - nějaký prvek jeho konstrukce, citlivý na působení elektrického pole (obr. 11). Při změně membránového potenciálu se mění velikost síly, která na ni působí, v důsledku toho se tato část iontového kanálu pohybuje a mění pravděpodobnost otevření nebo zavření brány - jakýsi tlumič působící podle vše-nebo- nic zákon. Experimentálně bylo prokázáno, že působením depolarizace membrány se zvyšuje pravděpodobnost přechodu sodíkového kanálu do vodivého stavu. Napěťový skok na membráně, vzniklý při měření metodou upnutí potenciálu, vede k tomu, že se otevře velké množství kanálů. Projde jimi více nábojů, což znamená v průměru více proudu. Je důležité, aby proces růstu vodivosti kanálu byl určen zvýšením pravděpodobnosti přechodu kanálu do otevřeného stavu, a nikoli zvýšením průměru otevřený kanál. Toto je moderní myšlenka mechanismu průchodu proudu jediným kanálem.
Hladké kinetické křivky proudů zaznamenané při elektrických měřeních na velkých membránách jsou získány díky součtu mnoha skokových proudů protékajících jednotlivými kanály. Jejich sčítání, jak je uvedeno výše, prudce snižuje kolísání a dává poměrně hladké časové závislosti transmembránového proudu.
Iontové kanály mohou být citlivé na ostatní fyzický dopad: mechanická deformace, chemická vazba atd. V tomto případě jsou strukturálním základem mechanoreceptorů, chemoreceptorů atd.
Studium iontových kanálů v membránách je jedním z důležitých úkolů moderní biofyziky.
Struktura iontového kanálu.
Iontově selektivní kanál se skládá z následujících částí (obr. 11): proteinová část ponořená do dvojvrstvy, která má podjednotkovou strukturu; selektivní filtr tvořený záporně nabitými atomy kyslíku, které jsou pevně umístěny v určité vzdálenosti od sebe a propouštějí ionty pouze určitého průměru; část brány.
Brány iontového kanálu jsou řízeny membránovým potenciálem a mohou být buď v uzavřeném stavu (přerušovaná čára) nebo v otevřeném stavu (plná čára). Normální poloha brány sodíkového kanálu je uzavřena. Působením elektrického pole se zvyšuje pravděpodobnost otevřeného stavu, brána se otevře a tok hydratovaných iontů dostane příležitost projít selektivním filtrem.
Pokud se iont vejde do průměru, odhodí hydratační obal a přeskočí na druhou stranu iontového kanálu. Pokud má iont příliš velký průměr, jako je tetraethylamonium, není schopen projít filtrem a nemůže projít membránou. Pokud je naopak iont příliš malý, pak má potíže v selektivním filtru, tentokrát spojené s obtížemi při odhazování hydratačního obalu iontu.
Blokátory iontových kanálů jím buď nemohou projít a uvíznou ve filtru, nebo, pokud se jedná o velké molekuly, jako je TTX, stericky odpovídají jakémukoli vstupu do kanálu. Protože blokátory nesou kladný náboj, jejich nabitá část je vtažena do kanálu k selektivnímu filtru jako běžný kationt a makromolekula jej ucpe.
Změny elektrických vlastností excitabilních biomembrán se tedy provádějí pomocí iontových kanálů. Jedná se o proteinové makromolekuly pronikající lipidovou dvojvrstvou, které mohou být v několika diskrétních stavech. Vlastnosti kanálů selektivních pro ionty K +, Na + a Ca 2+ mohou různě záviset na membránovém potenciálu, který určuje dynamiku akčního potenciálu v membráně, stejně jako na rozdílech v těchto potenciálech v membránách různých buněk.
Rýže. 11. Schéma struktury sodíkového iontového kanálu membrány v kontextu
Zpětná vazba.
| 1 naprosto nesouhlasím | 2 nesouhlasím | 3 nevím | 4 souhlasím | 5 naprostý souhlas | ||
| Tato aktivita rozvinula mé dovednosti při řešení problémů. | ||||||
| K dokončení této lekce jsem potřeboval jen dobrou paměť. | ||||||
| Tato činnost rozvinula mou schopnost pracovat v týmu. | ||||||
| Tato lekce zlepšila mé analytické schopnosti. | ||||||
| Tato lekce zlepšila mé psaní. | ||||||
| Lekce vyžadovala hluboké pochopení látky. |
