Typer ionekanaler. ionekanaler. Potensielle uavhengige natriumkanaler
Siste oppdatering: 28/10/2013
Den andre artikkelen i serien Fundamentals of Human and Animal Physiology. Vi vil snakke om mekanismen for handlingspotensialdannelse - grunnlaget for enhver bevegelse.
Eksiterbare celler (som i en eller annen grad er alle celler i dyrets kropp) i hvile har et overskudd av negativ ladning, som dannes. Hvis cellen utsettes for ytre stimulering, går den inn i en eksitert tilstand og genererer et annet potensial – aksjonspotensialet.
Denne prosessen implementeres av et system av ionekanaler i cellemembranen, som regulerer konsentrasjonen av elektrisk ladede partikler - ioner. Alle kanaler, uavhengig av spesialisering, styres av visse krefter. Dette kan være en endring i potensialet på cellemembranen - ved spenningsavhengige kanaler, en økning i konsentrasjonen av visse aktive stoffer - for ligandavhengige, eller membranstrekking - for mekanisk styrte kanaler.
Kanaler er spesifikke proteiner innebygd i membranen. Hver type kanal lar visse ioner passere gjennom. Dette er et passivt transportsystem: ioner passerer gjennom dem på grunn av diffusjon, og kanalene kontrollerer ganske enkelt konsentrasjonen av passerende partikler, regulerer membranpermeabiliteten for dem.
I dannelsen av aksjonspotensialet, så vel som hvilepotensialet, deltar hovedsakelig natrium- og kaliumioner.
Natriumkanaler har en ganske enkel struktur: det er et protein av tre forskjellige underenheter som danner en porelignende struktur - det vil si et rør med et indre lumen. Kanalen kan være i tre tilstander: lukket, åpen og inaktivert (lukket og ikke-eksiterbar). Dette sikres ved lokalisering av negative og positive ladninger i selve proteinet; disse ladningene tiltrekkes av de motsatte som eksisterer på membranen, og dermed åpnes og lukkes kanalen når tilstanden til membranen endres. Når den er åpen, kan natriumioner fritt passere gjennom den inn i cellen langs konsentrasjonsgradienten. Dette er et veldig kort øyeblikk - bokstavelig talt brøkdeler av et millisekund.
Kaliumkanaler er enda enklere: de er separate underenheter som har en trapesformet form i sammenhengen; de er plassert nesten nær hverandre, men det er alltid et gap mellom dem. Kaliumkanaler lukkes ikke helt; i hvile forlater kalium fritt cytoplasmaet (langs konsentrasjonsgradienten).
Både natrium- og kaliumkanaler er spenningsavhengige - de fungerer avhengig av endringer elektrisk potensial membraner.
Under dannelsen av aksjonspotensialet oppstår en skarp kortsiktig oppladning av membranen. Dette leveres av flere sekvensielle prosesser.
For det første, under påvirkning av en ekstern stimulans (f.eks. elektrisk strøm) membranen depolariseres - det vil si at ladningene fra dens forskjellige sider endres til motsatte (inne i cellen blir ladningen positiv, utenfor - til negativ). Dette er et signal for åpning av natriumkanaler, hvorav det er et stort antall på overflaten av en membran - det kan være opptil 12 tusen. Øyeblikket da kanalene begynner å åpne seg kalles det kritiske nivået av depolarisering. Strømmen som produserer denne kritiske depolarisasjonen kalles terskelstrømmen.
Interessant nok endrer ikke det å øke strømmen etter at terskelen er nådd egenskapene til det resulterende aksjonspotensialet. Det som betyr noe for å åpne kanalene er ikke amplituden til strømmen, men mengden energi som mottas av membranen - "mengden av elektrisitet". Dette mønsteret kalles «alt eller ingenting» – enten er det en fullverdig respons på irritasjon med dens verdi fra terskelen og over, eller så er det ikke noe svar i det hele tatt hvis irritasjonen ikke har nådd terskelverdien. I dette tilfellet bestemmes verdien av terskelverdien av varigheten av den tilførte stimuleringen.
Denne loven er gyldig, men bare innenfor en enkelt celle. Hvis vi for eksempel tar en nerve som er sammensatt av et stort antall forskjellige aksoner, vil amplituden også ha betydning, fordi vi vil se en respons på irritasjon først når kanalene aktiveres i alle cellene - altså med en større totalverdi av terskelstrømmen.
Etter åpningen av kanalene begynner natrium å komme inn i cellen, og strømmen overstiger betydelig strømmen av kalium som forlater gradienten. Dette betyr at membranens permeabilitet for natrium blir større enn for kalium. På et tidspunkt åpner nesten alle natriumkanaler seg. Dette skjer som et snøskred: fra punktet der stimulansen kom, i begge retninger. Dermed stiger konsentrasjonen av natrium i cellen kraftig.
Etter det skal ionekonsentrasjonene gå tilbake til de opprinnelige. Dette gir en så vanlig egenskap for kanaler som refraktæritet: en kanal som har fungert er inaktiv i noen tid etter det og kan ikke eksiteres under virkningen av en irriterende stimulans.
Natriumkanaler i øyeblikket med maksimal respons på irritasjon blir ildfaste, natriumpermeabiliteten synker kraftig. Kaliumkanaler, tvert imot, begynner å fungere aktivt, og strømmen av kalium fra cellen øker. Dermed forlater et overskudd av positivt ladede ioner cellen og det opprinnelige hvilepotensialet gjenopprettes. Denne tidsperioden, inntil natriumkanalene og det opprinnelige potensialet er gjenopprettet (dette kan ta omtrent et millisekund), er ikke cellen i stand til å eksitere.
Siden cellenes evne til å begeistre sikrer funksjonen til kroppen som helhet og muligheten for sentral kontroll over alle kroppens celler, er giftstoffer som blokkerer kanaler blant de farligste for mennesker og mange dyr.
En av de mest fryktede kanalblokkerne er tetrodotoksin, et stoff som produseres av puffer. For ham er verdien av LD50 (50% dødsnivå - dosen som 50 mennesker av hundre vil dø fra) 10 milligram per kilo vekt, det vil si omtrent tusen ganger mindre enn for cyanid. Molekylene binder seg tett til natriumkanalproteinet når det er lukket og blokkerer fullstendig muligheten for et aksjonspotensial. Noen alger produserer lignende giftstoffer. Skorpiongift, tvert imot, holder alle kanalene i en permanent åpen tilstand.
Vel, ok, en skorpion, men hvorfor et så forferdelig våpen for alger er et mysterium.
Har du noe å si? Legg igjen en kommentar!.
Egenskaper til ionekanaler
Selektivitet er den selektivt økte permeabiliteten til IR for visse ioner. For andre ioner er permeabiliteten redusert. Slik selektivitet bestemmes av det selektive filteret - det smaleste punktet i kanalporen. Filteret kan i tillegg til smale dimensjoner også ha en lokal elektrisk ladning. For eksempel har kationselektive kanaler vanligvis negativt ladede aminosyrerester i proteinmolekylet i området til deres selektive filter, som tiltrekker positive kationer og frastøter negative anioner, og hindrer dem i å passere gjennom poren.
Kontrollert permeabilitet er evnen til IC-en til å åpne eller lukke under visse kontrollhandlinger på kanalen. En lukket kanal har redusert permeabilitet, og en åpen kanal har en økt. I henhold til denne egenskapen kan IC-er klassifiseres avhengig av metodene for oppdagelsen deres: for eksempel potensialaktivert, ligandaktivert, etc.
Inaktivering er evnen til IC-er til automatisk å senke permeabiliteten en tid etter åpningen, selv om aktiveringsfaktoren som åpnet dem fortsetter å fungere. Rask inaktivering er en spesiell prosess med sin egen spesifikke mekanisme, forskjellig fra langsom kanallukking (langsom inaktivering). Lukking (langsom inaktivering) av kanalen skjer på grunn av prosesser som er motsatte av prosessene som sikret dens åpning, dvs. ved å endre konformasjonen til kanalproteinet. Men for eksempel i spenningsaktiverte kanaler skjer rask inaktivering ved hjelp av en spesiell molekylær plugg, som ligner en plugg på en kjede, som vanligvis brukes i bad. Denne pluggen er en aminosyresløyfe (polypeptid) med en fortykkelse i enden i form av tre aminosyrer, som lukker den indre munnen av kanalen fra siden av cytoplasmaet. Det er grunnen til at spenningsavhengige IC-er for natrium, som sikrer utvikling av et aksjonspotensial og bevegelse av en nerveimpuls, kan slippe natriumioner inn i cellen bare i noen få millisekunder, og deretter lukkes de automatisk av deres molekylære plugger, til tross for at depolariseringen som åpner dem fortsetter å virke. En annen mekanisme for CI-inaktivering kan være modifisering av den intracellulære munnen til kanalen med ytterligere underenheter.
Blokkering er evnen til IR under påvirkning av blokkerende stoffer til å fikse en av tilstandene og ikke reagere på vanlige kontrollhandlinger. I denne tilstanden slutter kanalen ganske enkelt å svare på kontrollhandlinger. Blokkering er forårsaket av blokkerende stoffer, som kan kalles antagonister, blokkere eller lytika. Antagonister er stoffer som forhindrer den aktiverende virkningen av andre stoffer på IC. Slike stoffer er i stand til å binde seg godt til IR-reseptorstedet, men er ikke i stand til å endre tilstanden til kanalen og forårsake dens respons. Det viser seg blokkeringen av reseptoren og, sammen med den, blokkeringen av IR. Det skal huskes at antagonister ikke nødvendigvis forårsaker fullstendig blokkering av reseptoren og dens IR, de kan virke svakere og kun hemme (undertrykke) kanalen, men ikke stoppe den helt Agonist-antagonister er stoffer som har en svak stimulerende effekt på reseptoren, men samtidig blokkere virkningen av naturlige endogene kontrollstoffer. Blokkere er stoffer som forhindrer driften av ionekanalen, for eksempel interaksjonen av en mediator med en molekylær reseptor for den, og derfor forstyrrer kanalkontrollen og blokkerer den. For eksempel blokkeres virkningen av acetylkolin av antikolinergika; noradrenalin med adrenalin - blokkere; histamin - histaminblokkere osv. Mange blokkere brukes til terapeutiske formål som medikamenter. Lytika er de samme blokkere, begrepet er eldre og brukes som et synonym for en blokker: antikolinerg, adrenolytisk, etc.
Plastisitet er evnen til en IC til å endre dens egenskaper, dens egenskaper. Den vanligste mekanismen som gir plastisitet er fosforylering av aminosyrene til kanalproteiner fra innsiden av membranen ved hjelp av proteinkinase-enzymer. Fosforrester fra ATP eller GTP festes til kanalproteiner – og kanalen endrer sine egenskaper. For eksempel er den festet i en permanent lukket tilstand, eller omvendt i en åpen tilstand.
12. Ionekanaler...
Ionekanalen består av flere underenheter, deres antall i en enkelt ionekanal varierer fra 3 til 12 underenheter. Ved sin organisasjon kan underenhetene som er inkludert i kanalen være homologe (av samme type), et antall kanaler dannes av underenheter av forskjellige typer.
Hver av underenhetene består av flere (tre eller flere) transmembransegmenter (ikke-polare deler vridd i α-helikser), av ekstra- og intracellulære løkker og terminalseksjoner av domener (representert av polare områder av molekyler som danner et domene og stikker ut utover bilipidlaget av membranen).
Hvert av transmembransegmentene, ekstra- og intracellulære løkker og terminale seksjoner av domener utfører sin egen funksjon.
Dermed bestemmer transmembransegmentet 2, organisert i form av en a-helix, selektiviteten til kanalen.
De terminale områdene i domenet fungerer som sensorer for ekstra- og intracellulære ligander, og et av transmembransegmentene spiller rollen som en spenningsavhengig sensor.
De tredje transmembransegmentene i underenheten er ansvarlige for driften av portalkanalsystemet, etc.
Ionekanaler fungerer ved hjelp av mekanismen for tilrettelagt diffusjon. Når kanalene aktiveres, følger bevegelsen av ioner langs dem en konsentrasjonsgradient. Bevegelseshastigheten gjennom membranen er 10 ioner per sekund.
Spesifisitet av ionekanaler.
De fleste av dem er selektive, dvs. kanaler som lar bare én type ion passere (natriumkanaler, kaliumkanaler, kalsiumkanaler, anionkanaler).
kanalselektivitet.
Kanalselektivitet bestemmes av tilstedeværelsen av et selektivt filter.
Dens rolle spilles av den første delen av kanalen, som har en viss ladning, konfigurasjon og størrelse (diameter), som lar bare en viss type ioner passere inn i kanalen.
Noen av ionekanalene er ikke-selektive, for eksempel "lekkasjekanaler". Dette er membrankanaler som i hvile, langs konsentrasjonsgradienten, K + -ioner forlater cellen, men gjennom disse kanalene kommer en liten mengde Na + -ioner også inn i cellen i ro langs konsentrasjonsgradienten.
Ionekanalsensor.
Ionekanalsensoren er en følsom del av kanalen som oppfatter signaler, hvis natur kan være forskjellig.
På dette grunnlaget er det:
spenningsstyrte ionekanaler;
reseptor-gatede ionekanaler;
ligandkontrollert (ligandavhengig);
mekanisk styrt (mekanisk avhengig).
Kanaler som har en sensor kalles kontrollerte. Noen kanaler har ikke sensor. Slike kanaler kalles uadministrerte.
Portsystemet til ionekanalen.
Kanalen har en port som er lukket i hvile og åpnes når et signal påføres. I noen kanaler skilles det mellom to typer porter: aktivering (m-porter) og inaktivering (h-porter).
Det er tre tilstander av ionekanaler:
en hviletilstand når porten er lukket og kanalen er utilgjengelig for ioner;
aktiveringstilstanden, når portsystemet er åpent og ioner beveger seg gjennom membranen langs kanalen;
inaktiveringstilstanden, når kanalen er lukket og ikke reagerer på stimuli.
Ledningshastighet (konduktivitet).
Det er raske og langsomme kanaler. Lekkasjekanaler er langsomme, natriumkanaler i nevroner er raske.
I membranen til enhver celle er det et stort sett med forskjellige (i form av hastighet) ionekanaler, hvis aktivering bestemmer den funksjonelle tilstanden til cellene.
spenningskontrollerte kanaler.
Potensielt kontrollert kanal består av:
selektivt filter;
aktiverings- og inaktiveringsporter;
spenningssensor.
porer fylt med vann;
Kanaldiameteren er mye større enn ionediameteren; i den selektive filtersonen smalner den til atomstørrelser, noe som sikrer at denne delen av kanalen utfører funksjonen til et selektivt filter.
Åpning og lukking av portmekanismen skjer når membranpotensialet endres, og porten åpner ved en verdi av membranpotensialet, og lukker på et annet nivå av membranpotensialet.
Det antas at endringen i det elektriske feltet til membranen oppfattes av en spesiell del av kanalveggen, som kalles spenningssensoren.
En endring i tilstanden, på grunn av en endring i nivået av membranpotensialet, forårsaker konformasjonen av proteinmolekylene som danner kanalen, og fører som et resultat til åpning eller lukking av porten til ionekanalen.
Kanaler (natrium, kalsium, kalium) har fire homologe domener - underenheter (I, II, III, IV). Domenet (for eksempel natriumkanaler) består av seks transmembrane segmenter organisert i form av a-helikser, som hver spiller sin egen rolle.
Dermed spiller transmembransegmentet 5 rollen som en pore, transmembransegmentet 4 er en sensor som reagerer på endringer i membranpotensialet, og andre transmembransegmenter er ansvarlige for aktivering og inaktivering av portalkanalsystemet. Inntil slutten har ikke rollen til individuelle transmembrane segmenter og underenheter blitt studert.
Natriumkanaler (innvendig diameter 0,55 nm) er tilstede i cellene i eksiterbare vev. Tetthet per 1 µm 2 i forskjellige vev er ikke det samme.
Så i ikke-myeliniserte nervefibre er det 50-200 kanaler, og i myeliniserte nervefibre (Ranvier intercepts) - 13 000 per 1 mikron 2 membranområde. Ved hvile er de stengt. Membranpotensialet er 70-80 mV.
Eksponering for en stimulus endrer membranpotensialet og aktiverer en spenningsstyrt natriumkanal.
Den aktiveres når membranpotensialet skifter fra hvilepotensialnivået mot det kritiske nivået av depolarisering.
En sterk natriumstrøm gir et skifte i membranpotensialet til et kritisk nivå av depolarisering (CDL).
Endring i membranpotensial opp til -50-40 mV, dvs. til nivået av et kritisk nivå av depolarisering, forårsaker åpning av andre spenningsavhengige Na +-kanaler, gjennom hvilke den innkommende natriumstrømmen utføres, som danner "toppen" av aksjonspotensialet.
Natriumioner beveger seg inn i cellen langs konsentrasjonsgradienten og den kjemiske gradienten gjennom kanalen, og danner den såkalte innkommende natriumstrømmen, som fører til videre rask utvikling av depolarisasjonsprosessen.
Membranpotensial endrer fortegn til motsatt +10-20 mV. Et positivt membranpotensial fører til at natriumkanaler lukkes og inaktiveres.
Potensialavhengige Na+-kanaler spiller en ledende rolle i dannelsen av aksjonspotensialet, dvs. eksitasjonsprosessen i cellen.
Kalsiumioner hindrer åpningen av spenningsstyrte natriumkanaler ved å endre responsparametrene.
TIL + -kanaler
Kaliumkanaler (indre diameter 0,30 nm) er tilstede i cytoplasmatiske membraner, et betydelig antall kanaler for kalium "lekkasje" fra cellen ble funnet.
I hvile er de åpne. Gjennom dem, i hvile, "lekker" kalium fra cellen langs konsentrasjonsgradienten og den elektrokjemiske gradienten.
Denne prosessen omtales som den utgående kaliumstrømmen, som fører til dannelsen av et membranhvilepotensial (-70-80 mV). Disse kaliumkanalene kan kun betinget klassifiseres som spenningsavhengige.
Når membranpotensialet endres under depolarisering, inaktiveres kaliumstrømmen.
Under repolarisering dannes en innkommende K + strøm gjennom spenningsavhengige kanaler, som kalles K + strøm for forsinket likeretting.
En annen type spenningsstyrte K + -kanaler. En rask utadgående kaliumstrøm oppstår langs dem i underterskelområdet til membranpotensialet (positivt sporpotensial). Kanalinaktivering oppstår på grunn av sporhyperpolarisering.
En annen type spenningsstyrte kaliumkanaler aktiveres først etter foreløpig hyperpolarisering, den danner en rask forbigående kaliumstrøm, som raskt inaktiveres.
Kalsiumioner letter åpningen av spenningsstyrte kaliumkanaler ved å endre responsparametrene.
Sa + -kanaler.
Potensial-gatede kanaler gir et betydelig bidrag både til regulering av kalsiuminntrengning i cytoplasma og til elektrogenese.
Proteiner som danner kalsiumkanaler består av fem underenheter (al, a2, b, g, d).
Hovedunderenheten danner selve kanalen og inneholder bindingsseter for ulike kalsiumkanalmodulatorer.
Flere strukturelt distinkte kalsiumkanal-al-underenheter er funnet i pattedyrs nerveceller (betegnet A, B, C, D og E).
Funksjonelt skiller forskjellige typer kalsiumkanaler seg fra hverandre i aktivering, kinetikk, enkeltkanals konduktans og farmakologi.
Opptil seks typer spenningsstyrte kalsiumkanaler er beskrevet i celler (T-, L-, N-, P-, Q-, R-kanaler).
Aktiviteten til spenningsstyrte plasmamembrankanaler reguleres av forskjellige intracellulære sekundære budbringere og membranbundne G-proteiner.
Kalsiumspenningsstyrte kanaler finnes i stort antall i cytoplasmatiske membraner til nevroner, myocytter av glatte, tverrstripete og hjertemuskler, og i membranene i det endoplasmatiske retikulum.
Ca 2+ -kanaler av SPR er oligomere proteiner innebygd i SPR-membranen.
Sa 2+ - kontrollert Sa 2+ - SPR-kanaler.
Disse kalsiumkanalene ble først isolert fra skjelett- og hjertemuskler.
Det viste seg at Ca 2+ -kanaler av SPR i disse muskelvevet har molekylære forskjeller og er kodet av forskjellige gener.
Ca 2+ -kanaler av SPR i hjertemuskulaturen er direkte forbundet med høyterskel Ca 2+ -kanaler i plasmamembranen (L-type) gjennom kalsiumbindende proteiner, og danner dermed en funksjonelt aktiv struktur - en "triade".
I skjelettmuskulaturen aktiverer plasmalemma-depolarisering direkte frigjøringen av Ca 2+ fra det endoplasmatiske retikulumet på grunn av det faktum at Ca 2+-kanalene i plasmamembranen fungerer som spenningsfølsomme sendere av aktiveringssignalet direkte til Ca 2+-kanalene til SPR gjennom binding av proteiner.
Ca 2+ -depoter av skjelettmuskulatur har således en depolarisasjonsindusert Ca 2+ frigjøringsmekanisme (RyRl-type).
I motsetning til skjelettmuskulaturen er endoplasmatiske Ca 2+ kanaler av kardiomyocytter ikke assosiert med plasmamembranen, og stimulering av Ca 2+ frigjøring fra depotet krever en økning i konsentrasjonen av cytosolisk kalsium (RyR2 type).
I tillegg til disse to typene Ca 2+ -aktiverte Ca 2h-kanaler, er det nylig identifisert en tredje type Ca 2+ SPR-kanaler (RyR3-type), som ennå ikke er tilstrekkelig studert.
Alle kalsiumkanaler er preget av langsom aktivering og langsom inaktivering sammenlignet med natriumkanaler.
Når muskelcellen er depolarisert (fremspring av de cytoplasmatiske membranene - T-tubuli nærmer seg membranene i det endoplasmatiske retikulum), oppstår en spenningsavhengig åpning av kalsiumkanalene til membranene til det sarkoplasmatiske retikulum.
Siden på den ene siden er kalsiumkonsentrasjonen i SPR høy (kalsiumdepot), og kalsiumkonsentrasjonen i cytoplasmaet er lav, og på den annen side området til SPR-membranen og tettheten av kalsium kanalene i den er store, kalsiumnivået i cytoplasmaet øker 100 ganger.
Denne økningen i kalsiumkonsentrasjon initierer prosessen med sammentrekning av myofibriller.
Kalsiumkanaler i kardiomyocytter er lokalisert i den cytoplasmatiske membranen og er L-type kalsiumkanaler.
De aktiveres ved et membranpotensial på +20-40 mV, danner en innkommende kalsiumstrøm. De er i aktivert tilstand i lang tid, danner et "platå" av kardiomyocyttaksjonspotensialet.
anionkanaler.
Det største antallet kanaler for klor i cellemembranen. Det er færre kloridioner i cellen sammenlignet med det intercellulære miljøet. Derfor, når kanalene åpner seg, kommer klor inn i cellen langs konsentrasjonsgradienten og den elektrokjemiske gradienten.
Antall kanaler for HCO 3 er ikke så stort, volumet av transport av dette anion gjennom kanalene er mye mindre.
ionebyttere.
Membranen inneholder ionebyttere (bærerproteiner) som utfører tilrettelagt diffusjon av ioner, d.v.s. akselerert koblet bevegelse av ioner gjennom biomembranen langs konsentrasjonsgradienten, slike prosesser er ATP-uavhengige.
De mest kjente er Na + -H +, K + -H +, Ca 2+ -H + vekslere, samt vekslere som gir utveksling av kationer for anioner Na + -HCO- 3, 2CI-Ca 2+ og vekslere som sørge for utveksling av kation for kation (Na + -Ca 2+) eller anion per anion (Cl- HCO3).
Reseptor-gatede ionekanaler.
Ligand-gatede (ligand-gatede) ionekanaler.
Ligand-gatede ionekanaler er en underart av reseptor-gatede kanaler og er alltid kombinert med en reseptor for et biologisk aktivt stoff (BAS).
Reseptorene til de betraktede kanalene tilhører den ionotrope typen membranreseptorer, når de interagerer med biologisk aktive stoffer (ligander), oppstår det raske reaksjoner.
En ligand-gated ionekanal består av:
porer fylt med vann;
selektivt filter;
aktivering gate;
ligandbindingssete (reseptor). Høyenergiaktiv BAS har en høy
affinitet (affinitet) for en bestemt type reseptor. Når ionekanaler aktiveres, beveger visse ioner seg langs en konsentrasjonsgradient og en elektrokjemisk gradient.
I en membranreseptor kan ligandbindingsstedet være tilgjengelig for liganden fra den ytre overflaten av membranen.
I dette tilfellet fungerer hormoner og parahormoner, ioner som en ligand.
Så når N-kolinerge reseptorer aktiveres, aktiveres natriumkanaler.
Kalsiumpermeabilitet initieres av nevronale acetylkolin-gatede, glutamat-gatede (NMDA og AMPA/kainattyper) reseptorer og purinreseptorer.
GABAA-reseptorer er koblet til ioniske kloridkanaler, og glycinreseptorer er også koblet til kloridkanaler.
I en membranreseptor kan ligandbindingssetet være tilgjengelig for ligander fra den indre overflaten av membranen.
I dette tilfellet fungerer proteinkinaser aktivert av andre budbringere eller andre budbringere selv som ligander.
Så proteinkinaser A, C, G, ved fosforylering av kationkanalproteiner, endrer deres permeabilitet.
Mekanisk styrte ionekanaler.
Mekanisk kontrollerte ionekanaler endrer deres ledningsevne for ioner enten ved å endre spenningen i bilipidlaget eller gjennom cellecytoskjelettet. Mange mekanisk kontrollerte kanaler er assosiert med mekanoreseptorer; de finnes i auditive celler, muskelspindler og vaskulært endotel.
Alle mekanisk styrte kanaler er delt inn i to grupper:
strekkaktiverte celler (SAC);
strekk-inaktiverte celler (SIC).
Mekanisk styrte kanaler har alle hovedkanalfunksjonene:
pore fylt med vann;
gate mekanisme;
strekksensor.
Når kanalen er aktivert, beveger ioner seg langs konsentrasjonsgradienten langs den.
Natrium, kalium ATPase.
Natrium, kalium ATPase (natrium-kalium pumpe, natrium-kalium pumpe).
Består av fire transmembrane domener: to α-subenheter og to β-subenheter. α-underenheten er et stort domene og β-underenheten er et lite. Under ionetransport blir store underenheter fosforylert og ioner beveger seg gjennom dem.
Natrium, kalium ATPase spiller en avgjørende rolle for å opprettholde natrium- og kaliumhomeostase i det intra- og ekstracellulære miljøet:
støtter høy level K + og lave nivåer av Na + i cellen;
deltar i dannelsen av hvilemembranpotensialet, i genereringen av aksjonspotensialet;
gir Na + konjugert transport av de fleste organiske stoffer gjennom membranen (sekundær aktiv transport);
påvirker homeostasen til H 2 O betydelig.
Natrium, kalium ATPase, gir det viktigste bidraget til dannelsen av ioneasymmetri i ekstra- og intracellulære rom.
Det fasede arbeidet til natrium- og kaliumpumpen gir en ikke-ekvivalent utveksling av kalium og natrium over membranen.
Sa + -ATPase (pumpe).
Det er to familier av Ca 2+ pumper som er ansvarlige for eliminering av Ca 2+ ioner fra cytoplasmaet: Ca 2+ pumpene i plasmamembranen og Ca 2+ pumpene i det endoplasmatiske retikulum.
Selv om de tilhører samme familie av proteiner (den såkalte P-klassen av ATPaser), viser disse pumpene noen forskjeller i struktur, funksjonell aktivitet og farmakologi.
Det finnes i store mengder i den cytoplasmatiske membranen. I cytoplasmaet til cellen i hvile er kalsiumkonsentrasjonen 10-7 mol/l, og utenfor cellen er den mye mer -10-3 mol/l.
En slik signifikant forskjell i konsentrasjoner opprettholdes på grunn av arbeidet til den cytoplasmatiske Ca++ -ATPasen.
Aktiviteten til Ca 2+ -pumpen til plasmamembranen styres direkte av Ca 2+ : en økning i konsentrasjonen av fritt kalsium i cytosolen aktiverer Ca 2+ -pumpen.
I hvile er det nesten ingen diffusjon gjennom kalsiumionekanaler.
Ca-ATPase transporterer Ca fra cellen til det ekstracellulære miljøet mot konsentrasjonsgradienten. Langs gradienten kommer Ca + inn i cellen på grunn av diffusjon gjennom ionekanaler.
Membranen til det endoplasmatiske retikulum inneholder også en stor mengde Ca++ -ATPase.
Kalsiumpumpen til det endoplasmatiske retikulum (SERCA) sørger for fjerning av kalsium fra cytosol til endoplasmatisk retikulum – "depot" av kalsium på grunn av primær aktiv transport.
I depotet binder kalsium seg til kalsiumbindende proteiner (calsequestrin, calreticulin, etc.).
Minst tre forskjellige isoformer av SERCA-pumper har blitt beskrevet så langt.
SERCA1-subtypen er utelukkende konsentrert i raske skjelettmuskler, mens SERCA2-pumpene er utbredt i andre vev. Betydningen av SERCA3-pumper er mindre klar.
SERCA2-nacos-proteiner er delt inn i to forskjellige isoformer: SERCA2a, karakteristisk for kardiomyocytter og glatte muskler, og SERCA2b, karakteristisk for hjernevev.
En økning i Ca 2+ i cytosol aktiverer opptaket av kalsiumioner i det endoplasmatiske retikulum, mens en økning i fritt kalsium i det endoplasmatiske retikulum hemmer SERCA-pumpene.
H + K + -ATPase (pumpe).
Ved hjelp av denne pumpen (som et resultat av hydrolysen av ett ATP-molekyl) i slimhinnen (parietalcellene) i mageslimhinnen, transporteres to kaliumioner fra det ekstracellulære rommet til cellen og to H+-ioner fra cytosolen. til det ekstracellulære rommet under hydrolysen av ett molekyl. Denne mekanismen ligger til grunn for dannelsen av saltsyre i magen.
IonepumpekvalitetF.
Mitokondriell ATPase. Katalyserer det siste trinnet i ATP-syntese. Mitokondrielle krypter inneholder ATP-syntase, som kobler oksidasjon i Krebs-syklusen og ADP-fosforylering til ATP.
IonepumpekvalitetV.
Lysosomal H + -ATPase (lysosomal protonpumper) - protonpumper som sørger for transport av H + fra cytosol til en rekke lysosomorganeller, Golgi-apparatet, sekretoriske vesikler. Som et resultat synker pH-verdien for eksempel i lysosomer til 5,0, noe som optimerer aktiviteten til disse strukturene.
Funksjoner ved ionetransport
1. Betydelig og asymmetrisk transmembran! gradient for Na+ og K+ i hvile.
Natrium utenfor cellen (145 mmol/l) er 10 ganger større enn i cellen (14 mmol/l).
Det er omtrent 30 ganger mer kalium i cellen (140 mmol/l) enn utenfor cellen (4 mmol/l).
Denne funksjonen ved fordelingen av natrium- og kaliumioner:
homeostatisert av arbeidet til Na + /K + -nacoca;
danner i ro den utgående kaliumstrømmen (lekkasjekanal);
genererer hvilepotensial;
arbeidet til eventuelle kaliumkanaler (spenningsavhengig, kalsiumavhengig, ligandavhengig) er rettet mot dannelsen av den utgående kaliumstrømmen.
Dette returnerer enten tilstanden til membranen til sitt opprinnelige nivå (aktivering av spenningsavhengige kanaler i repolariseringsfasen), eller hyperpolariserer membranen (kalsiumavhengige, ligandavhengige kanaler, inkludert de som aktiveres av systemer med andre mediatorer).
Det bør huskes at:
bevegelsen av kalium over membranen utføres ved passiv transport;
dannelsen av eksitasjon (aksjonspotensial) er alltid på grunn av den innkommende natriumstrømmen;
aktivering av eventuelle natriumkanaler forårsaker alltid en innadgående natriumstrøm;
bevegelsen av natrium over membranen utføres nesten alltid ved passiv transport;
i epitelceller som danner en vegg av ulike rør og hulrom i vev (tynntarm, nefrontubuli, etc.), i den ytre membranen er det alltid et stort antall natriumkanaler som gir en innkommende natriumstrøm når de aktiveres, og i kjellermembran - et stort antall natrium-, kaliumpumper som pumper natrium ut av cellen. En slik asymmetrisk fordeling av disse transportsystemene for natrium sikrer dens transcellulære transport, dvs. fra tarmens lumen, nyretubuli inn i det indre miljøet i kroppen;
passiv transport av natrium inn i cellen langs den elektrokjemiske gradienten fører til akkumulering av energi, som brukes til sekundær aktiv transport av mange stoffer.
2. Lavt nivå av kalsium i cytosolen til cellen.
I cellen i hvile er kalsiuminnholdet (50 nmol/l) 5000 ganger lavere enn utenfor cellen (2,5 mmol/l).
Et så lavt nivå av kalsium i cytosolen er ikke tilfeldig, siden kalsium i konsentrasjoner 10–100 ganger høyere enn den opprinnelige fungerer som en andre intracellulær mediator i signalrealisering.
Under slike forhold er en rask økning av kalsium i cytosolen mulig på grunn av aktivering av kalsiumkanaler (tilrettelagt diffusjon), som er tilstede i store mengder i den cytoplasmatiske membranen og i membranen til endoplasmatisk retikulum (endoplasmatisk retikulum - "depot" " av kalsium i cellen).
Dannelsen av kalsiumflukser, som oppstår på grunn av åpning av kanaler, gir en fysiologisk signifikant økning i kalsiumkonsentrasjonen i cytosolen.
Det lave nivået av kalsium i cytosolen til cellen opprettholdes av Ca 2+ -ATPase, Na + /Ca 2+ -utvekslere, kalsiumbindende proteiner i cytosolen.
I tillegg til den raske bindingen av cytosolisk Ca 2+ av intracellulære Ca 2+-bindende proteiner, kan kalsiumioner som kommer inn i cytosolen akkumuleres av Golgi-apparatet eller cellekjernen og fanges opp av mitokondrielle Ca 2+-depoter.
3. Lavt nivå av klor i cellen.
I cellen i ro er innholdet av klor (8 mmol/l) mer enn 10 ganger lavere enn utenfor cellen (110 mmol/l).
Denne tilstanden opprettholdes ved drift av K + /Cl- -transportøren.
Endringen i den funksjonelle tilstanden til cellen er assosiert (eller forårsaket) med en endring i permeabiliteten til membranen for klor. Ved aktivering av spennings- og ligandstyrte kloridkanaler går ionet inn i cytosolen gjennom kanalen ved passiv transport.
I tillegg dannes klorinngangen i cytosolen av Na+/K+/2CH-kotransportøren og CG-HCO3-veksleren.
Inntreden av klor i cellen øker polariteten til membranen opp til hyperpolarisering.
Funksjoner ved ionetransport spiller en grunnleggende rolle i dannelsen av bioelektriske fenomener i organer og vev som koder for informasjon, bestemmer den funksjonelle tilstanden til disse strukturene, deres overgang fra en funksjonell tilstand til en annen.
12. Ionekanaler...
Ionekanalen består av flere underenheter, deres antall i en enkelt ionekanal varierer fra 3 til 12 underenheter. Ved sin organisasjon kan underenhetene som er inkludert i kanalen være homologe (av samme type), et antall kanaler dannes av underenheter av forskjellige typer.
Hver av underenhetene består av flere (tre eller flere) transmembransegmenter (ikke-polare deler vridd i α-helikser), av ekstra- og intracellulære løkker og terminalseksjoner av domener (representert av polare områder av molekyler som danner et domene og stikker ut utover bilipidlaget av membranen).
Hvert av transmembransegmentene, ekstra- og intracellulære løkker og terminale seksjoner av domener utfører sin egen funksjon.
Dermed bestemmer transmembransegmentet 2, organisert i form av en a-helix, selektiviteten til kanalen.
De terminale områdene i domenet fungerer som sensorer for ekstra- og intracellulære ligander, og et av transmembransegmentene spiller rollen som en spenningsavhengig sensor.
De tredje transmembransegmentene i underenheten er ansvarlige for driften av portalkanalsystemet, etc.
Ionekanaler fungerer ved hjelp av mekanismen for tilrettelagt diffusjon. Når kanalene aktiveres, følger bevegelsen av ioner langs dem en konsentrasjonsgradient. Bevegelseshastigheten gjennom membranen er 10 ioner per sekund.
Spesifisitet av ionekanaler.
De fleste av dem er selektive, dvs. kanaler som lar bare én type ion passere (natriumkanaler, kaliumkanaler, kalsiumkanaler, anionkanaler).
kanalselektivitet.
Kanalselektivitet bestemmes av tilstedeværelsen av et selektivt filter.
Dens rolle spilles av den første delen av kanalen, som har en viss ladning, konfigurasjon og størrelse (diameter), som lar bare en viss type ioner passere inn i kanalen.
Noen av ionekanalene er ikke-selektive, for eksempel "lekkasjekanaler". Dette er membrankanaler som i hvile, langs konsentrasjonsgradienten, K + -ioner forlater cellen, men gjennom disse kanalene kommer en liten mengde Na + -ioner også inn i cellen i ro langs konsentrasjonsgradienten.
Ionekanalsensor.
Ionekanalsensoren er en følsom del av kanalen som oppfatter signaler, hvis natur kan være forskjellig.
På dette grunnlaget er det:
spenningsstyrte ionekanaler;
reseptor-gatede ionekanaler;
ligandkontrollert (ligandavhengig);
mekanisk styrt (mekanisk avhengig).
Kanaler som har en sensor kalles kontrollerte. Noen kanaler har ikke sensor. Slike kanaler kalles uadministrerte.
Portsystemet til ionekanalen.
Kanalen har en port som er lukket i hvile og åpnes når et signal påføres. I noen kanaler skilles det mellom to typer porter: aktivering (m-porter) og inaktivering (h-porter).
Det er tre tilstander av ionekanaler:
en hviletilstand når porten er lukket og kanalen er utilgjengelig for ioner;
aktiveringstilstanden, når portsystemet er åpent og ioner beveger seg gjennom membranen langs kanalen;
inaktiveringstilstanden, når kanalen er lukket og ikke reagerer på stimuli.
Ledningshastighet (konduktivitet).
Det er raske og langsomme kanaler. Lekkasjekanaler er langsomme, natriumkanaler i nevroner er raske.
I membranen til enhver celle er det et stort sett med forskjellige (i form av hastighet) ionekanaler, hvis aktivering bestemmer den funksjonelle tilstanden til cellene.
spenningskontrollerte kanaler.
Potensielt kontrollert kanal består av:
selektivt filter;
aktiverings- og inaktiveringsporter;
spenningssensor.
porer fylt med vann;
Kanaldiameteren er mye større enn ionediameteren; i den selektive filtersonen smalner den til atomstørrelser, noe som sikrer at denne delen av kanalen utfører funksjonen til et selektivt filter.
Åpning og lukking av portmekanismen skjer når membranpotensialet endres, og porten åpner ved en verdi av membranpotensialet, og lukker på et annet nivå av membranpotensialet.
Det antas at endringen i det elektriske feltet til membranen oppfattes av en spesiell del av kanalveggen, som kalles spenningssensoren.
En endring i tilstanden, på grunn av en endring i nivået av membranpotensialet, forårsaker konformasjonen av proteinmolekylene som danner kanalen, og fører som et resultat til åpning eller lukking av porten til ionekanalen.
Kanaler (natrium, kalsium, kalium) har fire homologe domener - underenheter (I, II, III, IV). Domenet (for eksempel natriumkanaler) består av seks transmembrane segmenter organisert i form av a-helikser, som hver spiller sin egen rolle.
Dermed spiller transmembransegmentet 5 rollen som en pore, transmembransegmentet 4 er en sensor som reagerer på endringer i membranpotensialet, og andre transmembransegmenter er ansvarlige for aktivering og inaktivering av portalkanalsystemet. Inntil slutten har ikke rollen til individuelle transmembrane segmenter og underenheter blitt studert.
Natriumkanaler (innvendig diameter 0,55 nm) er tilstede i cellene i eksiterbare vev. Tetthet per 1 µm 2 i forskjellige vev er ikke det samme.
Så i ikke-myeliniserte nervefibre er det 50-200 kanaler, og i myeliniserte nervefibre (Ranvier intercepts) - 13 000 per 1 mikron 2 membranområde. Ved hvile er de stengt. Membranpotensialet er 70-80 mV.
Eksponering for en stimulus endrer membranpotensialet og aktiverer en spenningsstyrt natriumkanal.
Den aktiveres når membranpotensialet skifter fra hvilepotensialnivået mot det kritiske nivået av depolarisering.
En sterk natriumstrøm gir et skifte i membranpotensialet til et kritisk nivå av depolarisering (CDL).
Endring i membranpotensial opp til -50-40 mV, dvs. til nivået av et kritisk nivå av depolarisering, forårsaker åpning av andre spenningsavhengige Na +-kanaler, gjennom hvilke den innkommende natriumstrømmen utføres, som danner "toppen" av aksjonspotensialet.
Natriumioner beveger seg inn i cellen langs konsentrasjonsgradienten og den kjemiske gradienten gjennom kanalen, og danner den såkalte innkommende natriumstrømmen, som fører til videre rask utvikling av depolarisasjonsprosessen.
Membranpotensial endrer fortegn til motsatt +10-20 mV. Et positivt membranpotensial fører til at natriumkanaler lukkes og inaktiveres.
Potensialavhengige Na+-kanaler spiller en ledende rolle i dannelsen av aksjonspotensialet, dvs. eksitasjonsprosessen i cellen.
Kalsiumioner hindrer åpningen av spenningsstyrte natriumkanaler ved å endre responsparametrene.
TIL + -kanaler
Kaliumkanaler (indre diameter 0,30 nm) er tilstede i cytoplasmatiske membraner, et betydelig antall kanaler for kalium "lekkasje" fra cellen ble funnet.
I hvile er de åpne. Gjennom dem, i hvile, "lekker" kalium fra cellen langs konsentrasjonsgradienten og den elektrokjemiske gradienten.
Denne prosessen omtales som den utgående kaliumstrømmen, som fører til dannelsen av et membranhvilepotensial (-70-80 mV). Disse kaliumkanalene kan kun betinget klassifiseres som spenningsavhengige.
Når membranpotensialet endres under depolarisering, inaktiveres kaliumstrømmen.
Under repolarisering dannes en innkommende K + strøm gjennom spenningsavhengige kanaler, som kalles K + strøm for forsinket likeretting.
En annen type spenningsstyrte K + -kanaler. En rask utadgående kaliumstrøm oppstår langs dem i underterskelområdet til membranpotensialet (positivt sporpotensial). Kanalinaktivering oppstår på grunn av sporhyperpolarisering.
En annen type spenningsstyrte kaliumkanaler aktiveres først etter foreløpig hyperpolarisering, den danner en rask forbigående kaliumstrøm, som raskt inaktiveres.
Kalsiumioner letter åpningen av spenningsstyrte kaliumkanaler ved å endre responsparametrene.
Sa + -kanaler.
Potensial-gatede kanaler gir et betydelig bidrag både til regulering av kalsiuminntrengning i cytoplasma og til elektrogenese.
Proteiner som danner kalsiumkanaler består av fem underenheter (al, a2, b, g, d).
Hovedunderenheten danner selve kanalen og inneholder bindingsseter for ulike kalsiumkanalmodulatorer.
Flere strukturelt distinkte kalsiumkanal-al-underenheter er funnet i pattedyrs nerveceller (betegnet A, B, C, D og E).
Funksjonelt skiller forskjellige typer kalsiumkanaler seg fra hverandre i aktivering, kinetikk, enkeltkanals konduktans og farmakologi.
Opptil seks typer spenningsstyrte kalsiumkanaler er beskrevet i celler (T-, L-, N-, P-, Q-, R-kanaler).
Aktiviteten til spenningsstyrte plasmamembrankanaler reguleres av forskjellige intracellulære sekundære budbringere og membranbundne G-proteiner.
Kalsiumspenningsstyrte kanaler finnes i stort antall i cytoplasmatiske membraner til nevroner, myocytter av glatte, tverrstripete og hjertemuskler, og i membranene i det endoplasmatiske retikulum.
Ca 2+ -kanaler av SPR er oligomere proteiner innebygd i SPR-membranen.
Sa 2+ - kontrollert Sa 2+ - SPR-kanaler.
Disse kalsiumkanalene ble først isolert fra skjelett- og hjertemuskler.
Det viste seg at Ca 2+ -kanaler av SPR i disse muskelvevet har molekylære forskjeller og er kodet av forskjellige gener.
Ca 2+ -kanaler av SPR i hjertemuskulaturen er direkte forbundet med høyterskel Ca 2+ -kanaler i plasmamembranen (L-type) gjennom kalsiumbindende proteiner, og danner dermed en funksjonelt aktiv struktur - en "triade".
I skjelettmuskulaturen aktiverer plasmalemma-depolarisering direkte frigjøringen av Ca 2+ fra det endoplasmatiske retikulumet på grunn av det faktum at Ca 2+-kanalene i plasmamembranen fungerer som spenningsfølsomme sendere av aktiveringssignalet direkte til Ca 2+-kanalene til SPR gjennom binding av proteiner.
Ca 2+ -depoter av skjelettmuskulatur har således en depolarisasjonsindusert Ca 2+ frigjøringsmekanisme (RyRl-type).
I motsetning til skjelettmuskulaturen er endoplasmatiske Ca 2+ kanaler av kardiomyocytter ikke assosiert med plasmamembranen, og stimulering av Ca 2+ frigjøring fra depotet krever en økning i konsentrasjonen av cytosolisk kalsium (RyR2 type).
I tillegg til disse to typene Ca 2+ -aktiverte Ca 2h-kanaler, er det nylig identifisert en tredje type Ca 2+ SPR-kanaler (RyR3-type), som ennå ikke er tilstrekkelig studert.
Alle kalsiumkanaler er preget av langsom aktivering og langsom inaktivering sammenlignet med natriumkanaler.
Når muskelcellen er depolarisert (fremspring av de cytoplasmatiske membranene - T-tubuli nærmer seg membranene i det endoplasmatiske retikulum), oppstår en spenningsavhengig åpning av kalsiumkanalene til membranene til det sarkoplasmatiske retikulum.
Siden på den ene siden er kalsiumkonsentrasjonen i SPR høy (kalsiumdepot), og kalsiumkonsentrasjonen i cytoplasmaet er lav, og på den annen side området til SPR-membranen og tettheten av kalsium kanalene i den er store, kalsiumnivået i cytoplasmaet øker 100 ganger.
Denne økningen i kalsiumkonsentrasjon initierer prosessen med sammentrekning av myofibriller.
Kalsiumkanaler i kardiomyocytter er lokalisert i den cytoplasmatiske membranen og er L-type kalsiumkanaler.
De aktiveres ved et membranpotensial på +20-40 mV, danner en innkommende kalsiumstrøm. De er i aktivert tilstand i lang tid, danner et "platå" av kardiomyocyttaksjonspotensialet.
anionkanaler.
Det største antallet kanaler for klor i cellemembranen. Det er færre kloridioner i cellen sammenlignet med det intercellulære miljøet. Derfor, når kanalene åpner seg, kommer klor inn i cellen langs konsentrasjonsgradienten og den elektrokjemiske gradienten.
Antall kanaler for HCO 3 er ikke så stort, volumet av transport av dette anion gjennom kanalene er mye mindre.
ionebyttere.
Membranen inneholder ionebyttere (bærerproteiner) som utfører tilrettelagt diffusjon av ioner, d.v.s. akselerert koblet bevegelse av ioner gjennom biomembranen langs konsentrasjonsgradienten, slike prosesser er ATP-uavhengige.
De mest kjente er Na + -H +, K + -H +, Ca 2+ -H + vekslere, samt vekslere som gir utveksling av kationer for anioner Na + -HCO- 3, 2CI-Ca 2+ og vekslere som sørge for utveksling av kation for kation (Na + -Ca 2+) eller anion per anion (Cl- HCO3).
Reseptor-gatede ionekanaler.
Ligand-gatede (ligand-gatede) ionekanaler.
Ligand-gatede ionekanaler er en underart av reseptor-gatede kanaler og er alltid kombinert med en reseptor for et biologisk aktivt stoff (BAS).
Reseptorene til de betraktede kanalene tilhører den ionotrope typen membranreseptorer, når de interagerer med biologisk aktive stoffer (ligander), oppstår det raske reaksjoner.
En ligand-gated ionekanal består av:
porer fylt med vann;
selektivt filter;
aktivering gate;
ligandbindingssete (reseptor). Høyenergiaktiv BAS har en høy
affinitet (affinitet) for en bestemt type reseptor. Når ionekanaler aktiveres, beveger visse ioner seg langs en konsentrasjonsgradient og en elektrokjemisk gradient.
I en membranreseptor kan ligandbindingsstedet være tilgjengelig for liganden fra den ytre overflaten av membranen.
I dette tilfellet fungerer hormoner og parahormoner, ioner som en ligand.
Så når N-kolinerge reseptorer aktiveres, aktiveres natriumkanaler.
Kalsiumpermeabilitet initieres av nevronale acetylkolin-gatede, glutamat-gatede (NMDA og AMPA/kainattyper) reseptorer og purinreseptorer.
GABAA-reseptorer er koblet til ioniske kloridkanaler, og glycinreseptorer er også koblet til kloridkanaler.
I en membranreseptor kan ligandbindingssetet være tilgjengelig for ligander fra den indre overflaten av membranen.
I dette tilfellet fungerer proteinkinaser aktivert av andre budbringere eller andre budbringere selv som ligander.
Så proteinkinaser A, C, G, ved fosforylering av kationkanalproteiner, endrer deres permeabilitet.
Mekanisk styrte ionekanaler.
Mekanisk kontrollerte ionekanaler endrer deres ledningsevne for ioner enten ved å endre spenningen i bilipidlaget eller gjennom cellecytoskjelettet. Mange mekanisk kontrollerte kanaler er assosiert med mekanoreseptorer; de finnes i auditive celler, muskelspindler og vaskulært endotel.
Alle mekanisk styrte kanaler er delt inn i to grupper:
strekkaktiverte celler (SAC);
strekk-inaktiverte celler (SIC).
Mekanisk styrte kanaler har alle hovedkanalfunksjonene:
pore fylt med vann;
gate mekanisme;
strekksensor.
Når kanalen er aktivert, beveger ioner seg langs konsentrasjonsgradienten langs den.
Natrium, kalium ATPase.
Natrium, kalium ATPase (natrium-kalium pumpe, natrium-kalium pumpe).
Består av fire transmembrane domener: to α-subenheter og to β-subenheter. α-underenheten er et stort domene og β-underenheten er et lite. Under ionetransport blir store underenheter fosforylert og ioner beveger seg gjennom dem.
Natrium, kalium ATPase spiller en avgjørende rolle for å opprettholde natrium- og kaliumhomeostase i det intra- og ekstracellulære miljøet:
opprettholder et høyt nivå av K + og et lavt nivå av Na + i cellen;
deltar i dannelsen av hvilemembranpotensialet, i genereringen av aksjonspotensialet;
gir Na + konjugert transport av de fleste organiske stoffer gjennom membranen (sekundær aktiv transport);
påvirker homeostasen til H 2 O betydelig.
Natrium, kalium ATPase, gir det viktigste bidraget til dannelsen av ioneasymmetri i ekstra- og intracellulære rom.
Det fasede arbeidet til natrium- og kaliumpumpen gir en ikke-ekvivalent utveksling av kalium og natrium over membranen.
Sa + -ATPase (pumpe).
Det er to familier av Ca 2+ pumper som er ansvarlige for eliminering av Ca 2+ ioner fra cytoplasmaet: Ca 2+ pumpene i plasmamembranen og Ca 2+ pumpene i det endoplasmatiske retikulum.
Selv om de tilhører samme familie av proteiner (den såkalte P-klassen av ATPaser), viser disse pumpene noen forskjeller i struktur, funksjonell aktivitet og farmakologi.
Det finnes i store mengder i den cytoplasmatiske membranen. I cytoplasmaet til cellen i hvile er kalsiumkonsentrasjonen 10-7 mol/l, og utenfor cellen er den mye mer -10-3 mol/l.
En slik signifikant forskjell i konsentrasjoner opprettholdes på grunn av arbeidet til den cytoplasmatiske Ca++ -ATPasen.
Aktiviteten til Ca 2+ -pumpen til plasmamembranen styres direkte av Ca 2+ : en økning i konsentrasjonen av fritt kalsium i cytosolen aktiverer Ca 2+ -pumpen.
I hvile er det nesten ingen diffusjon gjennom kalsiumionekanaler.
Ca-ATPase transporterer Ca fra cellen til det ekstracellulære miljøet mot konsentrasjonsgradienten. Langs gradienten kommer Ca + inn i cellen på grunn av diffusjon gjennom ionekanaler.
Membranen til det endoplasmatiske retikulum inneholder også en stor mengde Ca++ -ATPase.
Kalsiumpumpen til det endoplasmatiske retikulum (SERCA) sørger for fjerning av kalsium fra cytosol til endoplasmatisk retikulum – "depot" av kalsium på grunn av primær aktiv transport.
I depotet binder kalsium seg til kalsiumbindende proteiner (calsequestrin, calreticulin, etc.).
Minst tre forskjellige isoformer av SERCA-pumper har blitt beskrevet så langt.
SERCA1-subtypen er utelukkende konsentrert i raske skjelettmuskler, mens SERCA2-pumpene er utbredt i andre vev. Betydningen av SERCA3-pumper er mindre klar.
SERCA2-nacos-proteiner er delt inn i to forskjellige isoformer: SERCA2a, karakteristisk for kardiomyocytter og glatte muskler, og SERCA2b, karakteristisk for hjernevev.
En økning i Ca 2+ i cytosol aktiverer opptaket av kalsiumioner i det endoplasmatiske retikulum, mens en økning i fritt kalsium i det endoplasmatiske retikulum hemmer SERCA-pumpene.
H + K + -ATPase (pumpe).
Ved hjelp av denne pumpen (som et resultat av hydrolysen av ett ATP-molekyl) i slimhinnen (parietalcellene) i mageslimhinnen, transporteres to kaliumioner fra det ekstracellulære rommet til cellen og to H+-ioner fra cytosolen. til det ekstracellulære rommet under hydrolysen av ett molekyl. Denne mekanismen ligger til grunn for dannelsen av saltsyre i magen.
IonepumpekvalitetF.
Mitokondriell ATPase. Katalyserer det siste trinnet i ATP-syntese. Mitokondrielle krypter inneholder ATP-syntase, som kobler oksidasjon i Krebs-syklusen og ADP-fosforylering til ATP.
IonepumpekvalitetV.
Lysosomal H + -ATPase (lysosomal protonpumper) - protonpumper som sørger for transport av H + fra cytosol til en rekke lysosomorganeller, Golgi-apparatet, sekretoriske vesikler. Som et resultat synker pH-verdien for eksempel i lysosomer til 5,0, noe som optimerer aktiviteten til disse strukturene.
Funksjoner ved ionetransport
1. Betydelig og asymmetrisk transmembran! gradient for Na+ og K+ i hvile.
Natrium utenfor cellen (145 mmol/l) er 10 ganger større enn i cellen (14 mmol/l).
Det er omtrent 30 ganger mer kalium i cellen (140 mmol/l) enn utenfor cellen (4 mmol/l).
Denne funksjonen ved fordelingen av natrium- og kaliumioner:
homeostatisert av arbeidet til Na + /K + -nacoca;
danner i ro den utgående kaliumstrømmen (lekkasjekanal);
genererer hvilepotensial;
arbeidet til eventuelle kaliumkanaler (spenningsavhengig, kalsiumavhengig, ligandavhengig) er rettet mot dannelsen av den utgående kaliumstrømmen.
Dette returnerer enten tilstanden til membranen til sitt opprinnelige nivå (aktivering av spenningsavhengige kanaler i repolariseringsfasen), eller hyperpolariserer membranen (kalsiumavhengige, ligandavhengige kanaler, inkludert de som aktiveres av systemer med andre mediatorer).
Det bør huskes at:
bevegelsen av kalium over membranen utføres ved passiv transport;
dannelsen av eksitasjon (aksjonspotensial) er alltid på grunn av den innkommende natriumstrømmen;
aktivering av eventuelle natriumkanaler forårsaker alltid en innadgående natriumstrøm;
bevegelsen av natrium over membranen utføres nesten alltid ved passiv transport;
i epitelceller som danner en vegg av ulike rør og hulrom i vev (tynntarm, nefrontubuli, etc.), i den ytre membranen er det alltid et stort antall natriumkanaler som gir en innkommende natriumstrøm når de aktiveres, og i kjellermembran - et stort antall natrium-, kaliumpumper som pumper natrium ut av cellen. En slik asymmetrisk fordeling av disse transportsystemene for natrium sikrer dens transcellulære transport, dvs. fra tarmens lumen, nyretubuli inn i det indre miljøet i kroppen;
passiv transport av natrium inn i cellen langs den elektrokjemiske gradienten fører til akkumulering av energi, som brukes til sekundær aktiv transport av mange stoffer.
2. Lavt nivå av kalsium i cytosolen til cellen.
I cellen i hvile er kalsiuminnholdet (50 nmol/l) 5000 ganger lavere enn utenfor cellen (2,5 mmol/l).
Et så lavt nivå av kalsium i cytosolen er ikke tilfeldig, siden kalsium i konsentrasjoner 10–100 ganger høyere enn den opprinnelige fungerer som en andre intracellulær mediator i signalrealisering.
Under slike forhold er en rask økning av kalsium i cytosolen mulig på grunn av aktivering av kalsiumkanaler (tilrettelagt diffusjon), som er tilstede i store mengder i den cytoplasmatiske membranen og i membranen til endoplasmatisk retikulum (endoplasmatisk retikulum - "depot" " av kalsium i cellen).
Dannelsen av kalsiumflukser, som oppstår på grunn av åpning av kanaler, gir en fysiologisk signifikant økning i kalsiumkonsentrasjonen i cytosolen.
Det lave nivået av kalsium i cytosolen til cellen opprettholdes av Ca 2+ -ATPase, Na + /Ca 2+ -utvekslere, kalsiumbindende proteiner i cytosolen.
I tillegg til den raske bindingen av cytosolisk Ca 2+ av intracellulære Ca 2+-bindende proteiner, kan kalsiumioner som kommer inn i cytosolen akkumuleres av Golgi-apparatet eller cellekjernen og fanges opp av mitokondrielle Ca 2+-depoter.
3. Lavt nivå av klor i cellen.
I cellen i ro er innholdet av klor (8 mmol/l) mer enn 10 ganger lavere enn utenfor cellen (110 mmol/l).
Denne tilstanden opprettholdes ved drift av K + /Cl- -transportøren.
Endringen i den funksjonelle tilstanden til cellen er assosiert (eller forårsaket) med en endring i permeabiliteten til membranen for klor. Ved aktivering av spennings- og ligandstyrte kloridkanaler går ionet inn i cytosolen gjennom kanalen ved passiv transport.
I tillegg dannes klorinngangen i cytosolen av Na+/K+/2CH-kotransportøren og CG-HCO3-veksleren.
Inntreden av klor i cellen øker polariteten til membranen opp til hyperpolarisering.
Funksjoner ved ionetransport spiller en grunnleggende rolle i dannelsen av bioelektriske fenomener i organer og vev som koder for informasjon, bestemmer den funksjonelle tilstanden til disse strukturene, deres overgang fra en funksjonell tilstand til en annen.
Den eksiterbare membranmodellen i henhold til Hodgkin-Huxley-teorien forutsetter en regulert transport av ioner over membranen. Imidlertid er den direkte overgangen av ionet gjennom lipid-dobbeltlaget svært vanskelig, og følgelig vil ionefluksen også være liten.
Dette og en rekke andre hensyn ga grunn til å tro at membranen må inneholde noen spesielle strukturer – ledende ioner. Slike strukturer ble funnet og kalt ionekanaler. Lignende kanaler har blitt isolert fra forskjellige objekter: plasmamembranen til celler, den postsynaptiske membranen til muskelceller og andre objekter. Ionekanaler dannet av antibiotika er også kjent.
Hovedegenskaper til ionekanaler:
1) selektivitet;
2) uavhengighet av driften av individuelle kanaler;
3) diskret karakter av konduktivitet;
4) avhengighet av kanalparametere på membranpotensial.
La oss vurdere dem i rekkefølge.
1. Selektivitet er evnen til ionekanaler til selektivt å passere ioner av en hvilken som helst type.
Selv i de første forsøkene på blekksprutaksonet ble det funnet at Na+- og Km-ioner har ulik effekt på membranpotensialet. K+ ioner endrer hvilepotensialet, og Na+ ioner endrer aksjonspotensialet. I Hodgkin-Huxley-modellen er dette beskrevet ved å introdusere uavhengige kalium- og natriumionekanaler. Det ble antatt at førstnevnte bare slapp gjennom K+-ioner, og sistnevnte bare Na+-ioner.
Målinger har vist at ionekanaler har absolutt selektivitet med hensyn til kationer (kation-selektive kanaler) eller til anioner (anion-selektive kanaler). Samtidig er forskjellige kationer av forskjellige kjemiske elementer i stand til å passere gjennom de kationselektive kanalene, men ledningsevnen til membranen for et mindre ion, og dermed strømmen gjennom det, vil være betydelig lavere, for eksempel for Na + -kanal, vil kaliumstrømmen gjennom den være 20 ganger mindre. Evnen til en ionekanal til å passere forskjellige ioner kalles relativ selektivitet og er preget av en selektivitetsserie - forholdet mellom kanalledningsevner for forskjellige ioner tatt i samme konsentrasjon. I dette tilfellet, for hovedionet, er selektiviteten tatt som 1. For eksempel, for Na +-kanalen, har denne serien formen:
Na+:K+ = 1:0,05.
2. Uavhengighet av individuelle kanaler. Passasjen av strøm gjennom en individuell ionekanal er uavhengig av om strømmen flyter gjennom andre kanaler. For eksempel kan K+-kanaler slås på eller av, men strømmen gjennom Na+-kanaler endres ikke. Påvirkningen av kanaler på hverandre skjer indirekte: en endring i permeabiliteten til alle kanaler (for eksempel natrium) endrer membranpotensialet, og det påvirker allerede ledningsevnen til andre ionekanaler.
3. Diskret karakter av ledning av ionekanaler. Ionekanaler er et underenhetskompleks av proteiner som spenner over membranen. I midten er det et rør som ioner kan passere gjennom. Antall ionekanaler per 1 μm 2 membranoverflate ble bestemt ved bruk av en radioaktivt merket natriumkanalblokker - tetrodotoksin. Det er kjent at ett TTX-molekyl binder seg til kun én kanal. Da gjorde målingen av radioaktiviteten til en prøve med kjent areal det mulig å vise at det er ca 500 natriumkanaler per 1 μm 2 av blekksprutaksonet.
De transmembranstrømmene som måles i konvensjonelle eksperimenter, for eksempel på et blekksprutakson 1 cm langt og 1 mm i diameter, det vil si med et areal på 3 * 10 7 μm 2, skyldes en total respons (endring i konduktivitet) på 500 3 10 7 -10 10 ionekanaler. En slik respons er preget av en gradvis endring i konduktivitet over tid. Responsen til en enkelt ionekanal endres over tid på en fundamentalt annen måte: diskret for både Na+-kanaler, K+- og Ca2+-kanaler.
Dette ble først oppdaget i 1962 i studier av ledningsevnen til lipid-dobbeltlagsmembraner (BLM) da mikromengder av et eller annet stoff som induserte eksitasjon ble tilsatt løsningen som omgir membranen. En konstant spenning ble påført BLM og strømmen I(t) ble registrert. Registrering av strømmen i tid hadde form av hopp mellom to ledende tilstander.
En av effektive metoder En eksperimentell studie av ionekanaler var metoden for lokal fiksering av membranpotensialet ("Patch Clamp") utviklet på 1980-tallet (fig. 10).
Ris. 10. Metode for lokal fiksering av membranpotensialet. ME - mikroelektrode, IR - ionekanal, M - cellemembran, SFP - potensiell klemkrets, I - enkeltkanalstrøm
Essensen av metoden ligger i at ME-mikroelektroden (fig. 10) med en tynn ende med en diameter på 0,5–1 μm suges til membranen på en slik måte at en ionekanal kommer inn i dens indre diameter. Deretter, ved hjelp av potensialklemmingskretsen, er det mulig å måle strømmer som bare går gjennom en enkelt kanal i membranen, og ikke gjennom alle kanaler samtidig, slik som skjer ved bruk standard metode fikseringspotensial.
Resultatene av eksperimenter utført på forskjellige ionekanaler viste at ledningsevnen til ionekanalen er diskret og den kan være i to tilstander: åpen eller lukket. Overganger mellom tilstander skjer tilfeldig og følger statistiske mønstre. Det kan ikke sies at denne ionekanalen vil åpnes nøyaktig på dette tidspunktet. Man kan bare uttale seg om sannsynligheten for å åpne en kanal i et visst tidsintervall.
4. Avhengighet av kanalparametrene på membranpotensialet. Ionekanalene til nervefibre er følsomme for membranpotensialet, for eksempel natrium- og kaliumkanalene til blekksprutaksonet. Dette manifesteres i det faktum at etter begynnelsen av membrandepolarisering begynner de tilsvarende strømmene å endre seg med en eller annen kinetikk. Denne prosessen skjer som følger: Den ioneselektive kanalen har en sensor - et element i designet, følsomt for virkningen av et elektrisk felt (fig. 11). Når membranpotensialet endres, endres størrelsen på kraften som virker på den, som et resultat, beveger denne delen av ionekanalen seg og endrer sannsynligheten for å åpne eller lukke porten - en slags demper som virker i henhold til alt-eller- ingenting lov. Det er eksperimentelt vist at under virkningen av membrandepolarisering øker sannsynligheten for overgangen av natriumkanalen til den ledende tilstanden. Spenningshoppet på membranen, opprettet under målinger ved metoden for å klemme potensialet, fører til at et stort antall kanaler åpner seg. Flere ladninger passerer gjennom dem, noe som betyr at det i gjennomsnitt flyter mer strøm. Det er viktig at prosessen med vekst av kanalledningsevnen bestemmes av en økning i sannsynligheten for kanalovergangen til åpen tilstand, og ikke av en økning i diameteren åpen kanal. Dette er den moderne ideen om mekanismen for strømpassasje gjennom en enkelt kanal.
Glatt kinetiske kurver av strømmer registrert under elektriske målinger på store membraner oppnås på grunn av summeringen av mange hoppstrømmer som flyter gjennom individuelle kanaler. Summen deres, som vist ovenfor, reduserer svingningene kraftig og gir ganske jevne tidsavhengigheter av transmembranstrømmen.
Ionekanaler kan være følsomme for andre fysisk påvirkning: mekanisk deformasjon, kjemisk binding, etc. I dette tilfellet er de det strukturelle grunnlaget for henholdsvis mekanoreseptorer, kjemoreseptorer, etc.
Studiet av ionekanaler i membraner er en av de viktige oppgavene til moderne biofysikk.
Ionekanalens struktur.
Den ioneselektive kanalen består av følgende deler (fig. 11): en proteindel nedsenket i dobbeltlaget, som har en underenhetsstruktur; et selektivt filter dannet av negativt ladede oksygenatomer, som er stivt plassert i en viss avstand fra hverandre og passerer ioner med bare en viss diameter; portdel.
Portene til ionekanalen styres av membranpotensialet og kan enten være i lukket tilstand (stiplet linje) eller i åpen tilstand (heltrukken linje). Den normale posisjonen til natriumkanalporten er lukket. Under påvirkning av et elektrisk felt øker sannsynligheten for en åpen tilstand, porten åpnes og strømmen av hydratiserte ioner får muligheten til å passere gjennom det selektive filteret.
Hvis ionet passer i diameter, kaster det hydreringsskallet og hopper til den andre siden av ionekanalen. Hvis ionet er for stort i diameter, for eksempel tetraetylammonium, er det ikke i stand til å passere gjennom filteret og kan ikke krysse membranen. Hvis ionet tvert imot er for lite, har det vanskeligheter med det selektive filteret, denne gangen forbundet med vanskeligheten med å forkaste ionets hydreringsskall.
Ionekanalblokkere kan enten ikke passere gjennom det, sette seg fast i filteret, eller hvis de er store molekyler, som TTX, matcher de sterisk enhver inngang til kanalen. Siden blokkere har en positiv ladning, trekkes deres ladede del inn i kanalen til det selektive filteret som en vanlig kation, og makromolekylet tetter det.
Således utføres endringer i de elektriske egenskapene til eksitable biomembraner ved hjelp av ionekanaler. Dette er proteinmakromolekyler som penetrerer lipid-dobbeltlaget, som kan være i flere diskrete tilstander. Egenskapene til kanaler selektive for K + , Na + og Ca 2+ ioner kan avhenge ulikt av membranpotensialet, som bestemmer dynamikken til aksjonspotensialet i membranen, samt forskjeller i slike potensialer i membranene til forskjellige celler.
Ris. 11. Skjema av strukturen til natriumionkanalen til membranen i sammenheng
Tilbakemelding.
| 1 er helt uenig | 2 er uenige | 3 vet ikke | 4 enig | 5 helt enig | ||
| Denne aktiviteten utviklet mine problemløsningsferdigheter. | ||||||
| Alt jeg trengte var et godt minne for å fullføre denne leksjonen. | ||||||
| Denne aktiviteten har utviklet min evne til å jobbe i team. | ||||||
| Denne leksjonen forbedret mine analytiske ferdigheter. | ||||||
| Denne økten forbedret mine skriveferdigheter. | ||||||
| Leksjonen krevde en dyp forståelse av stoffet. |
