Tipuri de canale ionice. canale ionice. Potențiale canale independente de sodiu
Ultima actualizare: 28/10/2013
Al doilea articol din seria Fundamentele fiziologiei umane și animale. Vom vorbi despre mecanismul formării potențialului de acțiune - baza oricărei mișcări.
Celulele excitabile (care sunt, într-o măsură sau alta, toate celulele corpului animalului) în repaus au un exces de sarcină negativă, care se formează. Dacă celula este expusă unei stimulări externe, intră într-o stare excitată și generează un alt potențial - potențialul de acțiune.
Acest proces este implementat de un sistem de canale ionice din membrana celulară, care reglează concentrația particulelor încărcate electric - ioni. Toate canalele, indiferent de specializare, sunt controlate de anumite forțe. Aceasta poate fi o modificare a potențialului de pe membrana celulară - în cazul canalelor dependente de tensiune, o creștere a concentrației anumitor substanțe active - pentru cele dependente de ligand, sau întinderea membranei - pentru canalele controlate mecanic.
Canalele sunt proteine specifice încorporate în membrană. Fiecare tip de canal permite trecerea anumitor ioni. Acesta este un sistem de transport pasiv: ionii trec prin ei datorită difuziei, iar canalele pur și simplu controlează concentrația particulelor care trec, reglează permeabilitatea membranei pentru ele.
La formarea potențialului de acțiune, precum și a potențialului de repaus, participă în principal ionii de sodiu și potasiu.
Canalele de sodiu au o structură destul de simplă: este o proteină din trei subunități diferite care formează o structură asemănătoare porilor - adică un tub cu un lumen intern. Canalul poate fi în trei stări: închis, deschis și inactivat (închis și neexcitabil). Acest lucru este asigurat de localizarea sarcinilor negative și pozitive în proteina însăși; aceste sarcini sunt atrase de cele opuse existente pe membrană și astfel canalul se deschide și se închide atunci când starea membranei se schimbă. Când este deschis, ionii de sodiu pot trece liber prin ea în celulă de-a lungul gradientului de concentrație. Acesta este un moment foarte scurt de timp - literalmente fracțiuni de milisecundă.
Canalele de potasiu sunt și mai simple: sunt subunități separate care au formă trapezoidală în context; sunt situate aproape unul de celălalt, dar există întotdeauna un decalaj între ele. Canalele de potasiu nu se închid complet; în repaus, potasiul părăsește liber citoplasma (de-a lungul gradientului de concentrație).
Atât canalele de sodiu, cât și cele de potasiu sunt dependente de tensiune - funcționează în funcție de modificări Potential electric membranelor.
În timpul formării potențialului de acțiune, are loc o reîncărcare bruscă pe termen scurt a membranei. Acest lucru este asigurat de mai multe procese secvențiale.
În primul rând, sub influența unui stimul extern (de exemplu, curent electric) membrana se depolarizează - adică sarcinile din diferitele sale laturi se schimbă în unele opuse (în interiorul celulei, sarcina devine pozitivă, în exterior - în negativă). Acesta este un semnal pentru deschiderea canalelor de sodiu, dintre care există un număr mare pe suprafața unei membrane - pot fi până la 12 mii. Momentul în care canalele încep să se deschidă se numește nivelul critic de depolarizare. Curentul care produce această depolarizare critică se numește curent de prag.
În mod interesant, creșterea curentului după ce a fost atins pragul nu modifică caracteristicile potențialului de acțiune rezultat. Ceea ce contează pentru deschiderea canalelor nu este amplitudinea curentului, ci cantitatea de energie primită de membrană - „cantitatea de electricitate”. Acest model se numește „totul sau nimic” - fie există un răspuns cu drepturi depline la iritare cu valoarea sa de la prag și mai sus, fie nu există niciun răspuns dacă iritația nu a atins valoarea de prag. În acest caz, valoarea valorii prag este determinată de durata stimulării furnizate.
Această lege este valabilă, însă, numai în cadrul unei singure celule. Dacă luăm, de exemplu, un nerv compus dintr-un număr mare de axoni diferiți, va conta și amplitudinea, deoarece vom vedea un răspuns la iritare doar atunci când canalele sunt activate în toate celulele - adică cu o valoare totală mai mare. a curentului de prag.
După deschiderea canalelor, sodiul începe să intre în celulă, iar curentul său depășește semnificativ curentul de potasiu care părăsește gradientul. Aceasta înseamnă că permeabilitatea membranei pentru sodiu devine mai mare decât pentru potasiu. La un moment dat, aproape toate canalele de sodiu se deschid. Acest lucru se întâmplă ca o avalanșă: din punctul în care a venit stimulul, în ambele direcții. Astfel, concentrația de sodiu în celulă crește brusc.
După aceea, concentrațiile ionilor ar trebui să revină la cele inițiale. Aceasta oferă o proprietate comună a canalelor precum refractaritatea: un canal care a funcționat este inactiv pentru ceva timp după aceea și nu poate fi excitat sub acțiunea unui stimul iritant.
Canalele de sodiu în momentul răspunsului maxim la iritare devin refractare, permeabilitatea sodiului scade brusc. Canalele de potasiu, dimpotrivă, încep să funcționeze activ, iar curentul de potasiu din celulă crește. Astfel, un exces de ioni încărcați pozitiv părăsește celula și se restabilește potențialul inițial de repaus. În această perioadă de timp, până când canalele de sodiu și potențialul inițial sunt restaurate (acest lucru poate dura aproximativ o milisecundă), celula nu este capabilă să excite.
Deoarece capacitatea celulelor de a excita asigură funcționarea organismului în ansamblu și posibilitatea controlului central al tuturor celulelor corpului, otrăvurile care blochează canalele sunt printre cele mai periculoase pentru oameni și multe animale.
Unul dintre cei mai temuți blocanți ai canalelor este tetrodotoxina, o substanță produsă de peștii puffer. Pentru el, valoarea DL50 (50% Level of Death - doza din care vor muri 50 de oameni dintr-o sută) este de 10 miligrame pe kilogram de greutate, adică de aproximativ o mie de ori mai puțin decât pentru cianura. Moleculele sale se leagă strâns de proteina canalului de sodiu atunci când este închisă și blochează complet posibilitatea unui potențial de acțiune. Unele alge produc toxine similare. Veninul de scorpion, dimpotrivă, menține toate canalele într-o stare permanent deschisă.
Ei bine, un scorpion, dar de ce o astfel de armă teribilă pentru alge este un mister.
Ai ceva de spus? Lasa un comentariu!.
Proprietățile canalelor ionice
Selectivitatea este permeabilitatea crescută selectivă a IR pentru anumiți ioni. Pentru alți ioni, permeabilitatea este redusă. O astfel de selectivitate este determinată de filtrul selectiv - cel mai îngust punct al porului canalului. Filtrul, pe lângă dimensiunile înguste, poate avea și un local incarcare electrica. De exemplu, canalele selective de cationi au de obicei reziduuri de aminoacizi încărcate negativ în molecula de proteină din regiunea filtrului lor selectiv, care atrag cationii pozitivi și resping anionii negativi, împiedicându-i să treacă prin por.
Permeabilitatea controlată este capacitatea IC de a deschide sau închide sub anumite acțiuni de control pe canal. Un canal închis are o permeabilitate redusă, iar un canal deschis are una crescută. Conform acestei proprietăți, IC-urile pot fi clasificate în funcție de metodele de descoperire a acestora: de exemplu, activate cu potențial, activate cu ligand etc.
Inactivarea este capacitatea CI de a-și reduce automat permeabilitatea la ceva timp după deschidere, chiar dacă factorul de activare care le-a deschis continuă să funcționeze. Inactivarea rapidă este un proces special cu un mecanism specific propriu, diferit de închiderea lentă a canalului (inactivarea lentă). Închiderea (inactivarea lentă) a canalului are loc din cauza proceselor care sunt opuse proceselor care au asigurat deschiderea acestuia, adică. prin modificarea conformaţiei proteinei canalului. Dar, de exemplu, în canalele activate de tensiune, inactivarea rapidă are loc cu ajutorul unui dop molecular special, asemănător unui dop pe un lanț, care este de obicei folosit în băi. Acest dop este o buclă de aminoacizi (polipeptidă) cu o îngroșare la capăt sub formă de trei aminoacizi, care închide gura interioară a canalului din partea laterală a citoplasmei. De aceea, circuitele integrate dependente de tensiune pentru sodiu, care asigură dezvoltarea unui potențial de acțiune și mișcarea unui impuls nervos, pot lăsa ionii de sodiu să intre în celulă doar pentru câteva milisecunde, iar apoi sunt închise automat de dopurile lor moleculare, în ciuda faptului că depolarizarea care le deschide continuă să acționeze. Un alt mecanism de inactivare a CI poate fi modificarea gurii intracelulare a canalului cu subunități suplimentare.
Blocarea este capacitatea IR sub acțiunea substanțelor de blocare de a fixa una dintre stările sale și de a nu răspunde la acțiunile obișnuite de control. În această stare, canalul pur și simplu nu mai răspunde la acțiunile de control. Blocarea este cauzată de substanțe blocante, care pot fi numite antagoniști, blocanți sau litici. Antagoniştii sunt substanţe care împiedică acţiunea activatoare a altor substanţe asupra CI. Astfel de substanțe sunt capabile să se lege bine de situsul receptorului IR, dar nu sunt capabile să schimbe starea canalului și să provoace răspunsul acestuia. Se dovedește blocarea receptorului și, împreună cu aceasta, blocarea IR. Trebuie amintit că antagoniștii nu provoacă neapărat blocarea completă a receptorului și a IR-ului acestuia, ei pot acționa mai slab și doar inhibă (asupresc) canalul, dar nu îl opresc complet.Agoniștii-antagoniști sunt substanțe care au un efect de stimulare slab. asupra receptorului, dar blocând acțiunea substanțelor naturale de control endogene. Blocanții sunt substanțe care împiedică funcționarea unui canal ionic, de exemplu, interacțiunea unui mediator cu un receptor molecular pentru acesta și, prin urmare, perturbă controlul canalului, blocându-l. De exemplu, acțiunea acetilcolinei este blocată de anticolinergice; norepinefrină cu adrenalină - blocante; histamină - blocante de histamină, etc. Mulți blocanți sunt utilizați în scopuri terapeutice ca medicamente. Liticii sunt aceleași blocante, termenul este mai vechi și este folosit ca sinonim pentru un blocant: anticolinergic, adrenolitic etc.
Plasticitatea este capacitatea unui IC de a-și schimba proprietățile, caracteristicile. Cel mai comun mecanism care asigură plasticitatea este fosforilarea aminoacizilor proteinelor canale din partea interioară a membranei de către enzimele protein kinazei. Reziduurile de fosfor din ATP sau GTP sunt atașate de proteinele canalului - iar canalul își schimbă proprietățile. De exemplu, este fixat într-o stare permanent închisă sau, dimpotrivă, într-o stare deschisă.
12. Canale ionice...
Canalul ionic este format din mai multe subunități, numărul acestora într-un singur canal ionic variază de la 3 la 12 subunități. Prin organizarea lor, subunitățile incluse în canal pot fi omoloage (de același tip), un număr de canale fiind formate din subunități de diferite tipuri.
Fiecare dintre subunități este formată din mai multe (trei sau mai multe) segmente transmembranare (părți nepolare răsucite în elice α), din bucle extra și intracelulare și secțiuni terminale ale domeniilor (reprezentate prin regiuni polare ale moleculelor care formează un domeniu și ies în afară). dincolo de stratul bilipid al membranei) .
Fiecare dintre segmentele transmembranare, buclele extra și intracelulare și secțiunile terminale ale domeniilor își îndeplinesc propria funcție.
Astfel, segmentul transmembranar 2, organizat sub forma unui α-helix, determină selectivitatea canalului.
Regiunile terminale ale domeniului acționează ca senzori pentru liganzii extra și intracelulari, iar unul dintre segmentele transmembranare joacă rolul unui senzor dependent de tensiune.
Cele trei segmente transmembranare din subunitate sunt responsabile pentru funcționarea sistemului de canal portal etc.
Canalele ionice funcționează prin mecanismul difuziei facilitate. Când canalele sunt activate, mișcarea ionilor de-a lungul acestora urmează un gradient de concentrație. Viteza de mișcare prin membrană este de 10 ioni pe secundă.
Specificitatea canalelor ionice.
Majoritatea sunt selective, adică. canale care permit trecerea unui singur tip de ion (canale de sodiu, canale de potasiu, canale de calciu, canale anionice).
selectivitatea canalului.
Selectivitatea canalului este determinată de prezența unui filtru selectiv.
Rolul său este jucat de secțiunea inițială a canalului, care are o anumită sarcină, configurație și dimensiune (diametru), care permite doar un anumit tip de ioni să treacă în canal.
Unele dintre canalele ionice sunt neselective, cum ar fi canalele „scurgeri”. Acestea sunt canale membranare prin care, în repaus, de-a lungul gradientului de concentrație, ionii K + părăsesc celula, totuși, prin aceste canale, o cantitate mică de ioni de Na + intră și în celula în repaus de-a lungul gradientului de concentrație.
Senzor canal ionic.
Senzorul canalului ionic este o parte sensibilă a canalului care percepe semnale, a căror natură poate fi diferită.
Pe această bază, există:
canale ionice dependente de tensiune;
canale ionice dependente de receptor;
controlat de ligand (dependent de ligand);
controlat mecanic (dependent mecanic).
Canalele care au un senzor se numesc controlate. Unele canale nu au senzor. Astfel de canale se numesc negestionate.
Sistemul de poartă al canalului ionic.
Canalul are o poartă care este închisă în repaus și se deschide când este aplicat un semnal. În unele canale se disting două tipuri de porți: activare (m-gates) și inactivare (h-gates).
Există trei stări ale canalelor ionice:
o stare de repaus, când poarta este închisă și canalul este inaccesibil ionilor;
starea de activare, când sistemul de poartă este deschis și ionii se deplasează prin membrană de-a lungul canalului;
starea de inactivare, când canalul este închis și nu răspunde la stimuli.
Viteza de conducere (conductivitate).
Există canale rapide și lente. Canalele de scurgere sunt lente, canalele de sodiu din neuroni sunt rapide.
În membrana oricărei celule există un set mare de diverse canale ionice (în termeni de viteză), a căror activare determină starea funcțională a celulelor.
canale controlate de tensiune.
Canalul potențial controlat constă din:
filtru selectiv;
porți de activare și inactivare;
senzor de tensiune.
porii umpluți cu apă;
Diametrul canalului este mult mai mare decât diametrul ionilor; în zona filtrului selectiv, se îngustează la dimensiuni atomice, ceea ce asigură că această secțiune a canalului îndeplinește funcția de filtru selectiv.
Deschiderea și închiderea mecanismului de poartă are loc atunci când potențialul de membrană se modifică, iar poarta se deschide la o valoare a potențialului de membrană și se închide la un nivel diferit al potențialului de membrană.
Se crede că modificarea câmpului electric al membranei este percepută de o secțiune specială a peretelui canalului, care se numește senzor de tensiune.
O modificare a stării sale, datorită unei modificări a nivelului potențialului de membrană, determină conformarea moleculelor proteice care formează canalul și, ca urmare, duce la deschiderea sau închiderea porții canalului ionic.
Canalele (sodiu, calciu, potasiu) au patru domenii omoloage - subunități (I, II, III, IV). Domeniul (de exemplu, canalele de sodiu) este format din șase segmente transmembranare organizate sub formă de elice a, fiecare dintre acestea având rolul său.
Astfel, segmentul transmembranar 5 joacă rolul unui por, segmentul transmembranar 4 este un senzor care răspunde la modificările potenţialului membranei, iar alte segmente transmembranare sunt responsabile pentru activarea şi inactivarea sistemului de canal portal. Până la final, rolul segmentelor și subunităților transmembranare individuale nu a fost studiat.
Canalele de sodiu (diametrul intern 0,55 nm) sunt prezente în celulele țesuturilor excitabile. Densitatea pe 1 µm 2 în diferite țesuturi nu este aceeași.
Deci, în fibrele nervoase nemielinizate, este de 50-200 de canale, iar în fibrele nervoase mielinice (interceptări Ranvier) - 13.000 pe 1 micron 2 suprafață de membrană. În repaus, sunt închise. Potențialul membranei este de 70-80 mV.
Expunerea la un stimul modifică potențialul membranei și activează un canal de sodiu dependent de tensiune.
Este activat atunci când potențialul membranei se deplasează de la nivelul potențialului de repaus către nivelul critic de depolarizare.
Un curent puternic de sodiu asigură o schimbare a potențialului membranei la un nivel critic de depolarizare (CDL).
Modificarea potențialului membranei până la -50-40 mV, adică la nivelul unui nivel critic de depolarizare, determină deschiderea altor canale Na + dependente de tensiune, prin care se realizează curentul de sodiu de intrare, care formează „vârful” potențialului de acțiune.
Ionii de sodiu se deplasează în celulă de-a lungul gradientului de concentrație și gradientului chimic prin canal, formând așa-numitul curent de sodiu de intrare, care duce la dezvoltarea rapidă în continuare a procesului de depolarizare.
Potențialul membranei se schimbă semnul opus +10-20 mV. Un potențial membranar pozitiv face ca canalele de sodiu să se închidă și să devină inactivate.
Canalele Na + dependente de potențial joacă un rol principal în formarea potențialului de acțiune, adică. proces de excitare în celulă.
Ionii de calciu împiedică deschiderea canalelor de sodiu dependente de tensiune prin modificarea parametrilor de răspuns.
LA + -canale
Canalele de potasiu (diametrul intern 0,30 nm) sunt prezente în membranele citoplasmatice, s-au găsit un număr semnificativ de canale pentru „scurgerile” de potasiu din celulă.
În repaus, sunt deschise. Prin ele, în repaus, potasiul „se scurge” din celulă de-a lungul gradientului de concentrație și a gradientului electrochimic.
Acest proces este denumit curent de potasiu de ieșire, care duce la formarea unui potențial de repaus membranar (-70-80 mV). Aceste canale de potasiu pot fi clasificate doar condiționat ca dependente de tensiune.
Când potențialul membranei se modifică în timpul depolarizării, curentul de potasiu este inactivat.
În timpul repolarizării, prin canalele dependente de tensiune se formează un curent K + de intrare, care se numește curent K + de redresare întârziată.
Un alt tip de canale K + dependente de tensiune. Un curent rapid de potasiu în exterior apare de-a lungul acestora în regiunea subprag a potențialului de membrană (potenţial de urmă pozitiv). Inactivarea canalului apare din cauza hiperpolarizării urmei.
Un alt tip de canale de potasiu dependente de tensiune este activat numai după o hiperpolarizare preliminară, formează un curent rapid de potasiu tranzitoriu, care este rapid inactivat.
Ionii de calciu facilitează deschiderea canalelor de potasiu dependente de tensiune prin modificarea parametrilor de răspuns.
Sa + -canale.
Canalele cu potenţial declanşat au o contribuţie semnificativă atât la reglarea intrării calciului în citoplasmă, cât şi la electrogeneza.
Proteinele care formează canalele de calciu constau din cinci subunități (al, a2, b, g, d).
Subunitatea principală formează canalul în sine și conține locuri de legare pentru diverși modulatori ai canalelor de calciu.
Mai multe subunități al canalelor de calciu distincte structural au fost găsite în celulele nervoase de mamifere (denumite A, B, C, D și E).
Din punct de vedere funcțional, diferitele tipuri de canale de calciu diferă unele de altele prin activare, cinetică, conductanță pe un singur canal și farmacologie.
Până la șase tipuri de canale de calciu dependente de tensiune au fost descrise în celule (canale T - , L - , N - , P - , Q - , R - canale).
Activitatea canalelor membranare plasmatice dependente de voltaj este reglată de diverși mesageri secundari intracelulari și proteine G legate de membrană.
Canalele de calciu dependente de tensiune se găsesc în număr mare în membranele citoplasmatice ale neuronilor, miocitele mușchilor netezi, striați și cardiaci și în membranele reticulului endoplasmatic.
Canalele de Ca2+ ale SPR sunt proteine oligomerice încorporate în membrana SPR.
Sa 2+ - controlat Sa 2+ - Canale SPR.
Aceste canale de calciu au fost mai întâi izolate din mușchii scheletici și cardiaci.
S-a dovedit că canalele de Ca 2+ ale SPR din aceste țesuturi musculare au diferențe moleculare și sunt codificate de gene diferite.
Canalele de Ca 2+ ale SPR din mușchii cardiaci sunt conectate direct cu canalele de Ca 2+ cu prag înalt ale membranei plasmatice (tip L) prin proteine care leagă calciul, formând astfel o structură activă funcțional - o „triada”.
În mușchii scheletici, depolarizarea plasmalemei activează direct eliberarea de Ca 2+ din reticulul endoplasmatic datorită faptului că canalele de Ca 2+ ale membranei plasmatice servesc ca transmițători sensibili la tensiune ai semnalului de activare direct către canalele de Ca 2+ ale SPR prin proteine de legare.
Astfel, depozitele de Ca 2+ ale mușchilor scheletici au un mecanism de eliberare a Ca 2+ indus de depolarizare (tip RyRl).
Spre deosebire de mușchii scheletici, canalele endoplasmatice de Ca 2+ ale cardiomiocitelor nu sunt asociate cu plasmalema, iar pentru a stimula eliberarea Ca 2+ din depozit este necesară o creștere a concentrației de calciu citosolic (tip RyR2).
Pe lângă aceste două tipuri de canale Ca 2h activate cu Ca 2+, a fost identificat recent un al treilea tip de canale Ca 2+ SPR (tip RyR3), care nu a fost încă suficient studiat.
Toate canalele de calciu se caracterizează prin activare lentă și inactivare lentă în comparație cu canalele de sodiu.
Când celula musculară este depolarizată (proeminențele membranelor citoplasmatice - tubulii T se apropie de membranele reticulului endoplasmatic), apare o deschidere dependentă de tensiune a canalelor de calciu ale membranelor reticulului sarcoplasmatic.
Deoarece, pe de o parte, concentrația de calciu din SPR este mare (depozit de calciu), iar concentrația de calciu din citoplasmă este scăzută, iar, pe de altă parte, aria membranei SPR și densitatea calciului canalele din acesta sunt mari, nivelul de calciu din citoplasmă crește de 100 de ori.
Această creștere a concentrației de calciu inițiază procesul de contracție a miofibrilelor.
Canalele de calciu din cardiomiocite sunt situate în membrana citoplasmatică și sunt canale de calciu de tip L.
Ele sunt activate la un potențial de membrană de +20-40 mV, formează un curent de calciu de intrare. Sunt în stare activată pentru o perioadă lungă de timp, formează un „platou” al potențialului de acțiune al cardiomiocitelor.
canale anionice.
Cel mai mare număr de canale pentru clor în membrana celulară. Există mai puțini ioni de clorură în celulă în comparație cu mediul intercelular. Prin urmare, atunci când canalele se deschid, clorul intră în celulă de-a lungul gradientului de concentrație și a gradientului electrochimic.
Numărul de canale pentru HCO 3 nu este atât de mare, volumul de transport al acestui anion prin canale este mult mai mic.
schimbătoare de ioni.
Membrana conține schimbătoare de ioni (proteine purtătoare) care realizează difuzia facilitată a ionilor, adică mișcarea accelerată cuplată a ionilor prin biomembrană de-a lungul gradientului de concentrație, astfel de procese sunt independente de ATP.
Cele mai cunoscute sunt schimbătoarele Na + -H +, K + -H +, Ca 2+ -H +, precum și schimbătoarele care asigură schimbul de cationi pentru anioniNa + -HCO- 3, 2CI-Ca 2+ și schimbătoarele care asigură schimbul de cation cu cation (Na + -Ca 2+) sau anion per anion (Cl- HCO3).
Canale ionice activate de receptor.
Canale ionice dependente de ligand (activate de ligand).
Canalele ionice dependente de ligand sunt o subspecie de canale dependente de receptor și sunt întotdeauna combinate cu un receptor pentru o substanță activă biologic (BAS).
Receptorii canalelor considerate aparțin tipului ionotrop de receptori membranari, atunci când interacționează cu substanțe biologic active (liganzi), apar reacții rapide.
Un canal ionic dependent de ligand este format din:
porii umpluți cu apă;
filtru selectiv;
poarta de activare;
situs de legare a ligandului (receptor). BAS activ de înaltă energie are un nivel ridicat
afinitate (afinitate) pentru un anumit tip de receptor. Când canalele ionice sunt activate, anumiți ioni se deplasează de-a lungul unui gradient de concentrație și a unui gradient electrochimic.
Într-un receptor de membrană, situsul de legare a ligandului poate fi accesibil ligandului de pe suprafața exterioară a membranei.
În acest caz, hormonii și parahormonii, ionii acționează ca un ligand.
Deci, atunci când receptorii N-colinergici sunt activați, canalele de sodiu sunt activate.
Permeabilitatea calciului este inițiată de receptorii neuronali cu acetilcolină, glutamat (NMDA și AMPA/kainattips) și receptorii de purină.
Receptorii GABA A sunt cuplati la canalele de clorură ionice, iar receptorii de glicină sunt, de asemenea, cuplati la canalele de clorură.
Într-un receptor de membrană, situsul de legare a ligandului poate fi accesibil liganzilor de pe suprafața interioară a membranei.
În acest caz, protein kinazele activate de mesagerii secundari sau mesagerii secundi acţionează ca liganzi.
Deci, protein kinazele A, C, G, prin fosforilarea proteinelor canalelor cationice, își modifică permeabilitatea.
Canale ionice controlate mecanic.
Canalele ionice controlate mecanic își modifică conductivitatea pentru ioni fie prin modificarea tensiunii stratului bilipid, fie prin citoscheletul celular. Multe canale controlate mecanic sunt asociate cu mecanoreceptorii; ele există în celulele auditive, fusurile musculare și endoteliul vascular.
Toate canalele controlate mecanic sunt împărțite în două grupuri:
celule activate prin întindere (SAC);
celule inactivate prin întindere (SIC).
Canalele controlate mecanic au toate caracteristicile principale ale canalului:
porul umplut cu apă;
mecanism de poartă;
senzor de întindere.
Când canalul este activat, ionii se deplasează de-a lungul gradientului de concentrație de-a lungul acestuia.
ATPaza de sodiu, potasiu.
ATPaza de sodiu, potasiu (pompa sodiu-potasiu, pompa sodiu-potasiu).
Constă din patru domenii transmembranare: două subunități α și două subunități β. Subunitatea α este un domeniu mare, iar subunitatea β este una mică. În timpul transportului ionic, subunitățile mari sunt fosforilate și ionii se deplasează prin ele.
ATPaza de sodiu, potasiu joacă un rol crucial în menținerea homeostaziei sodiului și potasiului în mediul intra și extracelular:
suporturi nivel inalt K + și niveluri scăzute de Na + în celulă;
participa la formarea potentialului membranar de repaus, la generarea potentialului de actiune;
asigură transportul Na + conjugat al majorității substanțelor organice prin membrană (transport activ secundar);
afectează în mod semnificativ homeostazia H2O.
ATPaza de sodiu, potasiu, are cea mai importantă contribuție la formarea asimetriei ionice în spațiile extra și intracelulare.
Lucrarea în faze a pompei de sodiu și potasiu asigură un schimb neechivalent de potasiu și sodiu prin membrană.
Sa + -ATPaza (pompa).
Există două familii de pompe de Ca 2+ responsabile de eliminarea ionilor de Ca 2+ din citoplasmă: pompele de Ca 2+ ale membranei plasmatice și pompele de Ca 2+ ale reticulului endoplasmatic.
Deși aparțin aceleiași familii de proteine (așa-numita clasă P a ATPazelor), aceste pompe prezintă unele diferențe de structură, activitate funcțională și farmacologie.
Se găsește în cantități mari în membrana citoplasmatică. În citoplasma celulei în repaus, concentrația de calciu este de 10-7 mol/l, iar în afara celulei este mult mai mare de -10-3 mol/l.
O astfel de diferență semnificativă în concentrații este menținută datorită activității Ca++-ATPazei citoplasmatice.
Activitatea pompei de Ca 2+ a membranei plasmatice este controlată direct de Ca 2+: o creștere a concentrației de calciu liber în citosol activează pompa de Ca 2+.
În repaus, aproape nu există difuzie prin canalele ionice de calciu.
Ca-ATPaza transportă Ca din celulă în mediul extracelular împotriva gradientului său de concentrație. De-a lungul gradientului, Ca + intră în celulă datorită difuziei prin canalele ionice.
Membrana reticulului endoplasmatic contine si o cantitate mare de Ca++-ATPaza.
Pompa de calciu a reticulului endoplasmatic (SERCA) asigură îndepărtarea calciului din citosol către reticulul endoplasmatic – „depozit” de calciu datorită transportului activ primar.
În depozit, calciul se leagă de proteinele care leagă calciul (calsequestrin, calreticulin etc.).
Cel puțin trei izoforme diferite ale pompelor SERCA au fost descrise până acum.
Subtipul SERCA1 este concentrat exclusiv în mușchii scheletici rapizi, în timp ce pompele SERCA2 sunt răspândite în alte țesuturi. Semnificația pompelor SERCA3 este mai puțin clară.
Proteinele SERCA2-nacos sunt împărțite în două izoforme diferite: SERCA2a, caracteristică cardiomiocitelor și mușchilor netezi și SERCA2b, caracteristică țesuturilor cerebrale.
O creștere a Ca 2+ în citosol activează absorbția ionilor de calciu în reticulul endoplasmatic, în timp ce o creștere a calciului liber în reticulul endoplasmatic inhibă pompele SERCA.
H + K + -ATPaza (pompă).
Cu ajutorul acestei pompe (ca urmare a hidrolizei unei molecule de ATP) în celulele de căptușeală (parietale) ale mucoasei gastrice, doi ioni de potasiu sunt transportați din spațiul extracelular în celulă și doi ioni H + din citosol. spre spațiul extracelular în timpul hidrolizei unei molecule. Acest mecanism stă la baza formării acidului clorhidric în stomac.
Clasa pompe ioniceF.
ATPaza mitocondrială. Catalizează etapa finală în sinteza ATP. Criptele mitocondriale conțin ATP sintetaza, care cuplează oxidarea în ciclul Krebs și fosforilarea ADP la ATP.
Clasa pompe ioniceV.
H + -ATPaza lizozomală (pompe de protoni lizozomiale) - pompe de protoni care asigură transportul H + din citosol către o serie de organite lizozomale, aparatul Golgi, veziculele secretoare. Ca urmare, valoarea pH-ului scade, de exemplu, în lizozomi la 5,0, ceea ce optimizează activitatea acestor structuri.
Caracteristicile transportului ionic
1. Transmembrană semnificativă și asimetrică! gradient pentru Na+ și K+ în repaus.
Sodiul în afara celulei (145 mmol/l) este de 10 ori mai mare decât în celulă (14 mmol/l).
Există de aproximativ 30 de ori mai mult potasiu în celulă (140 mmol/l) decât în afara celulei (4 mmol/l).
Această caracteristică a distribuției ionilor de sodiu și potasiu:
homeostatizat prin munca Na + /K + -nacoca;
formează în repaus curentul de potasiu de ieșire (canal de scurgere);
generează potenţial de odihnă;
activitatea oricăror canale de potasiu (dependente de tensiune, dependente de calciu, dependente de ligand) vizează formarea curentului de potasiu de ieșire.
Aceasta fie readuce starea membranei la nivelul inițial (activarea canalelor dependente de tensiune în faza de repolarizare), fie hiperpolarizează membrana (canale dependente de calciu, dependente de ligand, inclusiv cele activate de sisteme de mediatori secundari).
Trebuie avut în vedere că:
mișcarea potasiului prin membrană se realizează prin transport pasiv;
formarea excitației (potențialului de acțiune) se datorează întotdeauna curentului de sodiu de intrare;
activarea oricăror canale de sodiu provoacă întotdeauna un curent de sodiu în interior;
mișcarea sodiului prin membrană se realizează aproape întotdeauna prin transport pasiv;
în celulele epiteliale care formează un perete din diferite tuburi și cavități în țesuturi (intestin subțire, tubuli nefronici etc.), în membrana exterioară există întotdeauna un număr mare de canale de sodiu care asigură un curent de sodiu de intrare atunci când sunt activate, iar în membrana bazală - un număr mare de pompe de sodiu și potasiu care pompează sodiul din celulă. O astfel de distribuție asimetrică a acestor sisteme de transport pentru sodiu asigură transportul transcelular al acestuia, adică. din lumenul intestinal, tubii renali în mediul intern al corpului;
transportul pasiv al sodiului în celulă de-a lungul gradientului electrochimic duce la acumularea de energie, care este utilizată pentru transportul activ secundar al multor substanțe.
2. Nivel scăzut de calciu în citosolul celulei.
În celula în repaus, conținutul de calciu (50 nmol/l) este de 5000 de ori mai mic decât în afara celulei (2,5 mmol/l).
Un nivel atât de scăzut de calciu în citosol nu este întâmplător, deoarece calciul în concentrații de 10-100 de ori mai mari decât cel inițial acționează ca un al doilea mediator intracelular în realizarea semnalului.
În astfel de condiții, o creștere rapidă a calciului în citosol este posibilă datorită activării canalelor de calciu (difuzie facilitată), care sunt prezente în cantități mari în membrana citoplasmatică și în membrana reticulului endoplasmatic (reticulul endoplasmatic - „depozit”. „de calciu în celulă).
Formarea fluxurilor de calciu, care are loc datorită deschiderii canalelor, asigură o creștere semnificativă fiziologic a concentrației de calciu în citosol.
Nivelul scăzut de calciu din citosolul celulei este menținut prin schimbători de Ca 2+ -ATPaza, Na + /Ca 2+, proteinele de legare a calciului ale citosolului.
Pe lângă legarea rapidă a Ca 2+ citosolic de către proteinele intracelulare de legare a Ca 2+, ionii de calciu care intră în citosol pot fi acumulați de aparatul Golgi sau de nucleul celular și capturați de depozitele de Ca 2+ mitocondriale.
3. Nivel scăzut de clor în celulă.
În celula în repaus, conținutul de clor (8 mmol/l) este de peste 10 ori mai mic decât în exteriorul celulei (110 mmol/l).
Această stare este menținută prin funcționarea transportorului K + /Cl-.
Modificarea stării funcționale a celulei este asociată (sau cauzată) cu o modificare a permeabilității membranei pentru clor. La activarea canalelor de clorură dependente de voltaj și ligand, ionul intră în citosol prin canal prin transport pasiv.
În plus, intrarea clorului în citosol este formată de cotransportatorul Na+/K+/2CH și schimbătorul CG-HCO3.
Intrarea clorului in celula creste polaritatea membranei pana la hiperpolarizare.
Caracteristicile transportului ionic joacă un rol fundamental în formarea fenomenelor bioelectrice în organele și țesuturile care codifică informația, determină starea funcțională a acestor structuri, trecerea lor de la o stare funcțională la alta.
12. Canale ionice...
Canalul ionic este format din mai multe subunități, numărul acestora într-un singur canal ionic variază de la 3 la 12 subunități. Prin organizarea lor, subunitățile incluse în canal pot fi omoloage (de același tip), un număr de canale fiind formate din subunități de diferite tipuri.
Fiecare dintre subunități este formată din mai multe (trei sau mai multe) segmente transmembranare (părți nepolare răsucite în elice α), din bucle extra și intracelulare și secțiuni terminale ale domeniilor (reprezentate prin regiuni polare ale moleculelor care formează un domeniu și ies în afară). dincolo de stratul bilipid al membranei) .
Fiecare dintre segmentele transmembranare, buclele extra și intracelulare și secțiunile terminale ale domeniilor își îndeplinesc propria funcție.
Astfel, segmentul transmembranar 2, organizat sub forma unui α-helix, determină selectivitatea canalului.
Regiunile terminale ale domeniului acționează ca senzori pentru liganzii extra și intracelulari, iar unul dintre segmentele transmembranare joacă rolul unui senzor dependent de tensiune.
Cele trei segmente transmembranare din subunitate sunt responsabile pentru funcționarea sistemului de canal portal etc.
Canalele ionice funcționează prin mecanismul difuziei facilitate. Când canalele sunt activate, mișcarea ionilor de-a lungul acestora urmează un gradient de concentrație. Viteza de mișcare prin membrană este de 10 ioni pe secundă.
Specificitatea canalelor ionice.
Majoritatea sunt selective, adică. canale care permit trecerea unui singur tip de ion (canale de sodiu, canale de potasiu, canale de calciu, canale anionice).
selectivitatea canalului.
Selectivitatea canalului este determinată de prezența unui filtru selectiv.
Rolul său este jucat de secțiunea inițială a canalului, care are o anumită sarcină, configurație și dimensiune (diametru), care permite doar un anumit tip de ioni să treacă în canal.
Unele dintre canalele ionice sunt neselective, cum ar fi canalele „scurgeri”. Acestea sunt canale membranare prin care, în repaus, de-a lungul gradientului de concentrație, ionii K + părăsesc celula, totuși, prin aceste canale, o cantitate mică de ioni de Na + intră și în celula în repaus de-a lungul gradientului de concentrație.
Senzor canal ionic.
Senzorul canalului ionic este o parte sensibilă a canalului care percepe semnale, a căror natură poate fi diferită.
Pe această bază, există:
canale ionice dependente de tensiune;
canale ionice dependente de receptor;
controlat de ligand (dependent de ligand);
controlat mecanic (dependent mecanic).
Canalele care au un senzor se numesc controlate. Unele canale nu au senzor. Astfel de canale se numesc negestionate.
Sistemul de poartă al canalului ionic.
Canalul are o poartă care este închisă în repaus și se deschide când este aplicat un semnal. În unele canale se disting două tipuri de porți: activare (m-gates) și inactivare (h-gates).
Există trei stări ale canalelor ionice:
o stare de repaus, când poarta este închisă și canalul este inaccesibil ionilor;
starea de activare, când sistemul de poartă este deschis și ionii se deplasează prin membrană de-a lungul canalului;
starea de inactivare, când canalul este închis și nu răspunde la stimuli.
Viteza de conducere (conductivitate).
Există canale rapide și lente. Canalele de scurgere sunt lente, canalele de sodiu din neuroni sunt rapide.
În membrana oricărei celule există un set mare de diverse canale ionice (în termeni de viteză), a căror activare determină starea funcțională a celulelor.
canale controlate de tensiune.
Canalul potențial controlat constă din:
filtru selectiv;
porți de activare și inactivare;
senzor de tensiune.
porii umpluți cu apă;
Diametrul canalului este mult mai mare decât diametrul ionilor; în zona filtrului selectiv, se îngustează la dimensiuni atomice, ceea ce asigură că această secțiune a canalului îndeplinește funcția de filtru selectiv.
Deschiderea și închiderea mecanismului de poartă are loc atunci când potențialul de membrană se modifică, iar poarta se deschide la o valoare a potențialului de membrană și se închide la un nivel diferit al potențialului de membrană.
Se crede că modificarea câmpului electric al membranei este percepută de o secțiune specială a peretelui canalului, care se numește senzor de tensiune.
O modificare a stării sale, datorită unei modificări a nivelului potențialului de membrană, determină conformarea moleculelor proteice care formează canalul și, ca urmare, duce la deschiderea sau închiderea porții canalului ionic.
Canalele (sodiu, calciu, potasiu) au patru domenii omoloage - subunități (I, II, III, IV). Domeniul (de exemplu, canalele de sodiu) este format din șase segmente transmembranare organizate sub formă de elice a, fiecare dintre acestea având rolul său.
Astfel, segmentul transmembranar 5 joacă rolul unui por, segmentul transmembranar 4 este un senzor care răspunde la modificările potenţialului membranei, iar alte segmente transmembranare sunt responsabile pentru activarea şi inactivarea sistemului de canal portal. Până la final, rolul segmentelor și subunităților transmembranare individuale nu a fost studiat.
Canalele de sodiu (diametrul intern 0,55 nm) sunt prezente în celulele țesuturilor excitabile. Densitatea pe 1 µm 2 în diferite țesuturi nu este aceeași.
Deci, în fibrele nervoase nemielinizate, este de 50-200 de canale, iar în fibrele nervoase mielinice (interceptări Ranvier) - 13.000 pe 1 micron 2 suprafață de membrană. În repaus, sunt închise. Potențialul membranei este de 70-80 mV.
Expunerea la un stimul modifică potențialul membranei și activează un canal de sodiu dependent de tensiune.
Este activat atunci când potențialul membranei se deplasează de la nivelul potențialului de repaus către nivelul critic de depolarizare.
Un curent puternic de sodiu asigură o schimbare a potențialului membranei la un nivel critic de depolarizare (CDL).
Modificarea potențialului membranei până la -50-40 mV, adică la nivelul unui nivel critic de depolarizare, determină deschiderea altor canale Na + dependente de tensiune, prin care se realizează curentul de sodiu de intrare, care formează „vârful” potențialului de acțiune.
Ionii de sodiu se deplasează în celulă de-a lungul gradientului de concentrație și gradientului chimic prin canal, formând așa-numitul curent de sodiu de intrare, care duce la dezvoltarea rapidă în continuare a procesului de depolarizare.
Potențialul membranei se schimbă semnul opus +10-20 mV. Un potențial membranar pozitiv face ca canalele de sodiu să se închidă și să devină inactivate.
Canalele Na + dependente de potențial joacă un rol principal în formarea potențialului de acțiune, adică. proces de excitare în celulă.
Ionii de calciu împiedică deschiderea canalelor de sodiu dependente de tensiune prin modificarea parametrilor de răspuns.
LA + -canale
Canalele de potasiu (diametrul intern 0,30 nm) sunt prezente în membranele citoplasmatice, s-au găsit un număr semnificativ de canale pentru „scurgerile” de potasiu din celulă.
În repaus, sunt deschise. Prin ele, în repaus, potasiul „se scurge” din celulă de-a lungul gradientului de concentrație și a gradientului electrochimic.
Acest proces este denumit curent de potasiu de ieșire, care duce la formarea unui potențial de repaus membranar (-70-80 mV). Aceste canale de potasiu pot fi clasificate doar condiționat ca dependente de tensiune.
Când potențialul membranei se modifică în timpul depolarizării, curentul de potasiu este inactivat.
În timpul repolarizării, prin canalele dependente de tensiune se formează un curent K + de intrare, care se numește curent K + de redresare întârziată.
Un alt tip de canale K + dependente de tensiune. Un curent rapid de potasiu în exterior apare de-a lungul acestora în regiunea subprag a potențialului de membrană (potenţial de urmă pozitiv). Inactivarea canalului apare din cauza hiperpolarizării urmei.
Un alt tip de canale de potasiu dependente de tensiune este activat numai după o hiperpolarizare preliminară, formează un curent rapid de potasiu tranzitoriu, care este rapid inactivat.
Ionii de calciu facilitează deschiderea canalelor de potasiu dependente de tensiune prin modificarea parametrilor de răspuns.
Sa + -canale.
Canalele cu potenţial declanşat au o contribuţie semnificativă atât la reglarea intrării calciului în citoplasmă, cât şi la electrogeneza.
Proteinele care formează canalele de calciu constau din cinci subunități (al, a2, b, g, d).
Subunitatea principală formează canalul în sine și conține locuri de legare pentru diverși modulatori ai canalelor de calciu.
Mai multe subunități al canalelor de calciu distincte structural au fost găsite în celulele nervoase de mamifere (denumite A, B, C, D și E).
Din punct de vedere funcțional, diferitele tipuri de canale de calciu diferă unele de altele prin activare, cinetică, conductanță pe un singur canal și farmacologie.
Până la șase tipuri de canale de calciu dependente de tensiune au fost descrise în celule (canale T - , L - , N - , P - , Q - , R - canale).
Activitatea canalelor membranare plasmatice dependente de voltaj este reglată de diverși mesageri secundari intracelulari și proteine G legate de membrană.
Canalele de calciu dependente de tensiune se găsesc în număr mare în membranele citoplasmatice ale neuronilor, miocitele mușchilor netezi, striați și cardiaci și în membranele reticulului endoplasmatic.
Canalele de Ca2+ ale SPR sunt proteine oligomerice încorporate în membrana SPR.
Sa 2+ - controlat Sa 2+ - Canale SPR.
Aceste canale de calciu au fost mai întâi izolate din mușchii scheletici și cardiaci.
S-a dovedit că canalele de Ca 2+ ale SPR din aceste țesuturi musculare au diferențe moleculare și sunt codificate de gene diferite.
Canalele de Ca 2+ ale SPR din mușchii cardiaci sunt conectate direct cu canalele de Ca 2+ cu prag înalt ale membranei plasmatice (tip L) prin proteine care leagă calciul, formând astfel o structură activă funcțional - o „triada”.
În mușchii scheletici, depolarizarea plasmalemei activează direct eliberarea de Ca 2+ din reticulul endoplasmatic datorită faptului că canalele de Ca 2+ ale membranei plasmatice servesc ca transmițători sensibili la tensiune ai semnalului de activare direct către canalele de Ca 2+ ale SPR prin proteine de legare.
Astfel, depozitele de Ca 2+ ale mușchilor scheletici au un mecanism de eliberare a Ca 2+ indus de depolarizare (tip RyRl).
Spre deosebire de mușchii scheletici, canalele endoplasmatice de Ca 2+ ale cardiomiocitelor nu sunt asociate cu plasmalema, iar pentru a stimula eliberarea Ca 2+ din depozit este necesară o creștere a concentrației de calciu citosolic (tip RyR2).
Pe lângă aceste două tipuri de canale Ca 2h activate cu Ca 2+, a fost identificat recent un al treilea tip de canale Ca 2+ SPR (tip RyR3), care nu a fost încă suficient studiat.
Toate canalele de calciu se caracterizează prin activare lentă și inactivare lentă în comparație cu canalele de sodiu.
Când celula musculară este depolarizată (proeminențele membranelor citoplasmatice - tubulii T se apropie de membranele reticulului endoplasmatic), apare o deschidere dependentă de tensiune a canalelor de calciu ale membranelor reticulului sarcoplasmatic.
Deoarece, pe de o parte, concentrația de calciu din SPR este mare (depozit de calciu), iar concentrația de calciu din citoplasmă este scăzută, iar, pe de altă parte, aria membranei SPR și densitatea calciului canalele din acesta sunt mari, nivelul de calciu din citoplasmă crește de 100 de ori.
Această creștere a concentrației de calciu inițiază procesul de contracție a miofibrilelor.
Canalele de calciu din cardiomiocite sunt situate în membrana citoplasmatică și sunt canale de calciu de tip L.
Ele sunt activate la un potențial de membrană de +20-40 mV, formează un curent de calciu de intrare. Sunt în stare activată pentru o perioadă lungă de timp, formează un „platou” al potențialului de acțiune al cardiomiocitelor.
canale anionice.
Cel mai mare număr de canale pentru clor în membrana celulară. Există mai puțini ioni de clorură în celulă în comparație cu mediul intercelular. Prin urmare, atunci când canalele se deschid, clorul intră în celulă de-a lungul gradientului de concentrație și a gradientului electrochimic.
Numărul de canale pentru HCO 3 nu este atât de mare, volumul de transport al acestui anion prin canale este mult mai mic.
schimbătoare de ioni.
Membrana conține schimbătoare de ioni (proteine purtătoare) care realizează difuzia facilitată a ionilor, adică mișcarea accelerată cuplată a ionilor prin biomembrană de-a lungul gradientului de concentrație, astfel de procese sunt independente de ATP.
Cele mai cunoscute sunt schimbătoarele Na + -H +, K + -H +, Ca 2+ -H +, precum și schimbătoarele care asigură schimbul de cationi pentru anioniNa + -HCO- 3, 2CI-Ca 2+ și schimbătoarele care asigură schimbul de cation cu cation (Na + -Ca 2+) sau anion per anion (Cl- HCO3).
Canale ionice activate de receptor.
Canale ionice dependente de ligand (activate de ligand).
Canalele ionice dependente de ligand sunt o subspecie de canale dependente de receptor și sunt întotdeauna combinate cu un receptor pentru o substanță activă biologic (BAS).
Receptorii canalelor considerate aparțin tipului ionotrop de receptori membranari, atunci când interacționează cu substanțe biologic active (liganzi), apar reacții rapide.
Un canal ionic dependent de ligand este format din:
porii umpluți cu apă;
filtru selectiv;
poarta de activare;
situs de legare a ligandului (receptor). BAS activ de înaltă energie are un nivel ridicat
afinitate (afinitate) pentru un anumit tip de receptor. Când canalele ionice sunt activate, anumiți ioni se deplasează de-a lungul unui gradient de concentrație și a unui gradient electrochimic.
Într-un receptor de membrană, situsul de legare a ligandului poate fi accesibil ligandului de pe suprafața exterioară a membranei.
În acest caz, hormonii și parahormonii, ionii acționează ca un ligand.
Deci, atunci când receptorii N-colinergici sunt activați, canalele de sodiu sunt activate.
Permeabilitatea calciului este inițiată de receptorii neuronali cu acetilcolină, glutamat (NMDA și AMPA/kainattips) și receptorii de purină.
Receptorii GABA A sunt cuplati la canalele de clorură ionice, iar receptorii de glicină sunt, de asemenea, cuplati la canalele de clorură.
Într-un receptor de membrană, situsul de legare a ligandului poate fi accesibil liganzilor de pe suprafața interioară a membranei.
În acest caz, protein kinazele activate de mesagerii secundari sau mesagerii secundi acţionează ca liganzi.
Deci, protein kinazele A, C, G, prin fosforilarea proteinelor canalelor cationice, își modifică permeabilitatea.
Canale ionice controlate mecanic.
Canalele ionice controlate mecanic își modifică conductivitatea pentru ioni fie prin modificarea tensiunii stratului bilipid, fie prin citoscheletul celular. Multe canale controlate mecanic sunt asociate cu mecanoreceptorii; ele există în celulele auditive, fusurile musculare și endoteliul vascular.
Toate canalele controlate mecanic sunt împărțite în două grupuri:
celule activate prin întindere (SAC);
celule inactivate prin întindere (SIC).
Canalele controlate mecanic au toate caracteristicile principale ale canalului:
porul umplut cu apă;
mecanism de poartă;
senzor de întindere.
Când canalul este activat, ionii se deplasează de-a lungul gradientului de concentrație de-a lungul acestuia.
ATPaza de sodiu, potasiu.
ATPaza de sodiu, potasiu (pompa sodiu-potasiu, pompa sodiu-potasiu).
Constă din patru domenii transmembranare: două subunități α și două subunități β. Subunitatea α este un domeniu mare, iar subunitatea β este una mică. În timpul transportului ionic, subunitățile mari sunt fosforilate și ionii se deplasează prin ele.
ATPaza de sodiu, potasiu joacă un rol crucial în menținerea homeostaziei sodiului și potasiului în mediul intra și extracelular:
menține un nivel ridicat de K + și un nivel scăzut de Na + în celulă;
participa la formarea potentialului membranar de repaus, la generarea potentialului de actiune;
asigură transportul Na + conjugat al majorității substanțelor organice prin membrană (transport activ secundar);
afectează în mod semnificativ homeostazia H2O.
ATPaza de sodiu, potasiu, are cea mai importantă contribuție la formarea asimetriei ionice în spațiile extra și intracelulare.
Lucrarea în faze a pompei de sodiu și potasiu asigură un schimb neechivalent de potasiu și sodiu prin membrană.
Sa + -ATPaza (pompa).
Există două familii de pompe de Ca 2+ responsabile de eliminarea ionilor de Ca 2+ din citoplasmă: pompele de Ca 2+ ale membranei plasmatice și pompele de Ca 2+ ale reticulului endoplasmatic.
Deși aparțin aceleiași familii de proteine (așa-numita clasă P a ATPazelor), aceste pompe prezintă unele diferențe de structură, activitate funcțională și farmacologie.
Se găsește în cantități mari în membrana citoplasmatică. În citoplasma celulei în repaus, concentrația de calciu este de 10-7 mol/l, iar în afara celulei este mult mai mare de -10-3 mol/l.
O astfel de diferență semnificativă în concentrații este menținută datorită activității Ca++-ATPazei citoplasmatice.
Activitatea pompei de Ca 2+ a membranei plasmatice este controlată direct de Ca 2+: o creștere a concentrației de calciu liber în citosol activează pompa de Ca 2+.
În repaus, aproape nu există difuzie prin canalele ionice de calciu.
Ca-ATPaza transportă Ca din celulă în mediul extracelular împotriva gradientului său de concentrație. De-a lungul gradientului, Ca + intră în celulă datorită difuziei prin canalele ionice.
Membrana reticulului endoplasmatic contine si o cantitate mare de Ca++-ATPaza.
Pompa de calciu a reticulului endoplasmatic (SERCA) asigură îndepărtarea calciului din citosol către reticulul endoplasmatic – „depozit” de calciu datorită transportului activ primar.
În depozit, calciul se leagă de proteinele care leagă calciul (calsequestrin, calreticulin etc.).
Cel puțin trei izoforme diferite ale pompelor SERCA au fost descrise până acum.
Subtipul SERCA1 este concentrat exclusiv în mușchii scheletici rapizi, în timp ce pompele SERCA2 sunt răspândite în alte țesuturi. Semnificația pompelor SERCA3 este mai puțin clară.
Proteinele SERCA2-nacos sunt împărțite în două izoforme diferite: SERCA2a, caracteristică cardiomiocitelor și mușchilor netezi și SERCA2b, caracteristică țesuturilor cerebrale.
O creștere a Ca 2+ în citosol activează absorbția ionilor de calciu în reticulul endoplasmatic, în timp ce o creștere a calciului liber în reticulul endoplasmatic inhibă pompele SERCA.
H + K + -ATPaza (pompă).
Cu ajutorul acestei pompe (ca urmare a hidrolizei unei molecule de ATP) în celulele de căptușeală (parietale) ale mucoasei gastrice, doi ioni de potasiu sunt transportați din spațiul extracelular în celulă și doi ioni H + din citosol. spre spațiul extracelular în timpul hidrolizei unei molecule. Acest mecanism stă la baza formării acidului clorhidric în stomac.
Clasa pompe ioniceF.
ATPaza mitocondrială. Catalizează etapa finală în sinteza ATP. Criptele mitocondriale conțin ATP sintetaza, care cuplează oxidarea în ciclul Krebs și fosforilarea ADP la ATP.
Clasa pompe ioniceV.
H + -ATPaza lizozomală (pompe de protoni lizozomiale) - pompe de protoni care asigură transportul H + din citosol către o serie de organite lizozomale, aparatul Golgi, veziculele secretoare. Ca urmare, valoarea pH-ului scade, de exemplu, în lizozomi la 5,0, ceea ce optimizează activitatea acestor structuri.
Caracteristicile transportului ionic
1. Transmembrană semnificativă și asimetrică! gradient pentru Na+ și K+ în repaus.
Sodiul în afara celulei (145 mmol/l) este de 10 ori mai mare decât în celulă (14 mmol/l).
Există de aproximativ 30 de ori mai mult potasiu în celulă (140 mmol/l) decât în afara celulei (4 mmol/l).
Această caracteristică a distribuției ionilor de sodiu și potasiu:
homeostatizat prin munca Na + /K + -nacoca;
formează în repaus curentul de potasiu de ieșire (canal de scurgere);
generează potenţial de odihnă;
activitatea oricăror canale de potasiu (dependente de tensiune, dependente de calciu, dependente de ligand) vizează formarea curentului de potasiu de ieșire.
Aceasta fie readuce starea membranei la nivelul inițial (activarea canalelor dependente de tensiune în faza de repolarizare), fie hiperpolarizează membrana (canale dependente de calciu, dependente de ligand, inclusiv cele activate de sisteme de mediatori secundari).
Trebuie avut în vedere că:
mișcarea potasiului prin membrană se realizează prin transport pasiv;
formarea excitației (potențialului de acțiune) se datorează întotdeauna curentului de sodiu de intrare;
activarea oricăror canale de sodiu provoacă întotdeauna un curent de sodiu în interior;
mișcarea sodiului prin membrană se realizează aproape întotdeauna prin transport pasiv;
în celulele epiteliale care formează un perete din diferite tuburi și cavități în țesuturi (intestin subțire, tubuli nefronici etc.), în membrana exterioară există întotdeauna un număr mare de canale de sodiu care asigură un curent de sodiu de intrare atunci când sunt activate, iar în membrana bazală - un număr mare de pompe de sodiu și potasiu care pompează sodiul din celulă. O astfel de distribuție asimetrică a acestor sisteme de transport pentru sodiu asigură transportul transcelular al acestuia, adică. din lumenul intestinal, tubii renali în mediul intern al corpului;
transportul pasiv al sodiului în celulă de-a lungul gradientului electrochimic duce la acumularea de energie, care este utilizată pentru transportul activ secundar al multor substanțe.
2. Nivel scăzut de calciu în citosolul celulei.
În celula în repaus, conținutul de calciu (50 nmol/l) este de 5000 de ori mai mic decât în afara celulei (2,5 mmol/l).
Un nivel atât de scăzut de calciu în citosol nu este întâmplător, deoarece calciul în concentrații de 10-100 de ori mai mari decât cel inițial acționează ca un al doilea mediator intracelular în realizarea semnalului.
În astfel de condiții, o creștere rapidă a calciului în citosol este posibilă datorită activării canalelor de calciu (difuzie facilitată), care sunt prezente în cantități mari în membrana citoplasmatică și în membrana reticulului endoplasmatic (reticulul endoplasmatic - „depozit”. „de calciu în celulă).
Formarea fluxurilor de calciu, care are loc datorită deschiderii canalelor, asigură o creștere semnificativă fiziologic a concentrației de calciu în citosol.
Nivelul scăzut de calciu din citosolul celulei este menținut prin schimbători de Ca 2+ -ATPaza, Na + /Ca 2+, proteinele de legare a calciului ale citosolului.
Pe lângă legarea rapidă a Ca 2+ citosolic de către proteinele intracelulare de legare a Ca 2+, ionii de calciu care intră în citosol pot fi acumulați de aparatul Golgi sau de nucleul celular și capturați de depozitele de Ca 2+ mitocondriale.
3. Nivel scăzut de clor în celulă.
În celula în repaus, conținutul de clor (8 mmol/l) este de peste 10 ori mai mic decât în exteriorul celulei (110 mmol/l).
Această stare este menținută prin funcționarea transportorului K + /Cl-.
Modificarea stării funcționale a celulei este asociată (sau cauzată) cu o modificare a permeabilității membranei pentru clor. La activarea canalelor de clorură dependente de voltaj și ligand, ionul intră în citosol prin canal prin transport pasiv.
În plus, intrarea clorului în citosol este formată de cotransportatorul Na+/K+/2CH și schimbătorul CG-HCO3.
Intrarea clorului in celula creste polaritatea membranei pana la hiperpolarizare.
Caracteristicile transportului ionic joacă un rol fundamental în formarea fenomenelor bioelectrice în organele și țesuturile care codifică informația, determină starea funcțională a acestor structuri, trecerea lor de la o stare funcțională la alta.
Modelul membranei excitabile conform teoriei Hodgkin-Huxley presupune un transport reglat de ioni prin membrană. Cu toate acestea, tranziția directă a ionului prin stratul dublu lipidic este foarte dificilă și, în consecință, fluxul ionic ar fi, de asemenea, mic.
Aceasta și o serie de alte considerații au dat motive să credem că membrana trebuie să conțină niște structuri speciale - ioni conducători. Astfel de structuri au fost găsite și numite canale ionice. Canale similare au fost izolate din diferite obiecte: membrana plasmatică a celulelor, membrana postsinaptică a celulelor musculare și alte obiecte. Sunt cunoscute și canalele ionice formate de antibiotice.
Principalele proprietăți ale canalelor ionice:
1) selectivitate;
2) independența funcționării canalelor individuale;
3) caracterul discret al conductivității;
4) dependența parametrilor canalului de potențialul membranei.
Să le considerăm în ordine.
1. Selectivitatea este capacitatea canalelor ionice de a transmite selectiv ioni de orice tip.
Chiar și în primele experimente pe axonul calmarului, s-a constatat că ionii Na+ și Km au efecte diferite asupra potențialului membranei. Ionii K+ modifică potențialul de repaus, iar ionii Na+ modifică potențialul de acțiune. În modelul Hodgkin-Huxley, acest lucru este descris prin introducerea de canale independente de ioni de potasiu și sodiu. S-a presupus că primul lasă să treacă doar ioni K+, iar cel din urmă doar ioni Na+.
Măsurătorile au arătat că canalele ionice au selectivitate absolută față de cationi (canale selective pentru cationi) sau față de anioni (canale selective pentru anioni). În același timp, diverși cationi ai diferitelor elemente chimice sunt capabili să treacă prin canalele selective de cationi, dar conductivitatea membranei pentru un ion minor și, prin urmare, curentul prin acesta, va fi semnificativ mai scăzută, de exemplu, pentru Na + -canal, curentul de potasiu prin acesta va fi de 20 de ori mai mic. Capacitatea unui canal ionic de a trece diferiți ioni se numește selectivitate relativă și este caracterizată printr-o serie de selectivitate - raportul conductivităților canalului pentru diferiți ioni luați la aceeași concentrație. În acest caz, pentru ionul principal, selectivitatea este luată ca 1. De exemplu, pentru canalul Na +, această serie are forma:
Na+: K+ = 1: 0,05.
2. Independenta canalelor individuale. Trecerea curentului printr-un canal ionic individual este independent de dacă curentul trece prin alte canale. De exemplu, canalele K + pot fi pornite sau oprite, dar curentul prin canalele Na + nu se modifică. Influența canalelor unul asupra celuilalt are loc indirect: o modificare a permeabilității oricăror canale (de exemplu, sodiu) modifică potențialul membranei și afectează deja conductivitățile altor canale ionice.
3. Natura discretă a conducerii canalelor ionice. Canalele ionice sunt un complex de subunități de proteine care se întinde pe membrană. În centrul său se află un tub prin care pot trece ionii. Numărul de canale ionice pe suprafața membranei de 1 μm 2 a fost determinat folosind un blocant al canalelor de sodiu marcat radioactiv - tetrodotoxină. Se știe că o moleculă de TTX se leagă de un singur canal. Apoi măsurarea radioactivității unei probe cu o zonă cunoscută a făcut posibil să se arate că există aproximativ 500 de canale de sodiu la 1 μm 2 de axon de calmar.
Acei curenți transmembranari care sunt măsurați în experimente convenționale, de exemplu, pe un axon de calmar de 1 cm lungime și 1 mm în diametru, adică o zonă de 3 * 10 7 μm 2, se datorează unui răspuns total (schimbare în conductivitate) de 500 3 10 7 -10 10 canale ionice. Un astfel de răspuns se caracterizează printr-o schimbare treptată a conductibilității în timp. Răspunsul unui singur canal ionic se modifică în timp într-un mod fundamental diferit: discret pentru ambele canale Na+, K+- și Ca 2+.
Acest lucru a fost descoperit pentru prima dată în 1962 în studiile conductivității membranelor cu două straturi lipidice (BLMs) când au fost adăugate microcantități dintr-o substanță care a indus excitația la soluția de spălare a membranei. BLM a fost aplicată o tensiune constantă și a fost înregistrat curentul I(t). Înregistrarea curentului în timp a avut forma unor salturi între două stări conducătoare.
Unul dintre metode eficiente Un studiu experimental al canalelor ionice a fost metoda de fixare locală a potențialului membranei ("Patch Clamp") dezvoltată în anii 1980 (Fig. 10).
Orez. 10. Metoda de fixare locală a potenţialului membranar. ME - microelectrod, IR - canal ionic, M - membrană celulară, SFP - circuit de clemă de potențial, I - curent cu un singur canal
Esența metodei constă în faptul că microelectrodul ME (Fig. 10) cu un capăt subțire având un diametru de 0,5–1 μm este aspirat de membrană în așa fel încât un canal ionic să intre în diametrul său interior. Apoi, folosind circuitul de strângere a potențialului, este posibil să se măsoare curenții care trec doar printr-un singur canal al membranei și nu prin toate canalele simultan, așa cum se întâmplă atunci când se utilizează metoda standard potenţial de fixare.
Rezultatele experimentelor efectuate pe diverse canale ionice au arătat că conductivitatea canalului ionic este discretă și poate fi în două stări: deschisă sau închisă. Tranzițiile între stări au loc în momente aleatorii și se supun tiparelor statistice. Nu se poate spune că acest canal ionic se va deschide exact în acest moment. Se poate face doar o declarație despre probabilitatea deschiderii unui canal într-un anumit interval de timp.
4. Dependenţa parametrilor canalului de potenţialul membranei. Canalele ionice ale fibrelor nervoase sunt sensibile la potențialul de membrană, de exemplu, canalele de sodiu și potasiu ale axonului de calmar. Acest lucru se manifestă prin faptul că, după începutul depolarizării membranei, curenții corespunzători încep să se schimbe cu una sau alta cinetică. Acest proces are loc după cum urmează: Canalul ion-selectiv are un senzor - un element al designului său, sensibil la acțiunea unui câmp electric (Fig. 11). Când potențialul membranei se modifică, mărimea forței care acționează asupra acesteia se modifică, ca urmare, această parte a canalului ionic se mișcă și modifică probabilitatea de a deschide sau închide poarta - un fel de amortizor care acționează în funcție de toate sau- nimic lege. S-a demonstrat experimental că sub acțiunea depolarizării membranei crește probabilitatea trecerii canalului de sodiu în starea conducătoare. Saltul de tensiune pe membrană, creat în timpul măsurătorilor prin metoda de fixare a potențialului, duce la faptul că un număr mare de canale se deschid. Prin ele trec mai multe sarcini, ceea ce înseamnă, în medie, mai multe fluxuri de curent. Este important ca procesul de creștere a conductibilității canalului să fie determinat de o creștere a probabilității tranziției canalului la starea deschisă și nu de o creștere a diametrului. canal deschis. Aceasta este ideea modernă a mecanismului de trecere a curentului printr-un singur canal.
Curbele cinetice netede ale curenților înregistrați în timpul măsurătorilor electrice pe membrane mari sunt obținute datorită însumării multor curenți de salt care curg prin canalele individuale. Însumarea lor, așa cum se arată mai sus, reduce brusc fluctuațiile și oferă dependențe de timp destul de netede ale curentului transmembranar.
Canalele ionice pot fi sensibile la altele impact fizic: deformare mecanică, lipire chimică etc. În acest caz, ei sunt baza structurală, respectiv, a mecanoreceptorilor, chemoreceptorilor etc.
Studiul canalelor ionice din membrane este una dintre sarcinile importante ale biofizicii moderne.
Structura canalului ionic.
Canalul ion-selectiv este format din următoarele părți (Fig. 11): o parte proteică scufundată în stratul dublu, care are o structură subunitară; un filtru selectiv format din atomi de oxigen încărcați negativ, care sunt amplasați rigid la o anumită distanță unul de celălalt și trec ioni de doar un anumit diametru; parte de poartă.
Porțile canalului ionic sunt controlate de potențialul membranei și pot fi fie în stare închisă (linie întreruptă), fie în stare deschisă (linie continuă). Poziția normală a porții canalului de sodiu este închisă. Sub acțiunea unui câmp electric, probabilitatea unei stări deschise crește, poarta se deschide și fluxul de ioni hidratați are posibilitatea de a trece prin filtrul selectiv.
Dacă ionul se potrivește în diametru, atunci acesta aruncă învelișul de hidratare și sare pe cealaltă parte a canalului ionic. Dacă ionul este prea mare în diametru, cum ar fi tetraetilamoniul, nu poate trece prin filtru și nu poate traversa membrana. Dacă, dimpotrivă, ionul este prea mic, atunci are dificultăți în filtrul selectiv, de data aceasta asociate cu dificultatea de a arunca învelișul de hidratare a ionului.
Blocanții canalelor ionice fie nu pot trece prin el, rămânând blocați în filtru, fie, dacă sunt molecule mari, cum ar fi TTX, se potrivesc steric cu orice intrare în canal. Deoarece blocanții poartă o sarcină pozitivă, partea lor încărcată este atrasă în canal către filtrul selectiv ca un cation obișnuit, iar macromolecula o înfundă.
Astfel, modificările proprietăților electrice ale biomembranelor excitabile sunt efectuate folosind canale ionice. Acestea sunt macromolecule proteice care pătrund în stratul dublu lipidic, care pot fi în mai multe stări discrete. Proprietățile canalelor selective pentru ionii de K + , Na + și Ca 2+ pot depinde diferit de potențialul membranei, care determină dinamica potențialului de acțiune în membrană, precum și diferențele de astfel de potențiale în membranele diferitelor celule.
Orez. 11. Schema structurii canalului ionic de sodiu al membranei în context
Părere.
| 1 total dezacord | 2 nu sunt de acord | 3 nu stiu | 4 de acord | 5 total de acord | ||
| Această activitate mi-a dezvoltat abilitățile de rezolvare a problemelor. | ||||||
| Tot ce aveam nevoie era o memorie bună pentru a finaliza această lecție. | ||||||
| Această activitate mi-a dezvoltat capacitatea de a lucra în echipă. | ||||||
| Această lecție mi-a îmbunătățit abilitățile analitice. | ||||||
| Această sesiune mi-a îmbunătățit abilitățile de scris. | ||||||
| Lecția a necesitat o înțelegere profundă a materialului. |
