Arten von Ionenkanälen. Ionenkanäle. Mögliche unabhängige Natriumkanäle
Letztes Update: 28/10/2013
Der zweite Artikel in der Reihe „Grundlagen der menschlichen und tierischen Physiologie“. Wir werden über den Mechanismus der Bildung von Aktionspotentialen sprechen – die Grundlage jeder Bewegung.
Erregbare Zellen (die bis zu einem gewissen Grad alle Zellen des Tierkörpers sind) weisen im Ruhezustand einen Überschuss an negativer Ladung auf, die sich bildet. Wird die Zelle einer äußeren Stimulation ausgesetzt, geht sie in einen erregten Zustand und erzeugt ein weiteres Potenzial – das Aktionspotenzial.
Dieser Prozess wird durch ein System von Ionenkanälen in der Zellmembran umgesetzt, das die Konzentration elektrisch geladener Teilchen – Ionen – reguliert. Alle Kanäle, unabhängig von ihrer Spezialisierung, werden von bestimmten Kräften kontrolliert. Dies kann eine Änderung des Potenzials an der Zellmembran sein – bei spannungsabhängigen Kanälen, eine Erhöhung der Konzentration bestimmter Wirkstoffe – bei ligandenabhängigen Kanälen oder eine Membrandehnung – bei mechanisch gesteuerten Kanälen.
Kanäle sind spezifische Proteine, die in die Membran eingebettet sind. Jeder Kanaltyp lässt bestimmte Ionen durch. Dies ist ein passives Transportsystem: Ionen passieren sie aufgrund der Diffusion, und die Kanäle steuern lediglich die Konzentration der passierenden Partikel und regulieren die Membranpermeabilität für sie.
An der Bildung des Aktionspotentials sowie des Ruhepotentials sind hauptsächlich Natrium- und Kaliumionen beteiligt.
Natriumkanäle haben eine recht einfache Struktur: Es handelt sich um ein Protein aus drei verschiedenen Untereinheiten, die eine porenartige Struktur bilden – also eine Röhre mit einem inneren Lumen. Der Kanal kann drei Zustände haben: geschlossen, offen und inaktiviert (geschlossen und nicht erregbar). Dies wird durch die Lokalisierung negativer und positiver Ladungen im Protein selbst gewährleistet; Diese Ladungen werden von den entgegengesetzten Ladungen auf der Membran angezogen, und so öffnet und schließt sich der Kanal, wenn sich der Zustand der Membran ändert. Wenn es geöffnet ist, können Natriumionen entlang des Konzentrationsgradienten ungehindert in die Zelle gelangen. Dies ist ein sehr kurzer Moment – buchstäblich Bruchteile einer Millisekunde.
Kaliumkanäle sind noch einfacher: Sie sind separate Untereinheiten, die im Kontext eine Trapezform haben; Sie liegen fast nahe beieinander, aber es gibt immer eine Lücke zwischen ihnen. Kaliumkanäle schließen sich nicht vollständig; im Ruhezustand verlässt Kalium das Zytoplasma frei (entlang des Konzentrationsgradienten).
Sowohl Natrium- als auch Kaliumkanäle sind spannungsabhängig – sie funktionieren abhängig von Veränderungen elektrisches Potenzial Membranen.
Während der Bildung des Aktionspotentials kommt es zu einer starken kurzfristigen Wiederaufladung der Membran. Dafür sorgen mehrere aufeinanderfolgende Prozesse.
Erstens depolarisiert die Membran unter dem Einfluss eines äußeren Reizes (z. B. eines elektrischen Stroms), das heißt, die Ladungen von ihren verschiedenen Seiten ändern sich in entgegengesetzte (innerhalb der Zelle wird die Ladung positiv, außen negativ). ). Dies ist ein Signal für die Öffnung von Natriumkanälen, von denen es auf der Oberfläche einer Membran eine große Anzahl gibt – es können bis zu 12.000 sein. Der Moment, in dem sich die Kanäle zu öffnen beginnen, wird als kritisches Depolarisationsniveau bezeichnet. Der Strom, der diese kritische Depolarisation hervorruft, wird Schwellenstrom genannt.
Interessanterweise ändert eine Erhöhung des Stroms nach Erreichen des Schwellenwerts nichts an den Eigenschaften des resultierenden Aktionspotentials. Entscheidend für die Öffnung der Kanäle ist nicht die Amplitude des Stroms, sondern die von der Membran aufgenommene Energiemenge – die „Strommenge“. Dieses Muster wird „Alles oder Nichts“ genannt – entweder gibt es eine vollwertige Reaktion auf die Reizung mit ihrem Wert ab dem Schwellenwert und darüber, oder es erfolgt überhaupt keine Antwort, wenn die Reizung den Schwellenwert nicht erreicht hat. In diesem Fall wird der Wert des Schwellenwerts durch die Dauer der zugeführten Stimulation bestimmt.
Dieses Gesetz gilt jedoch nur innerhalb einer einzelnen Zelle. Nehmen wir zum Beispiel einen Nerv, der aus einer großen Anzahl verschiedener Axone besteht, spielt auch die Amplitude eine Rolle, da wir eine Reaktion auf Reizungen nur dann sehen, wenn die Kanäle in allen Zellen aktiviert sind – also mit einem größeren Gesamtwert des Schwellenstroms.
Nach dem Öffnen der Kanäle beginnt Natrium in die Zelle einzudringen, und sein Strom übersteigt den Kaliumstrom, der den Gradienten verlässt, deutlich. Dies bedeutet, dass die Permeabilität der Membran für Natrium größer wird als für Kalium. Irgendwann öffnen sich fast alle Natriumkanäle. Dies geschieht wie eine Lawine: vom Ort, an dem der Reiz kam, in beide Richtungen. Dadurch steigt die Natriumkonzentration in der Zelle stark an.
Danach sollten die Ionenkonzentrationen wieder auf die ursprünglichen Werte zurückkehren. Dies sorgt für eine so gemeinsame Eigenschaft von Kanälen wie die Feuerfestigkeit: Ein Kanal, der funktioniert hat, ist danach für einige Zeit inaktiv und kann unter der Wirkung eines irritierenden Reizes nicht angeregt werden.
Natriumkanäle werden im Moment der maximalen Reaktion auf Reizung feuerfest, die Natriumpermeabilität sinkt stark. Im Gegensatz dazu beginnen Kaliumkanäle aktiv zu arbeiten und der Kaliumstrom aus der Zelle nimmt zu. Dadurch verlässt ein Überschuss an positiv geladenen Ionen die Zelle und das ursprüngliche Ruhepotential wird wiederhergestellt. In diesem Zeitraum, bis die Natriumkanäle und das ursprüngliche Potenzial wiederhergestellt sind (dies kann etwa eine Millisekunde dauern), ist die Zelle nicht in der Lage, zu erregen.
Da die Erregungsfähigkeit der Zellen das Funktionieren des gesamten Körpers und die Möglichkeit der zentralen Steuerung aller Körperzellen gewährleistet, gehören Gifte, die Kanäle blockieren, zu den gefährlichsten für Menschen und viele Tiere.
Einer der am meisten gefürchteten Kanalblocker ist Tetrodotoxin, eine Substanz, die von Kugelfischen produziert wird. Für ihn beträgt der Wert von LD50 (50 % Todesrate – die Dosis, an der 50 von hundert Menschen sterben) 10 Milligramm pro Kilogramm Gewicht, also etwa tausendmal weniger als für Zyanid. Seine Moleküle binden sich im geschlossenen Zustand fest an das Natriumkanalprotein und blockieren die Möglichkeit eines Aktionspotentials vollständig. Einige Algen produzieren ähnliche Giftstoffe. Skorpiongift hingegen hält alle Kanäle dauerhaft offen.
Na gut, ein Skorpion, aber warum eine so schreckliche Waffe für Algen ist, ist ein Rätsel.
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Eigenschaften von Ionenkanälen
Unter Selektivität versteht man die selektiv erhöhte Durchlässigkeit von IR für bestimmte Ionen. Für andere Ionen verringert sich die Permeabilität. Diese Selektivität wird durch den selektiven Filter bestimmt – den engsten Punkt der Kanalpore. Der Filter kann neben schmalen Abmessungen auch eine lokale elektrische Ladung aufweisen. Beispielsweise weisen kationenselektive Kanäle in der Regel im Proteinmolekül im Bereich ihres selektiven Filters negativ geladene Aminosäurereste auf, die positive Kationen anziehen und negative Anionen abstoßen und so verhindern, dass sie die Pore passieren.
Unter kontrollierter Permeabilität versteht man die Fähigkeit des IC, sich bei bestimmten Steueraktionen auf dem Kanal zu öffnen oder zu schließen. Ein geschlossener Kanal hat eine verringerte Permeabilität, ein offener Kanal eine erhöhte. Gemäß dieser Eigenschaft können ICs in Abhängigkeit von den Methoden ihrer Entdeckung klassifiziert werden: zum Beispiel potentiell aktiviert, ligandenaktiviert usw.
Unter Inaktivierung versteht man die Fähigkeit von ICs, ihre Permeabilität einige Zeit nach ihrer Öffnung automatisch zu verringern, selbst wenn der aktivierende Faktor, der sie geöffnet hat, weiterhin wirksam ist. Die schnelle Inaktivierung ist ein besonderer Prozess mit einem eigenen spezifischen Mechanismus, der sich vom langsamen Kanalschluss (langsame Inaktivierung) unterscheidet. Das Schließen (langsame Inaktivierung) des Kanals erfolgt aufgrund von Prozessen, die den Prozessen entgegengesetzt sind, die seine Öffnung gewährleistet haben, d. h. durch Änderung der Konformation des Kanalproteins. Aber beispielsweise in spannungsaktivierten Kanälen erfolgt die schnelle Inaktivierung mit Hilfe eines speziellen molekularen Pfropfens, der einem Pfropfen an einer Kette ähnelt, der üblicherweise in Bädern verwendet wird. Bei diesem Pfropfen handelt es sich um eine Aminosäureschleife (Polypeptidschleife) mit einer Verdickung am Ende in Form von drei Aminosäuren, die die innere Mündung des Kanals von der Seite des Zytoplasmas her verschließt. Deshalb können spannungsabhängige ICs für Natrium, die für die Entwicklung eines Aktionspotentials und die Bewegung eines Nervenimpulses sorgen, Natriumionen nur für wenige Millisekunden in die Zelle lassen und werden dann automatisch durch ihre molekularen Pfropfen verschlossen. obwohl die Depolarisierung, die sie öffnet, weiterhin anhält. Ein weiterer Mechanismus der CI-Inaktivierung kann die Modifikation der intrazellulären Mündung des Kanals durch zusätzliche Untereinheiten sein.
Blockierung ist die Fähigkeit von IR, unter der Wirkung blockierender Substanzen einen seiner Zustände zu fixieren und nicht auf gewöhnliche Kontrollmaßnahmen zu reagieren. In diesem Zustand reagiert der Kanal einfach nicht mehr auf Steueraktionen. Die Blockierung wird durch blockierende Substanzen verursacht, die als Antagonisten, Blocker oder Lytika bezeichnet werden können. Antagonisten sind Substanzen, die die aktivierende Wirkung anderer Substanzen auf den IC verhindern. Solche Substanzen können sich gut an die IR-Rezeptorstelle binden, sind jedoch nicht in der Lage, den Zustand des Kanals zu ändern und dessen Reaktion auszulösen. Es kommt zu einer Blockade des Rezeptors und damit einhergehend zu einer Blockade des IR. Es ist zu beachten, dass Antagonisten nicht unbedingt eine vollständige Blockade des Rezeptors und seines IR bewirken, sie können schwächer wirken und den Kanal nur hemmen (unterdrücken), ihn aber nicht vollständig stoppen. Agonisten-Antagonisten sind Substanzen, die eine schwache stimulierende Wirkung haben am Rezeptor, blockiert aber gleichzeitig die Wirkung natürlicher endogener Kontrollsubstanzen. Blocker sind Substanzen, die die Funktion des Ionenkanals, beispielsweise die Wechselwirkung eines Mediators mit einem molekularen Rezeptor dafür, verhindern und somit die Kanalsteuerung stören und ihn blockieren. Beispielsweise wird die Wirkung von Acetylcholin durch Anticholinergika blockiert; Noradrenalin mit Adrenalin – Blocker; Histamin – Histaminblocker usw. Viele Blocker werden zu therapeutischen Zwecken als Arzneimittel eingesetzt. Lytika sind die gleichen Blocker, der Begriff ist älter und wird als Synonym für einen Blocker verwendet: Anticholinergikum, Adrenolytikum usw.
Plastizität ist die Fähigkeit eines IC, seine Eigenschaften, seine Eigenschaften zu verändern. Der häufigste Mechanismus, der für Plastizität sorgt, ist die Phosphorylierung der Aminosäuren von Kanalproteinen von der Innenseite der Membran durch Proteinkinase-Enzyme. Phosphorreste von ATP oder GTP werden an Kanalproteine gebunden – und der Kanal verändert seine Eigenschaften. Beispielsweise wird es in einem dauerhaft geschlossenen Zustand oder umgekehrt in einem geöffneten Zustand fixiert.
12. Ionenkanäle…
Der Ionenkanal besteht aus mehreren Untereinheiten, ihre Anzahl in einem einzelnen Ionenkanal reicht von 3 bis 12 Untereinheiten. Aufgrund ihrer Organisation können die im Kanal enthaltenen Untereinheiten homolog (vom gleichen Typ) sein, eine Reihe von Kanälen werden durch Untereinheiten unterschiedlichen Typs gebildet.
Jede der Untereinheiten besteht aus mehreren (drei oder mehr) Transmembransegmenten (unpolare Teile, die in α-Helices verdreht sind), aus extra- und intrazellulären Schleifen und Endabschnitten von Domänen (dargestellt durch polare Regionen von Molekülen, die eine Domäne bilden und hervorstehen). jenseits der Bilipidschicht der Membran).
Jedes der Transmembransegmente, extra- und intrazellulären Schleifen und Endabschnitte der Domänen erfüllt seine eigene Funktion.
Somit bestimmt das in Form einer α-Helix organisierte Transmembransegment 2 die Selektivität des Kanals.
Die terminalen Regionen der Domäne fungieren als Sensoren für extra- und intrazelluläre Liganden, und eines der Transmembransegmente übernimmt die Rolle eines spannungsabhängigen Sensors.
Die dritten Transmembransegmente in der Untereinheit sind für den Betrieb des Portalkanalsystems usw. verantwortlich.
Ionenkanäle funktionieren nach dem Mechanismus der erleichterten Diffusion. Wenn die Kanäle aktiviert sind, folgt die Bewegung der Ionen entlang ihnen einem Konzentrationsgradienten. Die Bewegungsgeschwindigkeit durch die Membran beträgt 10 Ionen pro Sekunde.
Spezifität von Ionenkanälen.
Die meisten von ihnen sind selektiv, d. h. Kanäle, die nur eine Ionenart durchlassen (Natriumkanäle, Kaliumkanäle, Kalziumkanäle, Anionenkanäle).
Kanalselektivität.
Die Kanalselektivität wird durch das Vorhandensein eines selektiven Filters bestimmt.
Seine Rolle spielt der Anfangsabschnitt des Kanals, der eine bestimmte Ladung, Konfiguration und Größe (Durchmesser) aufweist, wodurch nur eine bestimmte Art von Ionen in den Kanal gelangen kann.
Einige der Ionenkanäle sind nicht selektiv, beispielsweise „Leck“-Kanäle. Hierbei handelt es sich um Membrankanäle, durch die K+-Ionen im Ruhezustand entlang des Konzentrationsgradienten die Zelle verlassen, durch diese Kanäle gelangt jedoch auch im Ruhezustand entlang des Konzentrationsgradienten eine kleine Menge Na+-Ionen in die Zelle.
Ionenkanalsensor.
Der Ionenkanalsensor ist ein empfindlicher Teil des Kanals, der Signale wahrnimmt, deren Natur unterschiedlich sein kann.
Auf dieser Grundlage gibt es:
spannungsgesteuerte Ionenkanäle;
rezeptorgesteuerte Ionenkanäle;
ligandengesteuert (ligandenabhängig);
mechanisch gesteuert (mechanisch abhängig).
Kanäle, die über einen Sensor verfügen, werden als gesteuert bezeichnet. Einige Kanäle verfügen nicht über einen Sensor. Solche Kanäle werden als nicht verwaltet bezeichnet.
Das Torsystem des Ionenkanals.
Der Kanal verfügt über ein Tor, das im Ruhezustand geschlossen ist und sich öffnet, wenn ein Signal angelegt wird. In einigen Kanälen werden zwei Arten von Toren unterschieden: Aktivierung (m-Gates) und Inaktivierung (h-Gates).
Es gibt drei Zustände von Ionenkanälen:
ein Ruhezustand, wenn das Tor geschlossen ist und der Kanal für Ionen unzugänglich ist;
der Aktivierungszustand, wenn das Gate-System geöffnet ist und Ionen sich durch die Membran entlang des Kanals bewegen;
der Zustand der Inaktivierung, wenn der Kanal geschlossen ist und nicht auf Reize reagiert.
Leitungsgeschwindigkeit (Leitfähigkeit).
Es gibt schnelle und langsame Kanäle. Leckkanäle sind langsam, Natriumkanäle in Neuronen sind schnell.
In der Membran jeder Zelle gibt es eine Vielzahl verschiedener (in Bezug auf die Geschwindigkeit) Ionenkanäle, deren Aktivierung den Funktionszustand der Zellen bestimmt.
spannungsgesteuerte Kanäle.
Der potenziell kontrollierte Kanal besteht aus:
selektiver Filter;
Aktivierungs- und Inaktivierungstore;
Spannungssensor.
mit Wasser gefüllte Poren;
Der Kanaldurchmesser ist viel größer als der Ionendurchmesser; in der selektiven Filterzone verengt er sich auf atomare Dimensionen, wodurch sichergestellt wird, dass dieser Kanalabschnitt die Funktion eines selektiven Filters übernimmt.
Das Öffnen und Schließen des Tormechanismus erfolgt, wenn sich das Membranpotential ändert, und das Tor öffnet sich bei einem Wert des Membranpotentials und schließt bei einem anderen Niveau des Membranpotentials.
Es wird angenommen, dass die Änderung des elektrischen Feldes der Membran von einem speziellen Abschnitt der Kanalwand wahrgenommen wird, der als Spannungssensor bezeichnet wird.
Eine Zustandsänderung aufgrund einer Änderung des Membranpotentialniveaus führt zur Konformation der Proteinmoleküle, die den Kanal bilden, und führt dadurch zum Öffnen oder Schließen des Tors des Ionenkanals.
Kanäle (Natrium, Kalzium, Kalium) haben vier homologe Domänen – Untereinheiten (I, II, III, IV). Die Domäne (z. B. Natriumkanäle) besteht aus sechs in Form von a-Helices organisierten Transmembransegmenten, von denen jedes seine eigene Rolle spielt.
Somit spielt das Transmembransegment 5 die Rolle einer Pore, das Transmembransegment 4 ist ein Sensor, der auf Änderungen des Membranpotentials reagiert, und andere Transmembransegmente sind für die Aktivierung und Inaktivierung des Pfortaderkanalsystems verantwortlich. Bis zum Ende wurde die Rolle einzelner Transmembransegmente und Untereinheiten nicht untersucht.
In den Zellen erregbarer Gewebe sind Natriumkanäle (Innendurchmesser 0,55 nm) vorhanden. Die Dichte pro 1 µm 2 ist in verschiedenen Geweben nicht gleich.
In nicht myelinisierten Nervenfasern sind es also 50 bis 200 Kanäle und in myelinisierten Nervenfasern (Ranvier-Abschnitte) 13.000 pro 1 Mikrometer 2 Membranfläche. Im Ruhezustand sind sie geschlossen. Das Membranpotential beträgt 70-80 mV.
Die Einwirkung eines Reizes verändert das Membranpotential und aktiviert einen spannungsgesteuerten Natriumkanal.
Es wird aktiviert, wenn sich das Membranpotential vom Ruhepotentialniveau in Richtung des kritischen Depolarisationsniveaus verschiebt.
Ein starker Natriumstrom sorgt für eine Verschiebung des Membranpotentials auf ein kritisches Depolarisationsniveau (CDL).
Änderung des Membranpotentials bis zu -50-40 mV, d.h. auf das Niveau eines kritischen Depolarisationsniveaus, bewirkt die Öffnung anderer spannungsabhängiger Na + -Kanäle, durch die der ankommende Natriumstrom geleitet wird, der den „Peak“ des Aktionspotentials bildet.
Natriumionen bewegen sich entlang des Konzentrationsgradienten und des chemischen Gradienten durch den Kanal in die Zelle und bilden den sogenannten einströmenden Natriumstrom, der zu einer weiteren schnellen Entwicklung des Depolarisationsprozesses führt.
Das Membranpotential ändert das Vorzeichen in das Gegenteil von +10-20 mV. Ein positives Membranpotential führt dazu, dass sich Natriumkanäle schließen und inaktiviert werden.
Potentialabhängige Na+-Kanäle spielen eine führende Rolle bei der Bildung des Aktionspotentials, d.h. Erregungsprozess in der Zelle.
Calciumionen behindern die Öffnung spannungsgesteuerter Natriumkanäle, indem sie die Reaktionsparameter verändern.
ZU + -Kanäle
Kaliumkanäle (Innendurchmesser 0,30 nm) sind in Zytoplasmamembranen vorhanden, es wurde eine beträchtliche Anzahl von Kanälen für den „Austritt“ von Kalium aus der Zelle gefunden.
Im Ruhezustand sind sie offen. Durch sie „leckt“ Kalium im Ruhezustand entlang des Konzentrationsgradienten und des elektrochemischen Gradienten aus der Zelle.
Dieser Vorgang wird als ausgehender Kaliumstrom bezeichnet, der zur Bildung eines Membranruhepotentials (-70-80 mV) führt. Diese Kaliumkanäle können nur bedingt als spannungsabhängig eingestuft werden.
Wenn sich das Membranpotential während der Depolarisation ändert, wird der Kaliumstrom inaktiviert.
Bei der Repolarisation wird über spannungsabhängige Kanäle ein eingehender K+-Strom gebildet, der als K+-Strom mit verzögerter Gleichrichtung bezeichnet wird.
Eine andere Art von spannungsgesteuerten K + -Kanälen. An ihnen entlang entsteht im Unterschwellenbereich des Membranpotentials (positives Spurenpotential) ein schneller Kaliumstrom nach außen. Die Kanalinaktivierung erfolgt aufgrund einer Spurenhyperpolarisation.
Eine andere Art von spannungsgesteuerten Kaliumkanälen wird erst nach vorheriger Hyperpolarisierung aktiviert und bildet einen schnellen transienten Kaliumstrom, der schnell inaktiviert wird.
Calciumionen erleichtern die Öffnung spannungsgesteuerter Kaliumkanäle, indem sie die Reaktionsparameter verändern.
Sa + -Kanäle.
Potentialgesteuerte Kanäle leisten einen wesentlichen Beitrag sowohl zur Regulierung des Kalziumeintritts in das Zytoplasma als auch zur Elektrogenese.
Proteine, die Kalziumkanäle bilden, bestehen aus fünf Untereinheiten (al, a2, b, g, d).
Die Hauptuntereinheit al bildet den Kanal selbst und enthält Bindungsstellen für verschiedene Kalziumkanalmodulatoren.
In Nervenzellen von Säugetieren wurden mehrere strukturell unterschiedliche Calciumkanal-al-Untereinheiten gefunden (bezeichnet als A, B, C, D und E).
Funktionell unterscheiden sich verschiedene Arten von Kalziumkanälen in der Aktivierung, Kinetik, Einzelkanalleitfähigkeit und Pharmakologie.
Bis zu sechs Arten von spannungsgesteuerten Kalziumkanälen wurden in Zellen beschrieben (T-, L-, N-, P-, Q-, R-Kanäle).
Die Aktivität spannungsgesteuerter Plasmamembrankanäle wird durch verschiedene intrazelluläre Second Messenger und membrangebundene G-Proteine reguliert.
Spannungsgesteuerte Calciumkanäle kommen in großer Zahl in den Zytoplasmamembranen von Neuronen, Myozyten der glatten, quergestreiften und Herzmuskulatur sowie in den Membranen des endoplasmatischen Retikulums vor.
Ca 2+ -Kanäle des SPR sind oligomere Proteine, die in die SPR-Membran eingebettet sind.
Sa 2+ - kontrollierte Sa 2+ - SPR-Kanäle.
Diese Kalziumkanäle wurden zunächst aus Skelett- und Herzmuskeln isoliert.
Es stellte sich heraus, dass die Ca 2+ -Kanäle von SPR in diesen Muskelgeweben molekulare Unterschiede aufweisen und von unterschiedlichen Genen kodiert werden.
Ca 2+ -Kanäle der SPR in der Herzmuskulatur sind durch kalziumbindende Proteine direkt mit hochschwelligen Ca 2+ -Kanälen der Plasmamembran (L-Typ) verbunden und bilden so eine funktionell aktive Struktur – eine „Triade“.
In der Skelettmuskulatur aktiviert die Plasmalemma-Depolarisation direkt die Freisetzung von Ca 2+ aus dem endoplasmatischen Retikulum, da die Ca 2+-Kanäle der Plasmamembran als spannungsempfindliche Sender des Aktivierungssignals direkt an die Ca 2+-Kanäle dienen die SPR durch Bindung von Proteinen.
So verfügen Ca 2+ -Depots der Skelettmuskulatur über einen depolarisationsinduzierten Ca 2+-Freisetzungsmechanismus (RyRl-Typ).
Im Gegensatz zu Skelettmuskeln sind endoplasmatische Ca 2+-Kanäle von Kardiomyozyten nicht mit der Plasmamembran verbunden, und die Stimulierung der Ca 2+-Freisetzung aus dem Depot erfordert eine Erhöhung der Konzentration von zytosolischem Calcium (RyR2-Typ).
Zusätzlich zu diesen beiden Typen von Ca 2+ -aktivierten Ca 2h-Kanälen wurde kürzlich ein dritter Typ von Ca 2+ SPR-Kanälen (RyR3-Typ) identifiziert, der noch nicht ausreichend untersucht wurde.
Alle Kalziumkanäle zeichnen sich im Vergleich zu Natriumkanälen durch eine langsame Aktivierung und langsame Inaktivierung aus.
Bei der Depolarisation der Muskelzelle (Vorsprünge der Zytoplasmamembranen – T-Tubuli nähern sich den Membranen des endoplasmatischen Retikulums) kommt es zu einer spannungsabhängigen Öffnung der Kalziumkanäle der Membranen des Sarkoplasmatischen Retikulums.
Da einerseits die Calciumkonzentration im SPR hoch ist (Kalziumdepot) und die Calciumkonzentration im Zytoplasma niedrig ist, andererseits die Fläche der SPR-Membran und die Calciumdichte Die Kanäle darin sind groß, der Kalziumspiegel im Zytoplasma steigt um das Hundertfache.
Dieser Anstieg der Kalziumkonzentration löst den Kontraktionsprozess der Myofibrillen aus.
Calciumkanäle in Kardiomyozyten befinden sich in der Zytoplasmamembran und sind Calciumkanäle vom L-Typ.
Sie werden bei einem Membranpotential von +20-40 mV aktiviert und bilden einen ankommenden Kalziumstrom. Sie befinden sich lange Zeit in einem aktivierten Zustand und bilden ein „Plateau“ des Aktionspotentials der Kardiomyozyten.
Anionenkanäle.
Die größte Anzahl an Kanälen für Chlor in der Zellmembran. Im Vergleich zur interzellulären Umgebung gibt es in der Zelle weniger Chloridionen. Wenn sich die Kanäle öffnen, gelangt Chlor daher entlang des Konzentrationsgradienten und des elektrochemischen Gradienten in die Zelle.
Die Anzahl der Kanäle für HCO 3 ist nicht so groß, das Transportvolumen dieses Anions durch die Kanäle ist viel geringer.
Ionenaustauscher.
Die Membran enthält Ionenaustauscher (Trägerproteine), die eine erleichterte Diffusion von Ionen bewirken, d. h. beschleunigte gekoppelte Bewegung von Ionen durch die Biomembran entlang des Konzentrationsgradienten, solche Prozesse sind ATP-unabhängig.
Am bekanntesten sind Na + -H + -, K + -H + -, Ca 2+ -H + -Austauscher sowie Austauscher, die den Austausch von Kationen gegen Anionen Na + -HCO- 3, 2CI-Ca 2+ und Austauscher ermöglichen sorgen für den Austausch von Kation gegen Kation (Na + -Ca 2+) oder Anion pro Anion (Cl-HCO3).
Rezeptorgesteuerte Ionenkanäle.
Ligandengesteuerte (ligandengesteuerte) Ionenkanäle.
Ligandengesteuerte Ionenkanäle sind eine Unterart der rezeptorgesteuerten Kanäle und werden immer mit einem Rezeptor für eine biologisch aktive Substanz (BAS) kombiniert.
Die Rezeptoren der betrachteten Kanäle gehören zum ionotropen Typ der Membranrezeptoren, bei der Wechselwirkung mit biologisch aktiven Substanzen (Liganden) kommt es zu schnellen Reaktionen.
Ein ligandengesteuerter Ionenkanal besteht aus:
mit Wasser gefüllte Poren;
selektiver Filter;
Aktivierungstor;
Ligandenbindungsstelle (Rezeptor). Hochenergetisch aktives BAS hat eine hohe Wirkung
Affinität (Affinität) für einen bestimmten Rezeptortyp. Wenn Ionenkanäle aktiviert werden, bewegen sich bestimmte Ionen entlang eines Konzentrationsgradienten und eines elektrochemischen Gradienten.
Bei einem Membranrezeptor kann die Ligandenbindungsstelle für den Liganden von der äußeren Oberfläche der Membran aus zugänglich sein.
In diesem Fall fungieren Hormone und Parahormone sowie Ionen als Ligand.
Wenn also N-cholinerge Rezeptoren aktiviert werden, werden Natriumkanäle aktiviert.
Die Calciumpermeabilität wird durch neuronale Acetylcholin-gesteuerte, Glutamat-gesteuerte (NMDA- und AMPA/Kainat-Typen) Rezeptoren und Purinrezeptoren initiiert.
GABA A-Rezeptoren sind an ionische Chloridkanäle gekoppelt, und Glycinrezeptoren sind ebenfalls an Chloridkanäle gekoppelt.
In einem Membranrezeptor kann die Ligandenbindungsstelle für Liganden von der inneren Oberfläche der Membran aus zugänglich sein.
Dabei fungieren durch Second Messenger aktivierte Proteinkinasen oder die Second Messenger selbst als Liganden.
So verändern die Proteinkinasen A, C, G durch Phosphorylierung von Kationenkanalproteinen ihre Permeabilität.
Mechanisch gesteuerte Ionenkanäle.
Mechanisch gesteuerte Ionenkanäle ändern ihre Leitfähigkeit für Ionen entweder durch Veränderung der Spannung der Bilipidschicht oder durch das Zytoskelett der Zelle. Viele mechanisch gesteuerte Kanäle sind mit Mechanorezeptoren verbunden; sie kommen in Hörzellen, Muskelspindeln und Gefäßendothel vor.
Alle mechanisch gesteuerten Kanäle sind in zwei Gruppen unterteilt:
Dehnungsaktivierte Zellen (SAC);
streckinaktivierte Zellen (SIC).
Mechanisch gesteuerte Kanäle verfügen über alle wesentlichen Kanalfunktionen:
mit Wasser gefüllte Pore;
Tormechanismus;
Dehnungssensor.
Wenn der Kanal aktiviert ist, bewegen sich Ionen entlang des Konzentrationsgradienten.
Natrium-, Kalium-ATPase.
Natrium-Kalium-ATPase (Natrium-Kalium-Pumpe, Natrium-Kalium-Pumpe).
Besteht aus vier Transmembrandomänen: zwei α-Untereinheiten und zwei β-Untereinheiten. Die α-Untereinheit ist eine große Domäne und die β-Untereinheit ist eine kleine. Beim Ionentransport werden große Untereinheiten phosphoryliert und Ionen bewegen sich durch sie hindurch.
Natrium-Kalium-ATPase spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Natrium- und Kaliumhomöostase in der intra- und extrazellulären Umgebung:
unterstützt hohes Niveau K + und geringe Mengen an Na + in der Zelle;
beteiligt sich an der Bildung des Ruhemembranpotentials, an der Erzeugung des Aktionspotentials;
sorgt für den Na + -konjugierten Transport der meisten organischen Substanzen durch die Membran (sekundärer aktiver Transport);
beeinflusst die Homöostase von H 2 O erheblich.
Natrium, Kalium-ATPase, leistet den wichtigsten Beitrag zur Bildung ionischer Asymmetrie in extra- und intrazellulären Räumen.
Die stufenweise Arbeit der Natrium-Kalium-Pumpe sorgt für einen nicht äquivalenten Austausch von Kalium und Natrium über die Membran.
Sa + -ATPase (Pumpe).
Es gibt zwei Familien von Ca 2+-Pumpen, die für die Eliminierung von Ca 2+-Ionen aus dem Zytoplasma verantwortlich sind: die Ca 2+-Pumpen der Plasmamembran und die Ca 2+-Pumpen des endoplasmatischen Retikulums.
Obwohl sie zur gleichen Familie von Proteinen gehören (der sogenannten P-Klasse der ATPasen), weisen diese Pumpen einige Unterschiede in Struktur, funktioneller Aktivität und Pharmakologie auf.
Es kommt in großen Mengen in der Zytoplasmamembran vor. Im Zytoplasma der ruhenden Zelle beträgt die Calciumkonzentration 10-7 mol/l, außerhalb der Zelle deutlich mehr -10-3 mol/l.
Ein solch signifikanter Konzentrationsunterschied bleibt aufgrund der Arbeit der zytoplasmatischen Ca ++ -ATPase bestehen.
Die Aktivität der Ca 2+ -Pumpe der Plasmamembran wird direkt durch Ca 2+ gesteuert: Eine Erhöhung der Konzentration an freiem Calcium im Zytosol aktiviert die Ca 2+ -Pumpe.
Im Ruhezustand findet nahezu keine Diffusion durch Calciumionenkanäle statt.
Ca-ATPase transportiert Ca entgegen seinem Konzentrationsgradienten von der Zelle in die extrazelluläre Umgebung. Entlang des Gradienten gelangt Ca+ durch Diffusion durch Ionenkanäle in die Zelle.
Die Membran des endoplasmatischen Retikulums enthält außerdem eine große Menge Ca++-ATPase.
Die Kalziumpumpe des endoplasmatischen Retikulums (SERCA) sorgt für den Abtransport von Kalzium aus dem Zytosol in das endoplasmatische Retikulum – „Kalziumdepot“ aufgrund des primären aktiven Transports.
Im Depot bindet Calcium an Calcium-bindende Proteine (Calsequestrin, Calreticulin etc.).
Bisher wurden mindestens drei verschiedene Isoformen von SERCA-Pumpen beschrieben.
Der SERCA1-Subtyp ist ausschließlich in schnellen Skelettmuskeln konzentriert, während die SERCA2-Pumpen in anderen Geweben weit verbreitet sind. Die Bedeutung der SERCA3-Pumpen ist weniger klar.
SERCA2-nacos-Proteine werden in zwei verschiedene Isoformen unterteilt: SERCA2a, charakteristisch für Kardiomyozyten und glatte Muskeln, und SERCA2b, charakteristisch für Gehirngewebe.
Ein Anstieg von Ca 2+ im Zytosol aktiviert die Aufnahme von Calciumionen in das endoplasmatische Retikulum, während ein Anstieg von freiem Calcium im endoplasmatischen Retikulum die SERCA-Pumpen hemmt.
H + K + -ATPase (Pumpe).
Mit Hilfe dieser Pumpe (infolge der Hydrolyse eines ATP-Moleküls) in den Auskleidungszellen (Belegzellen) der Magenschleimhaut werden zwei Kaliumionen aus dem Extrazellulärraum zur Zelle und zwei H + -Ionen aus dem Zytosol transportiert in den extrazellulären Raum während der Hydrolyse eines Moleküls. Dieser Mechanismus liegt der Bildung von Salzsäure im Magen zugrunde.
IonenpumpenqualitätF.
Mitochondriale ATPase. Katalysiert den letzten Schritt der ATP-Synthese. Mitochondriale Krypten enthalten ATP-Synthase, die die Oxidation im Krebszyklus und die ADP-Phosphorylierung an ATP koppelt.
Klasse „Ionenpumpe“.V.
Lysosomale H + -ATPase (lysosomale Protonenpumpen) – Protonenpumpen, die den Transport von H + vom Zytosol zu einer Reihe von Lysosomenorganellen, dem Golgi-Apparat und sekretorischen Vesikeln ermöglichen. Dadurch sinkt der pH-Wert beispielsweise in Lysosomen auf 5,0, was die Aktivität dieser Strukturen optimiert.
Merkmale des Ionentransports
1. Signifikante und asymmetrische Transmembran! Gradient für Na+ und K+ im Ruhezustand.
Natrium außerhalb der Zelle (145 mmol/l) ist zehnmal höher als in der Zelle (14 mmol/l).
In der Zelle befindet sich etwa 30-mal mehr Kalium (140 mmol/l) als außerhalb der Zelle (4 mmol/l).
Dieses Merkmal der Verteilung von Natrium- und Kaliumionen:
homöostatisch durch die Arbeit von Na + /K + -nacoca;
bildet im Ruhezustand den ausgehenden Kaliumstrom (Leckagekanal);
erzeugt Ruhepotential;
Die Arbeit etwaiger Kaliumkanäle (spannungsabhängig, kalziumabhängig, ligandenabhängig) zielt auf die Bildung des ausgehenden Kaliumstroms ab.
Dadurch wird entweder der Zustand der Membran auf sein ursprüngliches Niveau zurückgeführt (Aktivierung spannungsabhängiger Kanäle in der Repolarisationsphase) oder die Membran wird hyperpolarisiert (kalziumabhängige, ligandenabhängige Kanäle, einschließlich solcher, die durch Systeme zweiter Mediatoren aktiviert werden).
Es ist zu beachten, dass:
die Bewegung von Kalium durch die Membran erfolgt durch passiven Transport;
die Bildung einer Erregung (Aktionspotential) ist immer auf den einströmenden Natriumstrom zurückzuführen;
Die Aktivierung aller Natriumkanäle führt immer zu einem nach innen gerichteten Natriumstrom.
die Bewegung von Natrium durch die Membran erfolgt fast immer durch passiven Transport;
In Epithelzellen, die eine Wand aus verschiedenen Röhren und Hohlräumen in Geweben (Dünndarm, Nephron-Tubuli usw.) bilden, gibt es in der äußeren Membran immer eine große Anzahl von Natriumkanälen, die bei Aktivierung einen eingehenden Natriumstrom bereitstellen, und in der Basalmembran – eine große Anzahl von Natrium- und Kaliumpumpen, die Natrium aus der Zelle pumpen. Eine solche asymmetrische Verteilung dieser Transportsysteme für Natrium gewährleistet dessen transzellulären Transport, d.h. vom Darmlumen über die Nierentubuli in die innere Umgebung des Körpers;
Der passive Transport von Natrium in die Zelle entlang des elektrochemischen Gradienten führt zur Ansammlung von Energie, die für den sekundären aktiven Transport vieler Stoffe genutzt wird.
2. Niedriger Kalziumspiegel im Zytosol der Zelle.
In der ruhenden Zelle ist der Calciumgehalt (50 nmol/l) 5000-mal niedriger als außerhalb der Zelle (2,5 mmol/l).
Ein solch niedriger Kalziumspiegel im Zytosol ist kein Zufall, da Kalzium in Konzentrationen, die 10–100 Mal höher sind als die ursprüngliche, als zweiter intrazellulärer Mediator bei der Signalrealisierung fungiert.
Unter solchen Bedingungen ist ein schneller Anstieg des Kalziums im Zytosol durch die Aktivierung von Kalziumkanälen (erleichterte Diffusion) möglich, die in großen Mengen in der Zytoplasmamembran und in der Membran des endoplasmatischen Retikulums (endoplasmatisches Retikulum – „Depot“) vorhanden sind " von Kalzium in der Zelle).
Die Bildung von Calciumflüssen, die durch die Öffnung von Kanälen entsteht, sorgt für einen physiologisch signifikanten Anstieg der Calciumkonzentration im Zytosol.
Der niedrige Kalziumspiegel im Zytosol der Zelle wird durch Ca 2+ -ATPase, Na + /Ca 2+ -Austauscher und kalziumbindende Proteine des Zytosols aufrechterhalten.
Zusätzlich zur schnellen Bindung von zytosolischem Ca 2+ durch intrazelluläre Ca 2+ -bindende Proteine können in das Zytosol gelangende Calciumionen vom Golgi-Apparat oder dem Zellkern akkumuliert und von mitochondrialen Ca 2+-Depots eingefangen werden.
3. Niedriger Chlorgehalt in der Zelle.
In der ruhenden Zelle ist der Chlorgehalt (8 mmol/l) mehr als zehnmal niedriger als außerhalb der Zelle (110 mmol/l).
Dieser Zustand wird durch den Betrieb des K + /Cl- -Transporters aufrechterhalten.
Die Änderung des Funktionszustands der Zelle ist mit einer Änderung der Permeabilität der Membran für Chlor verbunden (oder verursacht). Bei Aktivierung spannungs- und ligandengesteuerter Chloridkanäle gelangt das Ion durch passiven Transport über den Kanal in das Zytosol.
Darüber hinaus erfolgt der Eintrag von Chlor in das Zytosol über den Na+/K+/2CH-Cotransporter und den CG-HCO3-Austauscher.
Durch den Eintritt von Chlor in die Zelle erhöht sich die Polarität der Membran bis hin zur Hyperpolarisation.
Merkmale des Ionentransports spielen eine grundlegende Rolle bei der Entstehung bioelektrischer Phänomene in Organen und Geweben, die Informationen kodieren, den Funktionszustand dieser Strukturen und ihren Übergang von einem Funktionszustand in einen anderen bestimmen.
12. Ionenkanäle…
Der Ionenkanal besteht aus mehreren Untereinheiten, ihre Anzahl in einem einzelnen Ionenkanal reicht von 3 bis 12 Untereinheiten. Aufgrund ihrer Organisation können die im Kanal enthaltenen Untereinheiten homolog (vom gleichen Typ) sein, eine Reihe von Kanälen werden durch Untereinheiten unterschiedlichen Typs gebildet.
Jede der Untereinheiten besteht aus mehreren (drei oder mehr) Transmembransegmenten (unpolare Teile, die in α-Helices verdreht sind), aus extra- und intrazellulären Schleifen und Endabschnitten von Domänen (dargestellt durch polare Regionen von Molekülen, die eine Domäne bilden und hervorstehen). jenseits der Bilipidschicht der Membran).
Jedes der Transmembransegmente, extra- und intrazellulären Schleifen und Endabschnitte der Domänen erfüllt seine eigene Funktion.
Somit bestimmt das in Form einer α-Helix organisierte Transmembransegment 2 die Selektivität des Kanals.
Die terminalen Regionen der Domäne fungieren als Sensoren für extra- und intrazelluläre Liganden, und eines der Transmembransegmente übernimmt die Rolle eines spannungsabhängigen Sensors.
Die dritten Transmembransegmente in der Untereinheit sind für den Betrieb des Portalkanalsystems usw. verantwortlich.
Ionenkanäle funktionieren nach dem Mechanismus der erleichterten Diffusion. Wenn die Kanäle aktiviert sind, folgt die Bewegung der Ionen entlang ihnen einem Konzentrationsgradienten. Die Bewegungsgeschwindigkeit durch die Membran beträgt 10 Ionen pro Sekunde.
Spezifität von Ionenkanälen.
Die meisten von ihnen sind selektiv, d. h. Kanäle, die nur eine Ionenart durchlassen (Natriumkanäle, Kaliumkanäle, Kalziumkanäle, Anionenkanäle).
Kanalselektivität.
Die Kanalselektivität wird durch das Vorhandensein eines selektiven Filters bestimmt.
Seine Rolle spielt der Anfangsabschnitt des Kanals, der eine bestimmte Ladung, Konfiguration und Größe (Durchmesser) aufweist, wodurch nur eine bestimmte Art von Ionen in den Kanal gelangen kann.
Einige der Ionenkanäle sind nicht selektiv, beispielsweise „Leck“-Kanäle. Hierbei handelt es sich um Membrankanäle, durch die K+-Ionen im Ruhezustand entlang des Konzentrationsgradienten die Zelle verlassen, durch diese Kanäle gelangt jedoch auch im Ruhezustand entlang des Konzentrationsgradienten eine kleine Menge Na+-Ionen in die Zelle.
Ionenkanalsensor.
Der Ionenkanalsensor ist ein empfindlicher Teil des Kanals, der Signale wahrnimmt, deren Natur unterschiedlich sein kann.
Auf dieser Grundlage gibt es:
spannungsgesteuerte Ionenkanäle;
rezeptorgesteuerte Ionenkanäle;
ligandengesteuert (ligandenabhängig);
mechanisch gesteuert (mechanisch abhängig).
Kanäle, die über einen Sensor verfügen, werden als gesteuert bezeichnet. Einige Kanäle verfügen nicht über einen Sensor. Solche Kanäle werden als nicht verwaltet bezeichnet.
Das Torsystem des Ionenkanals.
Der Kanal verfügt über ein Tor, das im Ruhezustand geschlossen ist und sich öffnet, wenn ein Signal angelegt wird. In einigen Kanälen werden zwei Arten von Toren unterschieden: Aktivierung (m-Gates) und Inaktivierung (h-Gates).
Es gibt drei Zustände von Ionenkanälen:
ein Ruhezustand, wenn das Tor geschlossen ist und der Kanal für Ionen unzugänglich ist;
der Aktivierungszustand, wenn das Gate-System geöffnet ist und Ionen sich durch die Membran entlang des Kanals bewegen;
der Zustand der Inaktivierung, wenn der Kanal geschlossen ist und nicht auf Reize reagiert.
Leitungsgeschwindigkeit (Leitfähigkeit).
Es gibt schnelle und langsame Kanäle. Leckkanäle sind langsam, Natriumkanäle in Neuronen sind schnell.
In der Membran jeder Zelle gibt es eine Vielzahl verschiedener (in Bezug auf die Geschwindigkeit) Ionenkanäle, deren Aktivierung den Funktionszustand der Zellen bestimmt.
spannungsgesteuerte Kanäle.
Der potenziell kontrollierte Kanal besteht aus:
selektiver Filter;
Aktivierungs- und Inaktivierungstore;
Spannungssensor.
mit Wasser gefüllte Poren;
Der Kanaldurchmesser ist viel größer als der Ionendurchmesser; in der selektiven Filterzone verengt er sich auf atomare Dimensionen, wodurch sichergestellt wird, dass dieser Kanalabschnitt die Funktion eines selektiven Filters übernimmt.
Das Öffnen und Schließen des Tormechanismus erfolgt, wenn sich das Membranpotential ändert, und das Tor öffnet sich bei einem Wert des Membranpotentials und schließt bei einem anderen Niveau des Membranpotentials.
Es wird angenommen, dass die Änderung des elektrischen Feldes der Membran von einem speziellen Abschnitt der Kanalwand wahrgenommen wird, der als Spannungssensor bezeichnet wird.
Eine Zustandsänderung aufgrund einer Änderung des Membranpotentialniveaus führt zur Konformation der Proteinmoleküle, die den Kanal bilden, und führt dadurch zum Öffnen oder Schließen des Tors des Ionenkanals.
Kanäle (Natrium, Kalzium, Kalium) haben vier homologe Domänen – Untereinheiten (I, II, III, IV). Die Domäne (z. B. Natriumkanäle) besteht aus sechs in Form von a-Helices organisierten Transmembransegmenten, von denen jedes seine eigene Rolle spielt.
Somit spielt das Transmembransegment 5 die Rolle einer Pore, das Transmembransegment 4 ist ein Sensor, der auf Änderungen des Membranpotentials reagiert, und andere Transmembransegmente sind für die Aktivierung und Inaktivierung des Pfortaderkanalsystems verantwortlich. Bis zum Ende wurde die Rolle einzelner Transmembransegmente und Untereinheiten nicht untersucht.
In den Zellen erregbarer Gewebe sind Natriumkanäle (Innendurchmesser 0,55 nm) vorhanden. Die Dichte pro 1 µm 2 ist in verschiedenen Geweben nicht gleich.
In nicht myelinisierten Nervenfasern sind es also 50 bis 200 Kanäle und in myelinisierten Nervenfasern (Ranvier-Abschnitte) 13.000 pro 1 Mikrometer 2 Membranfläche. Im Ruhezustand sind sie geschlossen. Das Membranpotential beträgt 70-80 mV.
Die Einwirkung eines Reizes verändert das Membranpotential und aktiviert einen spannungsgesteuerten Natriumkanal.
Es wird aktiviert, wenn sich das Membranpotential vom Ruhepotentialniveau in Richtung des kritischen Depolarisationsniveaus verschiebt.
Ein starker Natriumstrom sorgt für eine Verschiebung des Membranpotentials auf ein kritisches Depolarisationsniveau (CDL).
Änderung des Membranpotentials bis zu -50-40 mV, d.h. auf das Niveau eines kritischen Depolarisationsniveaus, bewirkt die Öffnung anderer spannungsabhängiger Na + -Kanäle, durch die der ankommende Natriumstrom geleitet wird, der den „Peak“ des Aktionspotentials bildet.
Natriumionen bewegen sich entlang des Konzentrationsgradienten und des chemischen Gradienten durch den Kanal in die Zelle und bilden den sogenannten einströmenden Natriumstrom, der zu einer weiteren schnellen Entwicklung des Depolarisationsprozesses führt.
Das Membranpotential ändert das Vorzeichen in das Gegenteil von +10-20 mV. Ein positives Membranpotential führt dazu, dass sich Natriumkanäle schließen und inaktiviert werden.
Potentialabhängige Na+-Kanäle spielen eine führende Rolle bei der Bildung des Aktionspotentials, d.h. Erregungsprozess in der Zelle.
Calciumionen behindern die Öffnung spannungsgesteuerter Natriumkanäle, indem sie die Reaktionsparameter verändern.
ZU + -Kanäle
Kaliumkanäle (Innendurchmesser 0,30 nm) sind in Zytoplasmamembranen vorhanden, es wurde eine beträchtliche Anzahl von Kanälen für den „Austritt“ von Kalium aus der Zelle gefunden.
Im Ruhezustand sind sie offen. Durch sie „leckt“ Kalium im Ruhezustand entlang des Konzentrationsgradienten und des elektrochemischen Gradienten aus der Zelle.
Dieser Vorgang wird als ausgehender Kaliumstrom bezeichnet, der zur Bildung eines Membranruhepotentials (-70-80 mV) führt. Diese Kaliumkanäle können nur bedingt als spannungsabhängig eingestuft werden.
Wenn sich das Membranpotential während der Depolarisation ändert, wird der Kaliumstrom inaktiviert.
Bei der Repolarisation wird über spannungsabhängige Kanäle ein eingehender K+-Strom gebildet, der als K+-Strom mit verzögerter Gleichrichtung bezeichnet wird.
Eine andere Art von spannungsgesteuerten K + -Kanälen. An ihnen entlang entsteht im Unterschwellenbereich des Membranpotentials (positives Spurenpotential) ein schneller Kaliumstrom nach außen. Die Kanalinaktivierung erfolgt aufgrund einer Spurenhyperpolarisation.
Eine andere Art von spannungsgesteuerten Kaliumkanälen wird erst nach vorheriger Hyperpolarisierung aktiviert und bildet einen schnellen transienten Kaliumstrom, der schnell inaktiviert wird.
Calciumionen erleichtern die Öffnung spannungsgesteuerter Kaliumkanäle, indem sie die Reaktionsparameter verändern.
Sa + -Kanäle.
Potentialgesteuerte Kanäle leisten einen wesentlichen Beitrag sowohl zur Regulierung des Kalziumeintritts in das Zytoplasma als auch zur Elektrogenese.
Proteine, die Kalziumkanäle bilden, bestehen aus fünf Untereinheiten (al, a2, b, g, d).
Die Hauptuntereinheit al bildet den Kanal selbst und enthält Bindungsstellen für verschiedene Kalziumkanalmodulatoren.
In Nervenzellen von Säugetieren wurden mehrere strukturell unterschiedliche Calciumkanal-al-Untereinheiten gefunden (bezeichnet als A, B, C, D und E).
Funktionell unterscheiden sich verschiedene Arten von Kalziumkanälen in der Aktivierung, Kinetik, Einzelkanalleitfähigkeit und Pharmakologie.
Bis zu sechs Arten von spannungsgesteuerten Kalziumkanälen wurden in Zellen beschrieben (T-, L-, N-, P-, Q-, R-Kanäle).
Die Aktivität spannungsgesteuerter Plasmamembrankanäle wird durch verschiedene intrazelluläre Second Messenger und membrangebundene G-Proteine reguliert.
Spannungsgesteuerte Calciumkanäle kommen in großer Zahl in den Zytoplasmamembranen von Neuronen, Myozyten der glatten, quergestreiften und Herzmuskulatur sowie in den Membranen des endoplasmatischen Retikulums vor.
Ca 2+ -Kanäle des SPR sind oligomere Proteine, die in die SPR-Membran eingebettet sind.
Sa 2+ - kontrollierte Sa 2+ - SPR-Kanäle.
Diese Kalziumkanäle wurden zunächst aus Skelett- und Herzmuskeln isoliert.
Es stellte sich heraus, dass die Ca 2+ -Kanäle von SPR in diesen Muskelgeweben molekulare Unterschiede aufweisen und von unterschiedlichen Genen kodiert werden.
Ca 2+ -Kanäle der SPR in der Herzmuskulatur sind durch kalziumbindende Proteine direkt mit hochschwelligen Ca 2+ -Kanälen der Plasmamembran (L-Typ) verbunden und bilden so eine funktionell aktive Struktur – eine „Triade“.
In der Skelettmuskulatur aktiviert die Plasmalemma-Depolarisation direkt die Freisetzung von Ca 2+ aus dem endoplasmatischen Retikulum, da die Ca 2+-Kanäle der Plasmamembran als spannungsempfindliche Sender des Aktivierungssignals direkt an die Ca 2+-Kanäle dienen die SPR durch Bindung von Proteinen.
So verfügen Ca 2+ -Depots der Skelettmuskulatur über einen depolarisationsinduzierten Ca 2+-Freisetzungsmechanismus (RyRl-Typ).
Im Gegensatz zu Skelettmuskeln sind endoplasmatische Ca 2+-Kanäle von Kardiomyozyten nicht mit der Plasmamembran verbunden, und die Stimulierung der Ca 2+-Freisetzung aus dem Depot erfordert eine Erhöhung der Konzentration von zytosolischem Calcium (RyR2-Typ).
Zusätzlich zu diesen beiden Typen von Ca 2+ -aktivierten Ca 2h-Kanälen wurde kürzlich ein dritter Typ von Ca 2+ SPR-Kanälen (RyR3-Typ) identifiziert, der noch nicht ausreichend untersucht wurde.
Alle Kalziumkanäle zeichnen sich im Vergleich zu Natriumkanälen durch eine langsame Aktivierung und langsame Inaktivierung aus.
Bei der Depolarisation der Muskelzelle (Vorsprünge der Zytoplasmamembranen – T-Tubuli nähern sich den Membranen des endoplasmatischen Retikulums) kommt es zu einer spannungsabhängigen Öffnung der Kalziumkanäle der Membranen des Sarkoplasmatischen Retikulums.
Da einerseits die Calciumkonzentration im SPR hoch ist (Kalziumdepot) und die Calciumkonzentration im Zytoplasma niedrig ist, andererseits die Fläche der SPR-Membran und die Calciumdichte Die Kanäle darin sind groß, der Kalziumspiegel im Zytoplasma steigt um das Hundertfache.
Dieser Anstieg der Kalziumkonzentration löst den Kontraktionsprozess der Myofibrillen aus.
Calciumkanäle in Kardiomyozyten befinden sich in der Zytoplasmamembran und sind Calciumkanäle vom L-Typ.
Sie werden bei einem Membranpotential von +20-40 mV aktiviert und bilden einen ankommenden Kalziumstrom. Sie befinden sich lange Zeit in einem aktivierten Zustand und bilden ein „Plateau“ des Aktionspotentials der Kardiomyozyten.
Anionenkanäle.
Die größte Anzahl an Kanälen für Chlor in der Zellmembran. Im Vergleich zur interzellulären Umgebung gibt es in der Zelle weniger Chloridionen. Wenn sich die Kanäle öffnen, gelangt Chlor daher entlang des Konzentrationsgradienten und des elektrochemischen Gradienten in die Zelle.
Die Anzahl der Kanäle für HCO 3 ist nicht so groß, das Transportvolumen dieses Anions durch die Kanäle ist viel geringer.
Ionenaustauscher.
Die Membran enthält Ionenaustauscher (Trägerproteine), die eine erleichterte Diffusion von Ionen bewirken, d. h. beschleunigte gekoppelte Bewegung von Ionen durch die Biomembran entlang des Konzentrationsgradienten, solche Prozesse sind ATP-unabhängig.
Am bekanntesten sind Na + -H + -, K + -H + -, Ca 2+ -H + -Austauscher sowie Austauscher, die den Austausch von Kationen gegen Anionen Na + -HCO- 3, 2CI-Ca 2+ und Austauscher ermöglichen sorgen für den Austausch von Kation gegen Kation (Na + -Ca 2+) oder Anion pro Anion (Cl-HCO3).
Rezeptorgesteuerte Ionenkanäle.
Ligandengesteuerte (ligandengesteuerte) Ionenkanäle.
Ligandengesteuerte Ionenkanäle sind eine Unterart der rezeptorgesteuerten Kanäle und werden immer mit einem Rezeptor für eine biologisch aktive Substanz (BAS) kombiniert.
Die Rezeptoren der betrachteten Kanäle gehören zum ionotropen Typ der Membranrezeptoren, bei der Wechselwirkung mit biologisch aktiven Substanzen (Liganden) kommt es zu schnellen Reaktionen.
Ein ligandengesteuerter Ionenkanal besteht aus:
mit Wasser gefüllte Poren;
selektiver Filter;
Aktivierungstor;
Ligandenbindungsstelle (Rezeptor). Hochenergetisch aktives BAS hat eine hohe Wirkung
Affinität (Affinität) für einen bestimmten Rezeptortyp. Wenn Ionenkanäle aktiviert werden, bewegen sich bestimmte Ionen entlang eines Konzentrationsgradienten und eines elektrochemischen Gradienten.
Bei einem Membranrezeptor kann die Ligandenbindungsstelle für den Liganden von der äußeren Oberfläche der Membran aus zugänglich sein.
In diesem Fall fungieren Hormone und Parahormone sowie Ionen als Ligand.
Wenn also N-cholinerge Rezeptoren aktiviert werden, werden Natriumkanäle aktiviert.
Die Calciumpermeabilität wird durch neuronale Acetylcholin-gesteuerte, Glutamat-gesteuerte (NMDA- und AMPA/Kainat-Typen) Rezeptoren und Purinrezeptoren initiiert.
GABA A-Rezeptoren sind an ionische Chloridkanäle gekoppelt, und Glycinrezeptoren sind ebenfalls an Chloridkanäle gekoppelt.
In einem Membranrezeptor kann die Ligandenbindungsstelle für Liganden von der inneren Oberfläche der Membran aus zugänglich sein.
Dabei fungieren durch Second Messenger aktivierte Proteinkinasen oder die Second Messenger selbst als Liganden.
So verändern die Proteinkinasen A, C, G durch Phosphorylierung von Kationenkanalproteinen ihre Permeabilität.
Mechanisch gesteuerte Ionenkanäle.
Mechanisch gesteuerte Ionenkanäle ändern ihre Leitfähigkeit für Ionen entweder durch Veränderung der Spannung der Bilipidschicht oder durch das Zytoskelett der Zelle. Viele mechanisch gesteuerte Kanäle sind mit Mechanorezeptoren verbunden; sie kommen in Hörzellen, Muskelspindeln und Gefäßendothel vor.
Alle mechanisch gesteuerten Kanäle sind in zwei Gruppen unterteilt:
Dehnungsaktivierte Zellen (SAC);
streckinaktivierte Zellen (SIC).
Mechanisch gesteuerte Kanäle verfügen über alle wesentlichen Kanalfunktionen:
mit Wasser gefüllte Pore;
Tormechanismus;
Dehnungssensor.
Wenn der Kanal aktiviert ist, bewegen sich Ionen entlang des Konzentrationsgradienten.
Natrium-, Kalium-ATPase.
Natrium-Kalium-ATPase (Natrium-Kalium-Pumpe, Natrium-Kalium-Pumpe).
Besteht aus vier Transmembrandomänen: zwei α-Untereinheiten und zwei β-Untereinheiten. Die α-Untereinheit ist eine große Domäne und die β-Untereinheit ist eine kleine. Beim Ionentransport werden große Untereinheiten phosphoryliert und Ionen bewegen sich durch sie hindurch.
Natrium-Kalium-ATPase spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Natrium- und Kaliumhomöostase in der intra- und extrazellulären Umgebung:
hält einen hohen K+-Spiegel und einen niedrigen Na+-Spiegel in der Zelle aufrecht;
beteiligt sich an der Bildung des Ruhemembranpotentials, an der Erzeugung des Aktionspotentials;
sorgt für den Na + -konjugierten Transport der meisten organischen Substanzen durch die Membran (sekundärer aktiver Transport);
beeinflusst die Homöostase von H 2 O erheblich.
Natrium, Kalium-ATPase, leistet den wichtigsten Beitrag zur Bildung ionischer Asymmetrie in extra- und intrazellulären Räumen.
Die stufenweise Arbeit der Natrium-Kalium-Pumpe sorgt für einen nicht äquivalenten Austausch von Kalium und Natrium über die Membran.
Sa + -ATPase (Pumpe).
Es gibt zwei Familien von Ca 2+-Pumpen, die für die Eliminierung von Ca 2+-Ionen aus dem Zytoplasma verantwortlich sind: die Ca 2+-Pumpen der Plasmamembran und die Ca 2+-Pumpen des endoplasmatischen Retikulums.
Obwohl sie zur gleichen Familie von Proteinen gehören (der sogenannten P-Klasse der ATPasen), weisen diese Pumpen einige Unterschiede in Struktur, funktioneller Aktivität und Pharmakologie auf.
Es kommt in großen Mengen in der Zytoplasmamembran vor. Im Zytoplasma der ruhenden Zelle beträgt die Calciumkonzentration 10-7 mol/l, außerhalb der Zelle deutlich mehr -10-3 mol/l.
Ein solch signifikanter Konzentrationsunterschied bleibt aufgrund der Arbeit der zytoplasmatischen Ca ++ -ATPase bestehen.
Die Aktivität der Ca 2+ -Pumpe der Plasmamembran wird direkt durch Ca 2+ gesteuert: Eine Erhöhung der Konzentration an freiem Calcium im Zytosol aktiviert die Ca 2+ -Pumpe.
Im Ruhezustand findet nahezu keine Diffusion durch Calciumionenkanäle statt.
Ca-ATPase transportiert Ca entgegen seinem Konzentrationsgradienten von der Zelle in die extrazelluläre Umgebung. Entlang des Gradienten gelangt Ca+ durch Diffusion durch Ionenkanäle in die Zelle.
Die Membran des endoplasmatischen Retikulums enthält außerdem eine große Menge Ca++-ATPase.
Die Kalziumpumpe des endoplasmatischen Retikulums (SERCA) sorgt für den Abtransport von Kalzium aus dem Zytosol in das endoplasmatische Retikulum – „Kalziumdepot“ aufgrund des primären aktiven Transports.
Im Depot bindet Calcium an Calcium-bindende Proteine (Calsequestrin, Calreticulin etc.).
Bisher wurden mindestens drei verschiedene Isoformen von SERCA-Pumpen beschrieben.
Der SERCA1-Subtyp ist ausschließlich in schnellen Skelettmuskeln konzentriert, während die SERCA2-Pumpen in anderen Geweben weit verbreitet sind. Die Bedeutung der SERCA3-Pumpen ist weniger klar.
SERCA2-nacos-Proteine werden in zwei verschiedene Isoformen unterteilt: SERCA2a, charakteristisch für Kardiomyozyten und glatte Muskeln, und SERCA2b, charakteristisch für Gehirngewebe.
Ein Anstieg von Ca 2+ im Zytosol aktiviert die Aufnahme von Calciumionen in das endoplasmatische Retikulum, während ein Anstieg von freiem Calcium im endoplasmatischen Retikulum die SERCA-Pumpen hemmt.
H + K + -ATPase (Pumpe).
Mit Hilfe dieser Pumpe (infolge der Hydrolyse eines ATP-Moleküls) in den Auskleidungszellen (Belegzellen) der Magenschleimhaut werden zwei Kaliumionen aus dem Extrazellulärraum zur Zelle und zwei H + -Ionen aus dem Zytosol transportiert in den extrazellulären Raum während der Hydrolyse eines Moleküls. Dieser Mechanismus liegt der Bildung von Salzsäure im Magen zugrunde.
IonenpumpenqualitätF.
Mitochondriale ATPase. Katalysiert den letzten Schritt der ATP-Synthese. Mitochondriale Krypten enthalten ATP-Synthase, die die Oxidation im Krebszyklus und die ADP-Phosphorylierung an ATP koppelt.
Klasse „Ionenpumpe“.V.
Lysosomale H + -ATPase (lysosomale Protonenpumpen) – Protonenpumpen, die den Transport von H + vom Zytosol zu einer Reihe von Lysosomenorganellen, dem Golgi-Apparat und sekretorischen Vesikeln ermöglichen. Dadurch sinkt der pH-Wert beispielsweise in Lysosomen auf 5,0, was die Aktivität dieser Strukturen optimiert.
Merkmale des Ionentransports
1. Signifikante und asymmetrische Transmembran! Gradient für Na+ und K+ im Ruhezustand.
Natrium außerhalb der Zelle (145 mmol/l) ist zehnmal höher als in der Zelle (14 mmol/l).
In der Zelle befindet sich etwa 30-mal mehr Kalium (140 mmol/l) als außerhalb der Zelle (4 mmol/l).
Dieses Merkmal der Verteilung von Natrium- und Kaliumionen:
homöostatisch durch die Arbeit von Na + /K + -nacoca;
bildet im Ruhezustand den ausgehenden Kaliumstrom (Leckagekanal);
erzeugt Ruhepotential;
Die Arbeit etwaiger Kaliumkanäle (spannungsabhängig, kalziumabhängig, ligandenabhängig) zielt auf die Bildung des ausgehenden Kaliumstroms ab.
Dadurch wird entweder der Zustand der Membran auf sein ursprüngliches Niveau zurückgeführt (Aktivierung spannungsabhängiger Kanäle in der Repolarisationsphase) oder die Membran wird hyperpolarisiert (kalziumabhängige, ligandenabhängige Kanäle, einschließlich solcher, die durch Systeme zweiter Mediatoren aktiviert werden).
Es ist zu beachten, dass:
die Bewegung von Kalium durch die Membran erfolgt durch passiven Transport;
die Bildung einer Erregung (Aktionspotential) ist immer auf den einströmenden Natriumstrom zurückzuführen;
Die Aktivierung aller Natriumkanäle führt immer zu einem nach innen gerichteten Natriumstrom.
die Bewegung von Natrium durch die Membran erfolgt fast immer durch passiven Transport;
In Epithelzellen, die eine Wand aus verschiedenen Röhren und Hohlräumen in Geweben (Dünndarm, Nephron-Tubuli usw.) bilden, gibt es in der äußeren Membran immer eine große Anzahl von Natriumkanälen, die bei Aktivierung einen eingehenden Natriumstrom bereitstellen, und in der Basalmembran – eine große Anzahl von Natrium- und Kaliumpumpen, die Natrium aus der Zelle pumpen. Eine solche asymmetrische Verteilung dieser Transportsysteme für Natrium gewährleistet dessen transzellulären Transport, d.h. vom Darmlumen über die Nierentubuli in die innere Umgebung des Körpers;
Der passive Transport von Natrium in die Zelle entlang des elektrochemischen Gradienten führt zur Ansammlung von Energie, die für den sekundären aktiven Transport vieler Stoffe genutzt wird.
2. Niedriger Kalziumspiegel im Zytosol der Zelle.
In der ruhenden Zelle ist der Calciumgehalt (50 nmol/l) 5000-mal niedriger als außerhalb der Zelle (2,5 mmol/l).
Ein solch niedriger Kalziumspiegel im Zytosol ist kein Zufall, da Kalzium in Konzentrationen, die 10–100 Mal höher sind als die ursprüngliche, als zweiter intrazellulärer Mediator bei der Signalrealisierung fungiert.
Unter solchen Bedingungen ist ein schneller Anstieg des Kalziums im Zytosol durch die Aktivierung von Kalziumkanälen (erleichterte Diffusion) möglich, die in großen Mengen in der Zytoplasmamembran und in der Membran des endoplasmatischen Retikulums (endoplasmatisches Retikulum – „Depot“) vorhanden sind " von Kalzium in der Zelle).
Die Bildung von Calciumflüssen, die durch die Öffnung von Kanälen entsteht, sorgt für einen physiologisch signifikanten Anstieg der Calciumkonzentration im Zytosol.
Der niedrige Kalziumspiegel im Zytosol der Zelle wird durch Ca 2+ -ATPase, Na + /Ca 2+ -Austauscher und kalziumbindende Proteine des Zytosols aufrechterhalten.
Zusätzlich zur schnellen Bindung von zytosolischem Ca 2+ durch intrazelluläre Ca 2+ -bindende Proteine können in das Zytosol gelangende Calciumionen vom Golgi-Apparat oder dem Zellkern akkumuliert und von mitochondrialen Ca 2+-Depots eingefangen werden.
3. Niedriger Chlorgehalt in der Zelle.
In der ruhenden Zelle ist der Chlorgehalt (8 mmol/l) mehr als zehnmal niedriger als außerhalb der Zelle (110 mmol/l).
Dieser Zustand wird durch den Betrieb des K + /Cl- -Transporters aufrechterhalten.
Die Änderung des Funktionszustands der Zelle ist mit einer Änderung der Permeabilität der Membran für Chlor verbunden (oder verursacht). Bei Aktivierung spannungs- und ligandengesteuerter Chloridkanäle gelangt das Ion durch passiven Transport über den Kanal in das Zytosol.
Darüber hinaus erfolgt der Eintrag von Chlor in das Zytosol über den Na+/K+/2CH-Cotransporter und den CG-HCO3-Austauscher.
Durch den Eintritt von Chlor in die Zelle erhöht sich die Polarität der Membran bis hin zur Hyperpolarisation.
Merkmale des Ionentransports spielen eine grundlegende Rolle bei der Entstehung bioelektrischer Phänomene in Organen und Geweben, die Informationen kodieren, den Funktionszustand dieser Strukturen und ihren Übergang von einem Funktionszustand in einen anderen bestimmen.
Das Modell der erregbaren Membran nach der Hodgkin-Huxley-Theorie geht von einem regulierten Transport von Ionen durch die Membran aus. Der direkte Übergang des Ions durch die Lipiddoppelschicht ist jedoch sehr schwierig und daher wäre auch der Ionenfluss gering.
Diese und eine Reihe anderer Überlegungen gaben Anlass zu der Annahme, dass die Membran einige spezielle Strukturen enthalten muss – leitende Ionen. Solche Strukturen wurden gefunden und als Ionenkanäle bezeichnet. Ähnliche Kanäle wurden aus verschiedenen Objekten isoliert: der Plasmamembran von Zellen, der postsynaptischen Membran von Muskelzellen und anderen Objekten. Bekannt sind auch durch Antibiotika gebildete Ionenkanäle.
Haupteigenschaften von Ionenkanälen:
1) Selektivität;
2) Unabhängigkeit des Betriebs einzelner Kanäle;
3) diskreter Charakter der Leitfähigkeit;
4) Abhängigkeit der Kanalparameter vom Membranpotential.
Betrachten wir sie der Reihe nach.
1. Selektivität ist die Fähigkeit von Ionenkanälen, Ionen eines beliebigen Typs selektiv durchzulassen.
Schon in den ersten Experimenten am Tintenfisch-Axon wurde festgestellt, dass Na+- und Km-Ionen unterschiedliche Auswirkungen auf das Membranpotential haben. K+-Ionen verändern das Ruhepotential und Na+-Ionen verändern das Aktionspotential. Im Hodgkin-Huxley-Modell wird dies durch die Einführung unabhängiger Kalium- und Natriumionenkanäle beschrieben. Es wurde angenommen, dass Ersterer nur K+-Ionen durchlässt, Letzterer nur Na+-Ionen.
Messungen haben gezeigt, dass Ionenkanäle eine absolute Selektivität gegenüber Kationen (kationenselektive Kanäle) oder Anionen (anionenselektive Kanäle) aufweisen. Gleichzeitig können verschiedene Kationen verschiedener chemischer Elemente durch die kationenselektiven Kanäle gelangen, jedoch ist die Leitfähigkeit der Membran für ein kleineres Ion und damit der Strom durch sie beispielsweise deutlich geringer Na + -Kanal, der Kaliumstrom durch ihn wird 20-mal geringer sein. Die Fähigkeit eines Ionenkanals, verschiedene Ionen durchzulassen, wird als relative Selektivität bezeichnet und durch eine Selektivitätsreihe charakterisiert – das Verhältnis der Kanalleitfähigkeiten für verschiedene Ionen bei gleicher Konzentration. In diesem Fall wird für das Hauption die Selektivität als 1 angenommen. Für den Na + -Kanal hat diese Reihe beispielsweise die Form:
Na + : K + = 1: 0,05.
2. Unabhängigkeit einzelner Kanäle. Der Stromdurchgang durch einen einzelnen Ionenkanal ist unabhängig davon, ob Strom durch andere Kanäle fließt. Beispielsweise können K+-Kanäle ein- oder ausgeschaltet werden, der Strom durch die Na+-Kanäle ändert sich jedoch nicht. Die gegenseitige Beeinflussung von Kanälen erfolgt indirekt: Eine Änderung der Permeabilität beliebiger Kanäle (z. B. Natrium) verändert das Membranpotential und beeinflusst bereits die Leitfähigkeiten anderer Ionenkanäle.
3. Diskrete Natur der Leitung von Ionenkanälen. Ionenkanäle sind ein Untereinheitskomplex von Proteinen, der die Membran durchdringt. In seiner Mitte befindet sich eine Röhre, durch die Ionen passieren können. Die Anzahl der Ionenkanäle pro 1 μm 2 Membranoberfläche wurde mit einem radioaktiv markierten Natriumkanalblocker – Tetrodotoxin – bestimmt. Es ist bekannt, dass ein TTX-Molekül nur an einen Kanal bindet. Durch die Messung der Radioaktivität einer Probe mit bekannter Fläche konnte dann gezeigt werden, dass pro 1 μm 2 des Tintenfischaxons etwa 500 Natriumkanäle vorhanden sind.
Diejenigen Transmembranströme, die in herkömmlichen Experimenten beispielsweise an einem Tintenfischaxon von 1 cm Länge und 1 mm Durchmesser, also mit einer Fläche von 3 * 10 7 μm 2, gemessen werden, sind auf eine Gesamtreaktion (Änderung) zurückzuführen in Leitfähigkeit) von 500 3 10 7 -10 10 Ionenkanälen. Eine solche Reaktion ist durch eine allmähliche Änderung der Leitfähigkeit im Laufe der Zeit gekennzeichnet. Die Reaktion eines einzelnen Ionenkanals ändert sich im Laufe der Zeit auf grundlegend andere Weise: diskret für beide Na+-Kanäle, K+- und Ca 2+-Kanäle.
Dies wurde erstmals 1962 bei Studien zur Leitfähigkeit von Lipiddoppelschichtmembranen (BLMs) entdeckt, als der die Membran umgebenden Lösung Mikromengen einer Substanz zugesetzt wurden, die eine Anregung auslöste. An den BLM wurde eine konstante Spannung angelegt und der Strom I(t) aufgezeichnet. Die zeitliche Aufzeichnung des Stroms erfolgte in Form von Sprüngen zwischen zwei leitenden Zuständen.
Einer von wirksame Methoden Eine experimentelle Untersuchung von Ionenkanälen war die in den 1980er Jahren entwickelte Methode zur lokalen Fixierung des Membranpotentials („Patch Clamp“) (Abb. 10).
Reis. 10. Methode zur lokalen Fixierung des Membranpotentials. ME – Mikroelektrode, IR – Ionenkanal, M – Zellmembran, SFP – Potentialklemmschaltung, I – Einzelkanalstrom
Der Kern der Methode besteht darin, dass die ME-Mikroelektrode (Abb. 10) mit einem dünnen Ende mit einem Durchmesser von 0,5–1 μm so an die Membran gesaugt wird, dass in ihren Innendurchmesser ein Ionenkanal eintritt. Mit der Potentialklemmschaltung ist es dann möglich, Ströme zu messen, die nur durch einen einzigen Kanal der Membran fließen und nicht wie bei der Verwendung durch alle Kanäle gleichzeitig Standardmethode Befestigungspotenzial.
Die Ergebnisse von Experimenten, die an verschiedenen Ionenkanälen durchgeführt wurden, zeigten, dass die Leitfähigkeit des Ionenkanals diskret ist und sich in zwei Zuständen befinden kann: offen oder geschlossen. Übergänge zwischen Zuständen erfolgen zu zufälligen Zeiten und gehorchen statistischen Mustern. Es kann nicht gesagt werden, dass sich dieser Ionenkanal genau zu diesem Zeitpunkt öffnet. Man kann nur eine Aussage über die Wahrscheinlichkeit treffen, einen Kanal in einem bestimmten Zeitintervall zu öffnen.
4. Abhängigkeit der Kanalparameter vom Membranpotential. Die Ionenkanäle von Nervenfasern reagieren empfindlich auf das Membranpotential, beispielsweise die Natrium- und Kaliumkanäle des Tintenfischaxons. Dies äußert sich darin, dass sich nach Beginn der Membrandepolarisation die entsprechenden Ströme mit der einen oder anderen Kinetik zu ändern beginnen. Dieser Prozess läuft wie folgt ab: Der ionenselektive Kanal verfügt über einen Sensor – ein Element seiner Konstruktion, das empfindlich auf die Wirkung eines elektrischen Feldes reagiert (Abb. 11). Wenn sich das Membranpotential ändert, ändert sich auch die Größe der auf ihn wirkenden Kraft. Dadurch bewegt sich dieser Teil des Ionenkanals und ändert die Wahrscheinlichkeit, das Tor zu öffnen oder zu schließen – eine Art Dämpfer, der entsprechend dem All-oder- nichts Gesetz. Es wurde experimentell gezeigt, dass unter Einwirkung der Membrandepolarisation die Wahrscheinlichkeit des Übergangs des Natriumkanals in den leitenden Zustand zunimmt. Der Spannungssprung an der Membran, der bei Messungen durch die Methode der Potentialklemmung entsteht, führt dazu, dass sich eine große Anzahl von Kanälen öffnet. Durch sie fließen mehr Ladungen, was bedeutet, dass im Durchschnitt mehr Strom fließt. Es ist wichtig, dass der Wachstumsprozess der Kanalleitfähigkeit durch die Erhöhung der Wahrscheinlichkeit des Kanalübergangs in den offenen Zustand bestimmt wird und nicht durch die Vergrößerung des Durchmessers des offenen Kanals. Dies ist die moderne Idee des Mechanismus des Stromdurchgangs durch einen einzelnen Kanal.
Durch die Summierung vieler Sprungströme, die durch einzelne Kanäle fließen, werden glatte kinetische Stromkurven erhalten, die bei elektrischen Messungen an großen Membranen aufgezeichnet wurden. Ihre Summierung reduziert, wie oben gezeigt, die Schwankungen stark und ergibt ziemlich glatte Zeitabhängigkeiten des Transmembranstroms.
Ionenkanäle können auf andere empfindlich reagieren körperliche Einwirkung: mechanische Verformung, chemische Bindung usw. In diesem Fall sind sie die strukturelle Basis von Mechanorezeptoren, Chemorezeptoren usw.
Die Untersuchung von Ionenkanälen in Membranen ist eine der wichtigen Aufgaben der modernen Biophysik.
Struktur des Ionenkanals.
Der ionenselektive Kanal besteht aus den folgenden Teilen (Abb. 11): einem Proteinteil, der in die Doppelschicht eingetaucht ist und eine Untereinheitsstruktur aufweist; ein selektiver Filter, der aus negativ geladenen Sauerstoffatomen besteht, die in einem bestimmten Abstand voneinander starr angeordnet sind und Ionen nur eines bestimmten Durchmessers durchlassen; Torteil.
Die Tore des Ionenkanals werden durch das Membranpotential gesteuert und können entweder im geschlossenen Zustand (gestrichelte Linie) oder im offenen Zustand (durchgezogene Linie) sein. Die normale Position des Natriumkanaltors ist geschlossen. Unter Einwirkung eines elektrischen Feldes steigt die Wahrscheinlichkeit eines offenen Zustands, das Tor öffnet sich und der Strom hydratisierter Ionen erhält die Möglichkeit, den selektiven Filter zu passieren.
Passt das Ion im Durchmesser, dann wirft es die Hydratationshülle ab und springt auf die andere Seite des Ionenkanals. Wenn das Ion einen zu großen Durchmesser hat, wie zum Beispiel Tetraethylammonium, kann es den Filter nicht passieren und die Membran nicht passieren. Wenn das Ion hingegen zu klein ist, hat es Schwierigkeiten beim selektiven Filter, was diesmal mit der Schwierigkeit verbunden ist, die Hydratationshülle des Ions zu entfernen.
Ionenkanalblocker können ihn entweder nicht passieren und bleiben im Filter stecken, oder sie passen sich, wenn es sich um große Moleküle wie TTX handelt, sterisch an jeden Kanaleingang an. Da Blocker eine positive Ladung tragen, wird ihr geladener Teil als gewöhnliches Kation in den Kanal zum selektiven Filter gezogen und vom Makromolekül verstopft.
So werden Veränderungen der elektrischen Eigenschaften erregbarer Biomembranen mithilfe von Ionenkanälen durchgeführt. Hierbei handelt es sich um Proteinmakromoleküle, die die Lipiddoppelschicht durchdringen und in mehreren diskreten Zuständen vorliegen können. Die Eigenschaften von Kanälen, die für K + -, Na + - und Ca 2+ -Ionen selektiv sind, können unterschiedlich vom Membranpotential abhängen, das die Dynamik des Aktionspotentials in der Membran bestimmt, sowie von Unterschieden dieser Potentiale in den Membranen verschiedener Zellen.
Reis. 11. Schema der Struktur des Natriumionenkanals der Membran im Kontext
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