¿Cuántos tipos de canales de cloruro se conocen? Diversidad y propiedades de los canales iónicos. Fisiología de los tejidos excitables.
Estructura y funciones de los canales iónicos. Los iones Na + , K + , Ca 2+ , Cl - penetran en la célula y salen a través de canales especiales llenos de líquido. El tamaño de los canales es bastante pequeño (diámetro 0,5-0,7 nm). Los cálculos muestran que el área total de los canales ocupa una parte insignificante de la superficie de la membrana celular.
La función de los canales iónicos se estudia de diversas formas. El más común es el método de fijación de tensión, o “tensión-abrazadera” (Fig. 2.2). La esencia del método es que, con la ayuda de sistemas electrónicos especiales, el potencial de membrana se cambia y se fija en un cierto nivel durante el experimento. En este caso, se mide la magnitud de la corriente iónica que fluye a través de la membrana. Si la diferencia de potencial es constante, entonces, de acuerdo con la ley de Ohm, la magnitud de la corriente es proporcional a la conductividad de los canales iónicos. En respuesta a la despolarización gradual, ciertos canales se abren y los iones correspondientes ingresan a la célula a lo largo de un gradiente electroquímico, es decir, surge una corriente iónica que despolariza la célula. Este cambio es detectado por un amplificador de control y una corriente eléctrica pasa a través de la membrana, igual en magnitud pero de dirección opuesta a la corriente iónica de la membrana. En este caso, la diferencia de potencial transmembrana no cambia. El uso combinado de pinzas de voltaje y bloqueadores de canales iónicos específicos condujo al descubrimiento de varios tipos de canales iónicos en la membrana celular.
Actualmente, se han instalado muchos tipos de canales para diversos iones (Tabla 2.1). Algunos de ellos son muy específicos, mientras que otros, además del ion principal, pueden dejar pasar otros iones.
Es posible estudiar la función de canales individuales utilizando el método de fijación local del potencial de "sujeción de ruta"; arroz. 2.3, A). Se llena un microelectrodo de vidrio (micropipeta) con solución salina, se presiona contra la superficie de la membrana y se crea un ligero vacío. En este caso, parte de la membrana es succionada hacia el microelectrodo. Si aparece un canal de iones en la zona de succión, entonces se registra la actividad de un solo canal. El sistema de irritación y registro de la actividad del canal difiere poco del sistema de registro de voltaje.
Tabla 2.1. Los canales iónicos y las corrientes iónicas más importantes de las células excitables.
Nota. TÉ - tetraetilamonio; TTX - tetrodotoxina.
La parte exterior del canal es relativamente accesible para el estudio, el estudio de la parte interior presenta importantes dificultades. P. G. Kostyuk desarrolló un método de diálisis intracelular que permite estudiar la función de las estructuras de entrada y salida de los canales iónicos sin el uso de microelectrodos. Resultó que la parte del canal iónico abierta al espacio extracelular difiere en sus propiedades funcionales de la parte del canal que da al entorno intracelular.
Son los canales iónicos los que proporcionan dos propiedades importantes de la membrana: selectividad y conductividad.
Selectividad o selectividad, El canal lo proporciona su estructura proteica especial. La mayoría de los canales están controlados eléctricamente, es decir, su capacidad para conducir iones depende de la magnitud del potencial de membrana. El canal es heterogéneo en sus características funcionales, especialmente en lo que respecta a las estructuras proteicas ubicadas en la entrada y en la salida del canal (los llamados mecanismos de compuerta).
5. El concepto de excitabilidad. Parámetros de excitabilidad del sistema neuromuscular: umbral de irritación (reobase), tiempo útil (cronaxia). Dependencia de la fuerza de la irritación del momento de su acción (curva de Goorweg-Weiss). Obstinación.
Excitabilidad– la capacidad de una célula para responder a la irritación formando un potencial de acción y una reacción específica.
1) fase de respuesta local – despolarización parcial de la membrana (entrada de Na + en la célula). Si aplicas un pequeño estímulo, la respuesta es más fuerte.
La despolarización local es la fase de exaltación.
2) fase de refractariedad absoluta: la propiedad de los tejidos excitables de no formar AP bajo ninguna fuerza de estímulo
3) fase de relativa refractariedad.
4) fase de repolarización lenta - irritación - nuevamente una respuesta fuerte
5) fase de hiperpolarización: la excitabilidad es menor (subnormal), el estímulo debe ser grande.
labilidad funcional– evaluación de la excitabilidad del tejido mediante el máximo número posible de AP por unidad de tiempo.
Leyes de excitación:
1) la ley de la fuerza: la fuerza del estímulo debe ser umbral o supraumbral (la cantidad mínima de fuerza que provoca la excitación). Cuanto más fuerte es el estímulo, más fuerte es la excitación, solo para asociaciones de tejidos (tronco nervioso, músculo, excepción - SMC).
2) la ley del tiempo: la duración del estímulo actual debe ser suficiente para que se produzca la excitación.
Existe una relación inversamente proporcional entre fuerza y tiempo dentro de los límites entre tiempo mínimo y fuerza mínima. La fuerza mínima, la reobase, es una fuerza que provoca excitación y no depende de la duración. El tiempo mínimo es tiempo útil. La cronaxia es la excitabilidad de un tejido en particular; el tiempo en el que se produce la excitación es igual a dos reobases.
Cuanto mayor es la fuerza, mayor es la respuesta hasta cierto valor.
Factores que crean MPP:
1) diferencia en las concentraciones de sodio y potasio
2) diferente permeabilidad para sodio y potasio
3) funcionamiento de la bomba Na-K (se eliminan 3 Na +, se devuelven 2 K +).
La relación entre la fuerza del estímulo y la duración de su impacto, necesaria para que se produzca una respuesta mínima de una estructura viva, se puede rastrear muy claramente en la llamada curva fuerza-tiempo (curva de Goorweg-Weiss-Lapik). .
Del análisis de la curva se deduce que, por grande que sea la fuerza del estímulo, si la duración de su influencia es insuficiente, no habrá respuesta (el punto a la izquierda de la rama ascendente de la hipérbola). Se observa un fenómeno similar con la exposición prolongada a estímulos por debajo del umbral. La corriente (o voltaje) mínima capaz de causar excitación se llama reobase por Lapik (segmento de ordenadas OA). El período de tiempo más corto durante el cual una corriente igual en intensidad al doble de la reobase provoca excitación en el tejido se llama cronaxia (segmento de abscisa OF), que es un indicador de la duración umbral de la irritación. La cronaxia se mide en δ (milésimas de segundo). La magnitud de la cronaxia se puede utilizar para juzgar la velocidad a la que se produce la excitación en el tejido: cuanto menor es la cronaxia, más rápida se produce la excitación. La cronaxia de las fibras nerviosas y musculares humanas es igual a milésimas y diezmilésimas de segundo, y la cronaxia de los llamados tejidos lentos, por ejemplo, las fibras musculares del estómago de una rana, es de centésimas de segundo.
La determinación de la cronaxia de los tejidos excitables se ha generalizado no sólo en la experimentación, sino también en la fisiología deportiva y en la clínica. En particular, al medir la cronaxia muscular, un neurólogo puede determinar la presencia de daño al nervio motor. Cabe señalar que el estímulo puede ser bastante fuerte, tener una duración umbral, pero una baja tasa de aumento en el tiempo hasta el valor umbral; en este caso, no se produce excitación. La adaptación del tejido excitable a un estímulo que aumenta lentamente se denomina acomodación. La acomodación se debe al hecho de que durante el aumento de la fuerza del estímulo, los cambios activos tienen tiempo de desarrollarse en el tejido, aumentando el umbral de irritación y previniendo el desarrollo de la excitación. Por tanto, la tasa de aumento de la estimulación a lo largo del tiempo, o el gradiente de estimulación, es esencial para que se produzca la excitación.
Ley del gradiente de irritación. La reacción de una formación viva a un estímulo depende del gradiente de estimulación, es decir, de la urgencia o la intensidad del aumento del estímulo a lo largo del tiempo: cuanto mayor sea el gradiente de estimulación, más fuerte (hasta ciertos límites) será la respuesta de la formación excitable.
En consecuencia, las leyes de la estimulación reflejan la compleja relación entre el estímulo y la estructura excitable durante su interacción. Para que se produzca excitación, el estímulo debe tener una intensidad umbral, una duración umbral y una cierta tasa de aumento con el tiempo.
6. Bombas de iones (ATPasas): K+-Na+-e, Ca2+-e (plasmolema y retículo sarcoplásmico), H+-K+-intercambiador.
Según los conceptos modernos, las membranas biológicas contienen bombas de iones que funcionan con la energía libre de la hidrólisis del ATP, sistemas especiales de proteínas integrales (ATPasas de transporte).
Actualmente, se conocen tres tipos de bombas de iones electrogénicas que transportan activamente iones a través de la membrana (Fig. 13).
La transferencia de iones mediante las ATPasas de transporte se produce debido al acoplamiento de procesos de transferencia con reacciones químicas, debido a la energía del metabolismo celular.
Cuando funciona la K+-Na+-ATPasa, dos iones de potasio se transfieren a la célula debido a la energía liberada durante la hidrólisis de cada molécula de ATP y tres iones de sodio se bombean simultáneamente fuera de la célula. Esto crea una mayor concentración de iones de potasio en la célula en comparación con el entorno intercelular y una menor concentración de sodio, que es de gran importancia fisiológica.
Signos de una “biobomba”:
1. Movimiento contra el gradiente de potencial electroquímico.
2. el flujo de materia está asociado con la hidrólisis del ATP (u otra fuente de energía).
3. asimetría del vehículo de transporte.
4. La bomba in vitro es capaz de hidrolizar ATP sólo en presencia de aquellos iones que transporta in vivo.
5. Cuando la bomba está integrada en un entorno artificial, puede mantener la selectividad.
El mecanismo molecular de funcionamiento de las ATPasas iónicas no se comprende completamente. Sin embargo, se pueden rastrear las principales etapas de este complejo proceso enzimático. En el caso de la K+-Na+-ATPasa, hay siete etapas de transferencia de iones asociadas con la hidrólisis del ATP.
El diagrama muestra que las etapas clave de la enzima son:
1) formación de un complejo enzimático con ATP en la superficie interna de la membrana (esta reacción es activada por iones de magnesio);
2) unión de tres iones de sodio por el complejo;
3) fosforilación de la enzima con formación de adenosina difosfato;
4) revolución (flip-flop) de la enzima dentro de la membrana;
5) la reacción de intercambio iónico de sodio a potasio, que ocurre en la superficie exterior de la membrana;
6) revolución inversa del complejo enzimático con la transferencia de iones de potasio al interior de la célula;
7) retorno de la enzima a su estado original con la liberación de iones potasio y fosfato inorgánico (P).
Así, durante un ciclo completo, se liberan tres iones de sodio de la célula, el citoplasma se enriquece con dos iones de potasio y se produce la hidrólisis de una molécula de ATP.
12. Canales de iones...
Un canal iónico consta de varias subunidades; su número en un canal iónico individual varía de 3 a 12 subunidades. En cuanto a su organización, las subunidades incluidas en el canal pueden ser homólogas (del mismo tipo), varios canales están formados por subunidades de diferentes tipos.
Cada una de las subunidades consta de varios (tres o más) segmentos transmembrana (partes no polares retorcidas en hélices α), bucles extra e intracelulares y secciones terminales de dominios (representadas por las regiones polares de las moléculas que forman el dominio y sobresalen más allá de la capa bilípida de la membrana).
Cada uno de los segmentos transmembrana, bucles extra e intracelulares y secciones terminales de dominios realiza su propia función.
Así, el segmento transmembrana 2, organizado en forma de hélice α, determina la selectividad del canal.
Las secciones terminales del dominio actúan como sensores para ligandos extra e intracelulares, y uno de los segmentos transmembrana desempeña el papel de sensor dependiente del voltaje.
Los terceros segmentos transmembrana de la subunidad son responsables del funcionamiento del sistema de canales de compuerta, etc.
Los canales iónicos funcionan mediante el mecanismo de difusión facilitada. El movimiento de iones a través de ellos cuando se activan los canales sigue un gradiente de concentración. La velocidad de movimiento a través de la membrana es de 10 iones por segundo.
Especificidad de los canales iónicos.
La mayoría de ellos son selectivos, es decir. Canales que permiten el paso de un solo tipo de ion (canales de sodio, canales de potasio, canales de calcio, canales aniónicos).
Selectividad de canales.
La selectividad del canal está determinada por la presencia de un filtro selectivo.
Su papel lo desempeña la sección inicial del canal, que tiene una determinada carga, configuración y tamaño (diámetro), lo que permite que solo un cierto tipo de iones pasen al canal.
Algunos de los canales iónicos no son selectivos, como los canales de fuga. Estos son canales de membrana a través de los cuales los iones K + salen de la célula en reposo a lo largo de un gradiente de concentración, pero a través de estos canales también ingresa una pequeña cantidad de iones Na + a la célula en reposo a lo largo de un gradiente de concentración.
Sensor de canal de iones.
El sensor del canal iónico es la parte sensible del canal que percibe señales, cuya naturaleza puede ser diferente.
En base a esto se distinguen los siguientes:
canales iónicos dependientes de voltaje;
canales iónicos activados por receptores;
activado por ligando (dependiente de ligando);
controlado mecánicamente (mecánicamente dependiente).
Los canales que tienen un sensor se llaman controlados. Algunos canales no tienen sensor. Estos canales se denominan incontrolables.
Sistema de compuerta de canales de iones.
El canal tiene una puerta que se cierra cuando está en reposo y se abre cuando se expone a una señal. Algunos canales tienen dos tipos de puertas: activación (m-gate) e inactivación (h-gate).
Hay tres estados de canales iónicos:
un estado de reposo cuando la puerta está cerrada y el canal es inaccesible a los iones;
estado de activación, cuando el sistema de compuertas está abierto y los iones se mueven a través de la membrana a lo largo del canal;
un estado de inactivación cuando el canal está cerrado y no responde a los estímulos.
Velocidad de conducción (conducción).
Hay canales rápidos y lentos. Los canales de “fuga” son lentos, los canales de sodio en las neuronas son rápidos.
La membrana de cualquier célula contiene un gran conjunto de canales iónicos diferentes (en términos de velocidad), cuya activación determina el estado funcional de las células.
Canales controlados por voltaje.
El canal controlado por voltaje consta de:
filtro selectivo;
puertas de activación e inactivación;
sensor de voltaje.
poros llenos de agua;
El diámetro del canal es significativamente mayor que el diámetro del ion, en la zona del filtro selectivo se estrecha a tamaños atómicos, esto asegura que esta sección del canal realice la función de un filtro selectivo.
La apertura y cierre del mecanismo de compuerta ocurre cuando el potencial de membrana cambia, con la compuerta abriéndose en un valor del potencial de membrana y cerrándose en un nivel diferente de potencial de membrana.
Se cree que los cambios en el campo eléctrico de la membrana son detectados por una sección especial de la pared del canal, que se denomina sensor de voltaje.
Un cambio en su estado, provocado por un cambio en el nivel del potencial de membrana, provoca la conformación de las moléculas proteicas que forman el canal y, como consecuencia, conduce a la apertura o cierre de la puerta del canal iónico.
Los canales (sodio, calcio, potasio) tienen cuatro dominios homólogos: subunidades (I, II, III, IV). El dominio (usando el ejemplo de los canales de sodio) consta de seis segmentos transmembrana organizados en forma de hélices α, cada uno de los cuales desempeña un papel diferente.
Así, el segmento transmembrana 5 desempeña el papel de un poro, el segmento transmembrana 4 es un sensor que responde a los cambios en el potencial de membrana, otros segmentos transmembrana son responsables de la activación e inactivación del sistema de compuerta del canal. No se comprende completamente el papel de los segmentos y subunidades transmembrana individuales.
Los canales de sodio (diámetro interno de 0,55 nm) están presentes en las células de los tejidos excitables. La densidad por 1 micrón 2 no es la misma en diferentes tejidos.
Así, en las fibras nerviosas no mielinizadas hay entre 50 y 200 canales, y en las fibras nerviosas mielinizadas (nódulos de Ranvier), 13.000 por 1 µm 2 de área de membrana. En reposo están cerrados. El potencial de membrana es de 70 a 80 mV.
La exposición a un estímulo cambia el potencial de membrana y activa el canal de sodio dependiente de voltaje.
Se activa cuando el potencial de membrana cambia del nivel de potencial de reposo al nivel crítico de despolarización.
Una fuerte corriente de sodio desplaza el potencial de membrana a un nivel crítico de despolarización (CDL).
Cambiar el potencial de membrana a -50-40 mV, es decir. al nivel de un nivel crítico de despolarización, provoca la apertura de otros canales de Na + dependientes de voltaje, a través de los cuales pasa la corriente de sodio entrante, formando el "pico" del potencial de acción.
Los iones de sodio a lo largo del gradiente de concentración y el gradiente químico a lo largo del canal ingresan a la célula, formando la llamada corriente entrante de sodio, que conduce a un desarrollo más rápido del proceso de despolarización.
El potencial de membrana cambia de signo al contrario +10-20 mV. Un potencial de membrana positivo provoca el cierre de los canales de sodio y su inactivación.
Los canales No+ dependientes de voltaje desempeñan un papel fundamental en la formación del potencial de acción, es decir, Proceso de excitación en la célula.
Los iones de calcio impiden la apertura de los canales de sodio dependientes de voltaje, cambiando los parámetros de respuesta.
A + -canales
Los canales de potasio (diámetro interno de 0,30 nm) están presentes en las membranas citoplasmáticas; se ha detectado un número significativo de canales de "fuga" de potasio de la célula.
En reposo están abiertos. A través de ellos, en estado de reposo, el potasio “se escapa” de la célula según un gradiente de concentración y un gradiente electroquímico.
Este proceso se denomina corriente de potasio saliente, que conduce a la formación de un potencial de membrana en reposo (-70-80 mV). Estos canales de potasio sólo pueden clasificarse condicionalmente como dependientes de voltaje.
Cuando el potencial de membrana cambia durante la despolarización, la corriente de potasio se inactiva.
Durante la repolarización, se forma una corriente entrante de K+ a través de canales activados por potencial, que se denomina corriente de rectificación retardada de K+.
Otro tipo de canales K + dependientes de voltaje. A lo largo de ellos aparece una rápida corriente de potasio de salida en la región subumbral del potencial de membrana (potencial de traza positiva). La inactivación del canal se produce debido a la hiperpolarización del rastro.
Otro tipo de canales de potasio dependientes de voltaje se activa sólo después de una hiperpolarización preliminar; forma una corriente de potasio rápida y transitoria que se inactiva rápidamente.
Los iones de calcio facilitan la apertura de canales de potasio dependientes de voltaje, cambiando los parámetros de respuesta.
sa + -canales.
Los canales dependientes de voltaje contribuyen significativamente tanto a la regulación de la entrada de calcio al citoplasma como a la electrogénesis.
Las proteínas que forman los canales de calcio constan de cinco subunidades (al,a2,b,g,d).
La subunidad principal forma el propio canal y contiene sitios de unión para varios moduladores de los canales de calcio.
Se han descubierto varias subunidades de canales de calcio α estructuralmente distintas en células nerviosas de mamíferos (designadas A, B, C, D y E).
Funcionalmente, los diferentes tipos de canales de calcio se diferencian entre sí en activación, cinética, conductancia de un solo canal y farmacología.
Se han descrito en las células hasta seis tipos de canales de calcio dependientes de voltaje (canales T-, L-, N-, P-, Q-, R-).
La actividad de los canales dependientes de voltaje de la membrana plasmática está regulada por varios segundos mensajeros intracelulares y proteínas G unidas a la membrana.
Los canales de calcio dependientes de voltaje se encuentran en grandes cantidades en las membranas citoplasmáticas de las neuronas, los miocitos de los músculos lisos, estriados y cardíacos y en las membranas del retículo endoplásmico.
Los canales SPR Ca 2+ son proteínas oligoméricas incrustadas en la membrana SPR.
sa 2+ - controlado por Sa 2+ - Canales SPR.
Estos canales de calcio se aislaron por primera vez del músculo esquelético y cardíaco.
Resultó que los canales SPR Ca 2+ en estos tejidos musculares tienen diferencias moleculares y están codificados por diferentes genes.
Los canales de Ca 2+ del SPR en los músculos cardíacos están conectados directamente a los canales de Ca 2+ de alto umbral del plasmalema (tipo L) a través de proteínas de unión a calcio, formando así una estructura funcionalmente activa: una "tríada".
En el músculo esquelético, la despolarización de la membrana plasmática activa directamente la liberación de Ca 2+ desde el retículo endoplásmico debido al hecho de que los canales de Ca 2+ de la membrana plasmática sirven como transmisores sensibles al voltaje de la señal de activación directamente al Ca 2. + canales del SPR a través de proteínas de unión.
Así, las reservas de Ca 2+ en los músculos esqueléticos tienen un mecanismo de liberación de Ca 2+ causado por la despolarización (tipo RyRl).
A diferencia de los músculos esqueléticos, los canales endoplásmicos de Ca 2+ de los cardiomiocitos no están conectados al plasmalema y, para estimular la liberación de Ca 2+ del almacén, se requiere un aumento en la concentración de calcio citosólico (tipo RyR2).
Además de estos dos tipos de canales de Ca 2+ activados por Ca 2+, recientemente se ha identificado un tercer tipo de canales de Ca 2+ SPR (tipo RyR3), que aún no ha sido suficientemente estudiado.
Todos los canales de calcio exhiben una activación lenta y una inactivación lenta en comparación con los canales de sodio.
Cuando una célula muscular se despolariza (las protuberancias de las membranas citoplasmáticas, los túbulos T, se acercan a las membranas del retículo endoplásmico), se produce una apertura dependiente del voltaje de los canales de calcio de las membranas del retículo sarcoplásmico.
Dado que, por un lado, la concentración de calcio en el SPR es alta (depósito de calcio) y la concentración de calcio en el citoplasma es baja, y por otro lado, el área de la membrana del SPR y la densidad de los canales de calcio. en él son grandes, el nivel de calcio en el citoplasma aumenta 100 veces.
Este aumento en la concentración de calcio inicia el proceso de contracción de las miofibrillas.
Los canales de calcio en los cardiomiocitos están ubicados en la membrana citoplasmática y pertenecen a los canales de calcio de tipo L.
Se activan a un potencial de membrana de +20-40 mV, formando una corriente de calcio entrante. Permanecen en un estado activado durante mucho tiempo, formando una "meseta" del potencial de acción del cardiomiocito.
Canales aniónicos.
La mayor cantidad de canales de cloro en la membrana celular. Hay menos iones de cloro en la célula en comparación con el entorno intercelular. Por lo tanto, cuando los canales se abren, el cloro ingresa a la celda según un gradiente de concentración y un gradiente electroquímico.
El número de canales para el HCO 3 no es tan grande, el volumen de transporte de este anión a través de los canales es significativamente menor.
Intercambiadores de iones.
La membrana contiene intercambiadores de iones (proteínas de transporte), que facilitan la difusión de iones, es decir, movimiento acoplado acelerado de iones a través de la biomembrana a lo largo de un gradiente de concentración; tales procesos son independientes del ATP.
Los más conocidos son los intercambiadores Na + -H + , K + -H + , Ca 2+ -H +, así como los intercambiadores que proporcionan el intercambio de cationes por anionesNa + -HCO- 3, 2CI-Ca 2+ e intercambiadores que Proporcionar el intercambio de catión por catión (Na+-Ca 2+) o de anión a anión (Cl-HCO3).
Canales iónicos activados por receptores.
Canales iónicos activados por ligando (dependientes de ligando).
Los canales iónicos activados por ligando son un subtipo de canales activados por receptores y siempre se combinan con un receptor de una sustancia biológicamente activa (BAS).
Los receptores de los canales considerados pertenecen al tipo ionotrópico de receptores de membrana, cuya interacción con sustancias biológicamente activas (ligandos) da como resultado reacciones rápidas.
Un canal iónico regulado por ligando consta de:
poros llenos de agua;
filtro selectivo;
puerta de activación;
sitio de unión del ligando (receptor). Una sustancia biológicamente activa altamente energéticamente activa tiene un alto
afinidad (afinidad) por un determinado tipo de receptor. Cuando se activan los canales iónicos, ciertos iones se mueven a lo largo de un gradiente de concentración y un gradiente electroquímico.
En un receptor de membrana, el sitio de unión del ligando puede ser accesible para el ligando desde la superficie exterior de la membrana.
En este caso, las hormonas, parahormonas e iones actúan como ligandos.
Por tanto, cuando se activan los receptores N-colinérgicos, se activan los canales de sodio.
La permeabilidad al calcio es iniciada por receptores neuronales activados por acetilcolina, activados por glutamato (NMDA y AMPA/tipo kainato) y receptores de purina.
Los receptores GABA A están acoplados a canales de iones cloruro y los receptores de glicina también están acoplados a canales de cloruro.
En un receptor de membrana, el sitio de unión del ligando puede ser accesible para los ligandos desde la superficie interna de la membrana.
En este caso, las proteínas quinasas activadas por segundos mensajeros o los propios segundos mensajeros actúan como ligandos.
Por lo tanto, las proteínas quinasas A, C, G, que fosforilan las proteínas del canal catiónico, cambian su permeabilidad.
Canales iónicos controlados mecánicamente.
Los canales iónicos activados mecánicamente cambian su conductancia hacia los iones, ya sea cambiando la tensión de la bicapa lipídica o a través del citoesqueleto celular. Muchos canales controlados mecánicamente están asociados con mecanorreceptores; existen en células auditivas, husos musculares y endotelio vascular.
Todos los canales controlados mecánicamente se dividen en dos grupos:
células activadas por estiramiento (SAC);
células inactivadas por estiramiento (SIC).
Los canales controlados mecánicamente tienen todas las características principales del canal:
tiempo lleno de agua;
mecanismo de puerta;
sensor de estiramiento.
Cuando se activa un canal, los iones se mueven a lo largo de un gradiente de concentración.
ATPasa de sodio y potasio.
Sodio, potasio ATPasa (bomba sodio-potasio, bomba sodio-potasio).
Consta de cuatro dominios transmembrana: dos subunidades α y dos subunidades β. La subunidad α es el dominio grande y la subunidad β es el dominio pequeño. Durante el transporte de iones, las subunidades grandes se fosforilan y los iones se mueven a través de ellas.
La ATPasa de sodio y potasio desempeña un papel fundamental en el mantenimiento de la homeostasis del sodio y el potasio en el entorno intra y extracelular:
mantiene un nivel alto de K + y un nivel bajo de Na + en la célula;
participa en la formación del potencial de membrana en reposo y en la generación de potenciales de acción;
proporciona transporte acoplado con Na + de la mayoría de las sustancias orgánicas a través de la membrana (transporte activo secundario);
afecta significativamente la homeostasis del H2O.
El sodio, una ATPasa de potasio, contribuye de manera más importante a la formación de asimetría iónica en los espacios extra e intracelulares.
El funcionamiento paso a paso de la bomba de sodio y potasio garantiza un intercambio desigual de potasio y sodio a través de la membrana.
sa + -ATPasa (bomba).
Hay dos familias de bombas de Ca 2+ responsables de la eliminación de iones Ca 2+ del citoplasma: bombas de Ca 2+ del plasmalema y bombas de Ca 2+ del retículo endoplásmico.
Aunque pertenecen a la misma familia de proteínas (las llamadas ATPasas de clase P), estas bombas muestran algunas diferencias en estructura, actividad funcional y farmacología.
Se encuentra en grandes cantidades en la membrana citoplasmática. En el citoplasma de la célula en reposo, la concentración de calcio es de 10-7 mol/l, y fuera de la célula es mucho mayor: 10-3 mol/l.
Una diferencia tan significativa en las concentraciones se mantiene debido al trabajo de la Ca ++ -ATPasa citoplasmática.
La actividad de la bomba de Ca 2+ de la membrana plasmática está controlada directamente por Ca 2+: un aumento en la concentración de calcio libre en el citosol activa la bomba de Ca 2+.
En reposo, casi no hay difusión a través de los canales iónicos de calcio.
Ca-ATPasa transporta Ca desde la célula al ambiente extracelular contra su gradiente de concentración. A lo largo de un gradiente, el Ca+ ingresa a la célula debido a la difusión a través de canales iónicos.
La membrana del retículo endoplásmico también contiene una gran cantidad de Ca ++ -ATPasa.
La bomba de calcio del retículo endoplásmico (SERCA) asegura la eliminación del calcio del citosol al retículo endoplásmico, un "depósito" de calcio debido al transporte activo primario.
En el depósito, el calcio se une a las proteínas fijadoras de calcio (calsequestrina, calreticulina, etc.).
Actualmente se han descrito al menos tres isoformas diferentes de bombas SERCA.
Los subtipos SERCA1 se concentran exclusivamente en los músculos esqueléticos rápidos; las bombas SERCA2 están ampliamente distribuidas en otros tejidos. La importancia de las bombas SERCA3 es menos clara.
Las proteínas SERCA2 se dividen en dos isoformas diferentes: SERCA2a, característica de los cardiomiocitos y músculos lisos, y SERCA2b, característica del tejido cerebral.
Un aumento del Ca 2+ citosólico activa la captación de iones de calcio en el retículo endoplásmico, mientras que un aumento del calcio libre dentro del retículo endoplásmico inhibe las bombas SERCA.
H+ K+ -ATPasa (bomba).
Con la ayuda de esta bomba (como resultado de la hidrólisis de una molécula de ATP), durante la hidrólisis de una molécula en la célula se transportan dos iones de potasio desde el espacio extracelular a la célula y dos iones H+ desde el citosol al espacio extracelular. Células parietales de la mucosa gástrica. Este mecanismo subyace a la formación de ácido clorhídrico en el estómago.
Clase de bomba de ionesF.
ATPasa mitocondrial. Cataliza la etapa final de la síntesis de ATP. Las criptas mitocondriales contienen ATP sintasa, que acopla la oxidación en el ciclo de Krebs y la fosforilación de ADP a ATP.
Clase de bomba de ionesV.
H + -ATPasas lisosomales (bombas de protones lisosomales): bombas de protones que proporcionan transporte de H + desde el citosol a varios orgánulos: lisosomas, aparato de Golgi, vesículas secretoras. Como resultado, el valor del pH disminuye, por ejemplo, en los lisosomas a 5,0, lo que optimiza la actividad de estas estructuras.
Características del transporte de iones.
1. ¡Transmembrana significativa y asimétrica! gradiente para Na+ y K+ en reposo.
El sodio fuera de la célula (145 mmol/l) es 10 veces más que dentro de la célula (14 mmol/l).
Hay aproximadamente 30 veces más potasio en la célula (140 mmol/l) que fuera de ella (4 mmol/l).
Esta característica de la distribución de iones de sodio y potasio:
homeostático por el trabajo de Na+/K+-nacoca;
forma una corriente de potasio saliente en reposo (canal de fuga);
forma potencial de reposo;
el trabajo de cualquier canal de potasio (dependiente del voltaje, dependiente del calcio, dependiente del ligando) tiene como objetivo la formación de una corriente de potasio saliente.
Esto devuelve el estado de la membrana a su nivel original (activación de canales dependientes de voltaje durante la fase de repolarización) o hiperpolariza la membrana (canales dependientes de calcio y ligandos, incluidos los activados por sistemas de segundos mensajeros).
Por favor tenga en cuenta que:
el movimiento de potasio a través de la membrana se realiza mediante transporte pasivo;
la formación de excitación (potencial de acción) siempre se debe a la corriente de sodio entrante;
la activación de cualquier canal de sodio siempre provoca una corriente de entrada de sodio;
el movimiento del sodio a través de la membrana casi siempre se realiza mediante transporte pasivo;
en las células epiteliales que forman las paredes de varios tubos y cavidades en los tejidos (intestino delgado, túbulos de nefrona, etc.), en la membrana externa siempre hay una gran cantidad de canales de sodio que, al activarse, proporcionan una corriente de sodio entrante. y en la membrana basal: una gran cantidad de bombas de sodio y potasio que bombean sodio fuera de la célula. Esta distribución asimétrica de estos sistemas de transporte de sodio asegura su transporte transcelular, es decir. desde la luz intestinal, los túbulos renales hacia el ambiente interno del cuerpo;
El transporte pasivo de sodio al interior de la célula según un gradiente electroquímico conduce a la acumulación de energía, que se utiliza para el transporte activo secundario de muchas sustancias.
2. Bajo nivel de calcio en el citosol de la célula.
En la célula en reposo, el contenido de calcio (50 nmol/l) es 5.000 veces menor que fuera de la célula (2,5 mmol/l).
Un nivel tan bajo de calcio en el citosol no es accidental, ya que el calcio en concentraciones 10-100 veces superiores a la inicial actúa como un segundo mensajero intracelular en la implementación de la señal.
En tales condiciones, es posible un rápido aumento de calcio en el citosol debido a la activación de los canales de calcio (difusión facilitada), que están presentes en grandes cantidades en la membrana citoplasmática y en la membrana del retículo endoplásmico (el retículo endoplásmico es el “depósito” de calcio en la célula).
La formación de flujos de calcio, que se produce debido a la apertura de canales, proporciona un aumento fisiológicamente significativo en la concentración de calcio en el citosol.
El bajo nivel de calcio en el citosol de la célula se mantiene mediante Ca 2+ -ATPasa, intercambiadores Na + /Ca 2+ y proteínas del citosol que se unen al calcio.
Además de la rápida unión del Ca 2+ citosólico por las proteínas de unión a Ca 2+ intracelular, los iones de calcio que ingresan al citosol pueden ser acumulados por el aparato de Golgi o el núcleo celular y capturados por las reservas mitocondriales de Ca 2+.
3. Niveles bajos de cloro en la jaula.
En la celda en reposo, el contenido de cloro (8 mmol/l) es más de 10 veces menor que fuera de la celda (110 mmol/l).
Este estado se mantiene gracias al trabajo del transportador K+/Cl-.
El cambio en el estado funcional de la célula está asociado (o causado) con un cambio en la permeabilidad de la membrana al cloro. Cuando se activan los canales de cloro dependientes de voltaje y ligando, el ion ingresa al citosol a través del canal mediante transporte pasivo.
Además, la entrada de cloro al citosol se forma debido al cotransportador Na+/K+/2CH y al intercambiador CH-HCO3.
La entrada de cloro al interior de la célula aumenta la polaridad de la membrana hasta la hiperpolarización.
Las características del transporte de iones juegan un papel fundamental en la formación de fenómenos bioeléctricos en órganos y tejidos que codifican información y determinan el estado funcional de estas estructuras y su transición de un estado funcional a otro.
Última actualización: 28/10/2013
El segundo artículo de la serie "Fundamentos de fisiología humana y animal". Hablaremos sobre el mecanismo de formación del potencial de acción, la base de cualquier movimiento.
Las células excitables (que son, en un grado u otro, todas las células del cuerpo de un animal) en reposo tienen un exceso de carga negativa, formándose. Si una célula se somete a estimulación externa, entra en un estado excitado y genera otro potencial: un potencial de acción.
Este proceso se lleva a cabo mediante un sistema de canales iónicos en la membrana celular, que regula las concentraciones de partículas cargadas eléctricamente: los iones. Todos los canales, independientemente de su especialización, están controlados por determinadas fuerzas. Esto puede ser un cambio en el potencial de la membrana celular (en el caso de canales dependientes de voltaje, un aumento en la concentración de determinadas sustancias activas) en el caso de canales dependientes de ligando, o un estiramiento de la membrana (en canales controlados mecánicamente).
Los canales son proteínas específicas incrustadas en la membrana. Cada tipo de canal permite el paso de iones específicos. Este es un sistema de transporte pasivo: los iones pasan a través de ellos debido a la difusión, y los canales simplemente controlan la concentración de las partículas que pasan y regulan la permeabilidad de la membrana para ellas.
En la formación del potencial de acción, así como del potencial de reposo, participan principalmente iones de sodio y potasio.
Los canales de sodio tienen una estructura bastante simple: es una proteína de tres subunidades diferentes que forman una estructura similar a un poro, es decir, un tubo con una luz interna. El canal puede estar en tres estados: cerrado, abierto e inactivado (cerrado e inexcitable). Esto está garantizado por la localización de cargas negativas y positivas en la propia proteína; estas cargas son atraídas por las opuestas existentes en la membrana, por lo que el canal se abre y se cierra cuando cambia el estado de la membrana. Cuando está abierto, los iones de sodio pueden penetrar libremente a través de él hacia la célula siguiendo un gradiente de concentración. Este es un momento muy corto de tiempo, literalmente una fracción de milisegundo.
Los canales de potasio son aún más simples: son subunidades individuales que tienen una forma trapezoidal en sección transversal; Están ubicados casi uno cerca del otro, pero siempre hay un espacio entre ellos. Los canales de potasio no se cierran por completo; en estado de reposo, el potasio abandona libremente el citoplasma (a lo largo del gradiente de concentración).
Tanto los canales de sodio como los de potasio están dependientes de voltaje: operan en respuesta a cambios en el potencial eléctrico de la membrana.
Cuando se forma un potencial de acción, se produce una recarga brusca de la membrana a corto plazo. Esto se logra a través de varios procesos secuenciales.
En primer lugar, bajo la influencia de una irritación externa (por ejemplo, una corriente eléctrica), la membrana se despolariza, es decir, las cargas en sus diferentes lados cambian al opuesto (dentro de la célula la carga se vuelve positiva, afuera, negativa). Esta es una señal para la apertura de los canales de sodio, de los cuales hay una gran cantidad en la superficie de una membrana, tal vez hasta 12 mil. El momento en el que los canales comienzan a abrirse se denomina nivel crítico de despolarización. La corriente que da esta despolarización crítica se llama umbral.
Curiosamente, aumentar la corriente después de alcanzar el umbral no cambia las características del potencial de acción resultante. Lo que importa para abrir canales no es la amplitud de la corriente, sino la cantidad de energía recibida por la membrana: la "cantidad de electricidad". Este patrón se llama "todo o nada": o hay una respuesta completa a la irritación cuando su valor está por encima del valor umbral o no hay respuesta alguna si la irritación no ha alcanzado el valor umbral. En este caso, el valor umbral está determinado por la duración de la estimulación aplicada.
Sin embargo, esta ley sólo es válida dentro de una única celda. Si tomamos, por ejemplo, un nervio compuesto por una gran cantidad de axones diferentes, la amplitud también importará, porque veremos una respuesta a la estimulación solo cuando los canales estén activados en todas las células, es decir, con un valor total mayor. de la corriente umbral.
Una vez que se abren los canales, el sodio comienza a ingresar a la célula y su corriente excede significativamente la corriente de potasio que sale a lo largo del gradiente. Esto significa que la permeabilidad de la membrana al sodio se vuelve mayor que al potasio. En algún momento, casi todos los canales de sodio se abren. Esto sucede como una avalancha: desde el punto donde llegó el estímulo, en ambas direcciones. Por tanto, la concentración de sodio en la célula aumenta drásticamente.
Después de esto, las concentraciones de iones deberían volver a sus valores originales. Esto proporciona una propiedad tan general de los canales como la refractariedad: un canal que se ha activado permanece inactivo durante algún tiempo y no puede ser excitado por un estímulo irritante.
En el momento de máxima respuesta a la estimulación, los canales de sodio se vuelven refractarios y la permeabilidad al sodio cae bruscamente. Los canales de potasio, por el contrario, comienzan a funcionar activamente y aumenta el flujo de potasio desde la célula. Por tanto, el exceso de iones cargados positivamente abandona la célula y se restablece el potencial de reposo original. Durante este período de tiempo, hasta que se restablecen los canales de sodio y el potencial original (esto puede tardar aproximadamente un milisegundo), la célula no puede excitarse.
Dado que la capacidad de excitación de las células garantiza el funcionamiento del cuerpo en su conjunto y la posibilidad de un control central de todas las células del cuerpo, los venenos que bloquean los canales se encuentran entre los más peligrosos para los humanos y muchos animales.
Uno de los bloqueadores de canales más peligrosos es la tetrodotoxina, una sustancia producida por el pez globo. Para él, el valor LD50 (50% del nivel de muerte, la dosis por la cual morirán 50 de cada cien personas) es igual a 10 miligramos por kilogramo de peso, es decir, aproximadamente mil veces menos que para el cianuro. Sus moléculas se unen firmemente a la proteína del canal de sodio cuando está en un estado cerrado y bloquean completamente la posibilidad de un potencial de acción. Algunas algas producen toxinas similares. El veneno de Escorpio, por el contrario, mantiene todos los canales en un estado constantemente abierto.
Bueno, está bien, un escorpión, pero es un misterio por qué es un arma tan terrible para las algas.
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Los canales iónicos son proteínas integrales que proporcionan transporte pasivo de iones a lo largo de un gradiente de concentración. La energía para el transporte es la diferencia en la concentración de iones en ambos lados de la membrana (gradiente de iones transmembrana).
Los canales no selectivos tienen las siguientes propiedades:
· permiten el paso de todo tipo de iones, pero la permeabilidad de los iones K+ es significativamente mayor que la de otros iones;
- siempre están abiertos.
Los canales selectivos tienen las siguientes propiedades:
· dejar pasar sólo un tipo de ion; para cada tipo de ion existe su propio tipo de canal;
- Puede estar en uno de 3 estados: cerrado, activado, inactivado.
La permeabilidad selectiva del canal selectivo está asegurada. filtro selectivo, que está formado por un anillo de átomos de oxígeno cargados negativamente, que se ubica en el punto más estrecho del canal.
El cambio del estado del canal está garantizado por el funcionamiento del mecanismo de la puerta. , que está representado por dos moléculas de proteína. Estas moléculas de proteínas, las llamadas. Las puertas de activación y las puertas de iniciación pueden bloquear el canal iónico cambiando su conformación.
En estado de reposo, la puerta de activación está cerrada y la puerta de inactivación está abierta (el canal está cerrado) (Fig. 2.3). Cuando una señal actúa sobre el sistema de compuerta, la compuerta de activación se abre y comienza el transporte de iones a través del canal (el canal se activa). Con una despolarización significativa de la membrana celular, la puerta de inactivación se cierra y se detiene el transporte de iones (el canal se inactiva). Cuando se restablece el nivel de MP, el canal vuelve a su estado original (cerrado).
Dependiendo de la señal que provoca la apertura de la puerta de activación, los canales iónicos selectivos se dividen en:
· canales quimiosensibles: la señal para la apertura de la puerta de activación es un cambio en la conformación de la proteína receptora asociada con el canal como resultado de la unión de un ligando al mismo.
- canales sensibles al voltaje: la señal para abrir la puerta de activación es una disminución del MP (despolarización) de la membrana celular a un cierto nivel, que se denomina nivel crítico de despolarización (CLD);
Según el método de activación, se distinguen:
· activado por voltaje canales iónicos (la transición de un estado cerrado a uno abierto y viceversa se lleva a cabo mediante la conformación de la molécula de proteína cuando cambia el potencial de membrana). Un ejemplo es el canal de sodio dependiente de voltaje, que determina la despolarización de la célula durante la generación de un potencial de acción.
· mecanosensible canales iónicos (se abren cuando se aplica un estímulo mecánico a la membrana celular, por ejemplo, cuando se activan los mecanorreceptores de la piel).
· activado por ligando canales iónicos. Según el método de activación, se dividen en dos grupos (extracelular e intracelular), según en qué lado de la membrana actúa el ligando. Si un estímulo (por ejemplo, acetilcolina) durante la transmisión sináptica de la excitación en la sinapsis neuromuscular actúa sobre un receptor (en este ejemplo, un receptor colinérgico, que es una de varias subunidades proteicas de un canal iónico) ubicado en la superficie exterior del membrana de la célula muscular, se abrirá un canal iónico, permeable a los cationes. Si los canales activados por ligandos dependen de segundos mensajeros en la célula, su transición al estado abierto se produce cuando cambia la concentración de ciertos iones en el citoplasma. Un ejemplo es el canal de potasio activado por calcio, que se activa cuando aumenta la concentración de iones de calcio en la célula. Tales canales participan en la repolarización de membrana al final del potencial de acción.
El concepto de potencial de membrana, potencial iónico de equilibrio y potencial de reposo. Condiciones y causas de la existencia del descanso potencial. La ecuación es constante del campo.Función potencial miembro.
Condiciones y motivos de la existencia del potencial de reposo.
Los cálculos y los datos experimentales indican que todas las células del cuerpo en estado de reposo "operativo" se caracterizan por un cierto grado de polarización. El plasmalema de cada célula está cargado y, en reposo, se mantiene en su superficie interna un potencial negativo con respecto al medio intercelular. La diferencia de potencial transmembrana en diferentes células es diferente, pero en todas partes alcanza varias decenas de milivoltios. Mediante la tecnología de microelectrodos, en un experimento fue posible medir directamente la diferencia de potencial real en ambos lados de la membrana celular.
¿Qué iones y canales iónicos proporcionan bioelectrogénesis? Ahora se sabe que cuatro iones contribuyen principalmente al potencial de reposo y al potencial de acción. Na + K + Ca ++ Cl - son capaces de penetrar (o no penetrar) bajo determinadas condiciones a través de los canales iónicos correspondientes.
Para que un determinado ion (que tenga carga) penetre en la membrana, es necesario que se den las siguientes condiciones:
1. La presencia de un gradiente de concentración (creado por el trabajo de las bombas de iones)
2. La presencia de un gradiente electroquímico (creado por la suma de las concentraciones de partículas cargadas y las propiedades de los canales iónicos para separar cationes y aniones en ambos lados de la membrana).
3. Disponibilidad de canales adecuados en estado abierto.
En potencial de reposo el lado interno de la membrana celular tiene una carga, cuyo signo (negatividad) está determinado por Presencia de aniones orgánicos en el citoplasma.(proteínas y aminoácidos) incapaces de pasar a través de canales iónicos, y deficiencia de contraiones– cationes de potasio que pueden penetrar a través de los canales de iones de potasio, como resultado de lo cual se crea un exceso de iones negativos en la célula y un exceso de carga positiva en el intersticio. La magnitud de la carga negativa en la célula y de la carga positiva en el espacio intercelular se puede predecir matemáticamente, pero sólo en casos relativamente simples, por ejemplo, en el caso del axón del calamar gigante.
La magnitud del potencial de reposo se describe con una aproximación conocida mediante la ecuación de campo constante propuesta por Hodgkin, Goldman y Katz.
Vм=RT/zFln ((pko+pNa o +pCl i) / (pki+pNa i +pCl i))
No se deben confundir los conceptos Potencial de membrana, potencial de equilibrio Y potencial de reposo.
El potencial de membrana está determinado por la suma de las cargas que actúan a ambos lados de la membrana, lo que determina la capacidad de ciertos iones para penetrar a través de los canales iónicos.
El potencial de equilibrio es el potencial del plasmalema celular en el que la corriente total de un determinado ion a través de la membrana es cero, a pesar de la capacidad de los iones individuales de penetrar a través de canales abiertos a cambio de que los mismos iones fluyan en la dirección opuesta. Determinado por la ecuación de Nernst.
Funciones del potencial de membrana en reposo:
1. La polarización de la membrana es una condición para la excitación y la inhibición.
2. La polarización determina el volumen de liberación del transmisor desde la terminación presináptica.
3. El PP crea las condiciones para que los canales dependientes de voltaje estén en un estado cerrado (la polarización de la membrana crea las condiciones para la formación de un potencial de acción).
FISIOLOGÍA GENERAL DEL SISTEMA NERVIOSO
El concepto de centro neurálgico.
Nervio central- un conjunto de estructuras del sistema nervioso central, cuya actividad coordinada asegura la regulación de funciones individuales del cuerpo o un determinado acto reflejo. La idea de la base estructural y funcional del centro nervioso está determinada por la historia del desarrollo de la doctrina de la localización de funciones en el sistema nervioso central. Propiedades de los centros nerviosos:
2. Conducción lenta de la excitación a través de complejos neuronales del sistema nervioso central. El retraso sináptico T syn de un contacto intercelular es de aproximadamente 0,5 a 2 ms. Si hay n neuronas en la red, el período de latencia total de la señal en el cerebro corresponde a n×T syn y puede ser bastante significativo. Indirectamente, conociendo el tiempo de transmisión de la señal a través del sistema nervioso central (calculado teniendo en cuenta el tiempo total del reflejo y el tiempo empleado en la transmisión a lo largo de los troncos nerviosos), se puede estimar el número de interruptores sinápticos (n) en el arco. de un reflejo particular.
4. La conducción unilateral de la excitación, así como la divergencia y convergencia de las entradas sinápticas, crean un sustrato morfológico para la circulación de la excitación (reverberación) a lo largo de circuitos neuronales cerrados. Se cree que este fenómeno es la base de la memoria a corto plazo.
5. Ciertas neuronas asociadas en núcleos se caracterizan por actividad de fondo. Está determinada por las propiedades de la membrana y depende de la despolarización espontánea. Otras neuronas son "silenciosas" y generan AP sólo cuando se activan las entradas sinápticas.
6. Las neuronas y sinapsis ubicadas en su superficie se caracterizan por la sensibilidad a diversas sustancias, moléculas de señalización y metabolitos contenidos en el líquido cefalorraquídeo.
7. Se caracteriza por la fatiga, una de cuyas razones es la disminución de las reservas del mediador disponible y la baja velocidad de su síntesis.
8. plasticidad. El alivio, la potenciación (tetánico post-tetánico, a largo plazo) y la depresión están determinados por las propiedades de los receptores, los procesos de seguimiento y la aparición de nuevos contactos sinápticos o receptores en la superficie de las neuronas.
Las redes nerviosas del cerebro se caracterizan por direcciones direccionales y unilaterales. conducción de excitación (lineal). Si hay una cadena de neuronas conectadas entre sí por contactos sinápticos, entonces, debido a la propiedad de las sinapsis químicas de liberar un transmisor desde el extremo presináptico a la hendidura sináptica y recibirlo por un receptor localizado en la membrana postsináptica, el vector de La propagación de la excitación en la red neuronal se dirige hacia la neurona postsináptica posterior. Un ejemplo común de este principio es la ley. Bella-Magendie(Las fibras aferentes ingresan a la médula espinal a través de las raíces dorsales, las fibras motoras salen de la médula espinal a través de las raíces ventrales).
Procesos convergencia consisten en la convergencia de varios flujos de impulsos desde varias células nerviosas hacia la misma neurona (ver sección 4.1.4). El proceso de convergencia es característico no sólo de las células nerviosas del mismo tipo. Por ejemplo, en las neuronas motoras de la médula espinal, además de las fibras aferentes primarias, convergen fibras de varios tractos descendentes de los centros supraespinales y espinales propiamente dichos, así como de las interneuronas excitadoras e inhibidoras. Como resultado, las neuronas motoras de la médula espinal funcionan como una vía final común para numerosas estructuras nerviosas, incluido el aparato suprasegmental del cerebro, relacionado con la regulación de la función motora.
Divergencia es la capacidad de una célula nerviosa para establecer numerosas conexiones sinápticas con varias células nerviosas. Gracias a esto, una célula nerviosa puede participar en varias reacciones diferentes, transmitir excitación a un número significativo de otras neuronas, lo que puede excitar un mayor número de neuronas, proporcionando una amplia irradiación del proceso excitador en las formaciones nerviosas centrales.
La estructura de una neurona.
Funcionalmente, las neuronas de la médula espinal se pueden dividir en 4 grupos principales:
1) las neuronas motoras, o neuronas motoras, son células de los cuernos anteriores, cuyos axones forman las raíces anteriores;
2) interneuronas: neuronas que reciben información de los ganglios espinales y están ubicadas en los astas dorsales. Estas neuronas responden al dolor, temperatura, tacto, vibración, estimulación propioceptiva;
3) las neuronas simpáticas y parasimpáticas se encuentran predominantemente en los cuernos laterales. Los axones de estas neuronas salen de la médula espinal como parte de las raíces ventrales;
4)) células de asociación: neuronas del propio aparato de la médula espinal, que establecen conexiones dentro y entre segmentos.
Neuronas motoras. El axón de la neurona motora inerva cientos de fibras musculares con sus terminales, formando una unidad de neurona motora.
Interneuronas. Estas neuronas intermedias, que generan impulsos con una frecuencia de hasta 1000 por segundo, tienen actividad de fondo y tienen hasta 500 sinapsis en sus dendritas. La función de las interneuronas es organizar las conexiones entre las estructuras de la médula espinal y asegurar la influencia de las vías ascendentes y descendentes en las células de los segmentos individuales de la médula espinal. Una función muy importante de las interneuronas es la inhibición de la actividad neuronal, lo que garantiza que se mantenga la dirección de la vía de excitación.
Neuronas de la división simpática del sistema autónomo. Ubicado en los cuernos laterales de los segmentos de la médula espinal torácica. Estas neuronas están activas en segundo plano, pero tienen una velocidad de activación poco común (3-5 por segundo).
Neuronas de la división parasimpática del sistema autónomo. Están localizados en la médula espinal sacra y tienen actividad de fondo.
La neuroglia, o glia, es un conjunto de elementos celulares del tejido nervioso, formado por células especializadas de diversas formas. Las células neurogliales llenan los espacios entre las neuronas y constituyen el 40% del volumen del cerebro. Células gliales 3-4 veces más pequeños que los nerviosos; A medida que una persona envejece, la cantidad de neuronas en el cerebro disminuye y la cantidad de células gliales aumenta. Clasificación:
Los astrocitos son células multiprocesadas con núcleos de forma ovalada y una pequeña cantidad de cromatina. El tamaño de los astrocitos es de 7 a 25 micrones. Ubicado principalmente en la materia gris del cerebro. Los núcleos de los astrocitos contienen ADN, el protoplasma tiene un complejo laminar, un centrisoma y mitocondrias. Los astrocitos sirven como soporte para las neuronas, proporcionan procesos de reparación de los troncos nerviosos, aíslan las fibras nerviosas y participan en el metabolismo de las neuronas. Los procesos de astrocitos forman "patas" que envuelven los capilares, cubriéndolos casi por completo. Como resultado, entre las neuronas y los capilares sólo se encuentran astrocitos. Al parecer, aseguran el transporte de sustancias desde la sangre a la neurona y viceversa. Los astrocitos forman puentes entre los capilares y el epéndimo que recubre las cavidades de los ventrículos del cerebro. Se cree que esto asegura el intercambio entre la sangre y el líquido cefalorraquídeo de los ventrículos del cerebro, es decir, los astrocitos realizan una función de transporte.
Los oligodendrocitos tienen una pequeña cantidad de procesos. Son de menor tamaño que los astrocitos. En la corteza cerebral, el número de oligodendrocitos aumenta desde las capas superiores hacia las inferiores. Hay más oligodendrocitos en las estructuras subcorticales y en el tronco del encéfalo que en la corteza. Los oligodendrocitos participan en la mielinización de los axones (por lo que hay más en la sustancia blanca del cerebro), en el metabolismo de las neuronas y en el trofismo de las neuronas.
La microglía está representada por las células gliales multiprocesadas más pequeñas que pertenecen a las células errantes. La fuente de la microglía es el mesodermo. Las células microgliales son capaces de fagocitosis.
14.Ideas modernas sobre los contactos intercelulares.
Las sinapsis son los contactos que establecen a las neuronas como entidades independientes. La sinapsis es una estructura compleja y consta de una parte presináptica (el extremo del axón que transmite la señal), una hendidura sináptica y una parte postsináptica (la estructura de la célula receptora).
Clasificación de sinapsis. Las sinapsis se clasifican por ubicación, naturaleza de acción y método de transmisión de señales.
Según su ubicación se clasifican en neuromusculares, sinapsis y neuroneuronales, estas últimas a su vez se dividen en axo-somáticas, axoaxonales, axodendríticas y dendrosomáticas.
Según la naturaleza del efecto sobre la estructura perceptiva, las sinapsis pueden ser excitadoras o inhibidoras.
Según el método de transmisión de señales, las sinapsis se dividen en eléctricas, químicas y mixtas.
La naturaleza de la interacción de las neuronas. Está determinado por el método de esta interacción: contacto distante, adyacente.
La interacción a distancia puede ser proporcionada por dos neuronas ubicadas en diferentes estructuras del cuerpo. Por ejemplo, en las células de varias estructuras del cerebro se forman neurohormonas y neuropéptidos que son capaces de influir en las neuronas humorales de otras partes del cerebro.
La interacción adyacente entre neuronas ocurre cuando las membranas de las neuronas están separadas solo por el espacio intercelular. Normalmente, esta interacción ocurre cuando no hay células gliales entre las membranas de las neuronas. Esta contigüidad es característica de los axones del nervio olfatorio, las fibras paralelas del cerebelo, etc. Se cree que la interacción contigua asegura la participación de las neuronas vecinas en el desempeño de una única función. Esto ocurre, en particular, porque los metabolitos, productos de la actividad neuronal, que ingresan al espacio intercelular, afectan a las neuronas vecinas. La interacción adyacente puede, en algunos casos, asegurar la transferencia de información eléctrica de una neurona a otra.
Para diversas sustancias y, en particular, para los iones minerales, es de suma importancia en la vida de la célula y especialmente en los mecanismos de percepción, transformación, transmisión de señales de una célula a otra y a las estructuras intracelulares.
El papel determinante en el estado de permeabilidad de las membranas celulares lo desempeñan sus canales iónicos, que se forman. proteínas formadoras de canales. La apertura y el cierre de estos canales pueden controlarse mediante la magnitud de la diferencia de potencial entre las superficies exterior e interior de la membrana, una variedad de moléculas de señalización (hormonas, neurotransmisores, sustancias vasoactivas), mensajeros secundarios de la transmisión de señales intracelulares y minerales. iones.
canal de iones- varias subunidades (proteínas integrales de membrana que contienen segmentos transmembrana, cada uno de los cuales tiene una configuración de hélice α) que aseguran el transporte de iones a través de la membrana.
Arroz. 1. Clasificación de canales iónicos.
La comprensión moderna de la estructura y función de los canales iónicos ha sido posible gracias al desarrollo de métodos para registrar las corrientes eléctricas que fluyen a través de una sección aislada de la membrana que contiene canales iónicos individuales, así como mediante el aislamiento y la clonación de genes individuales que controlan la Síntesis de macromoléculas proteicas capaces de formar canales iónicos. Esto hizo posible modificar artificialmente la estructura de dichas moléculas, integrarlas en las membranas celulares y estudiar el papel de regiones peptídicas individuales en el desempeño de las funciones del canal. Resultó que las moléculas proteicas formadoras de canales de todos los canales iónicos tienen algunas características estructurales comunes y generalmente están representados por grandes proteínas transmembrana con masas moleculares superiores a 250 kDa.
Consisten en varias subunidades. Generalmente lo más importante propiedades del canal su subunidad a. Esta subunidad participa en la formación del agujero selectivo de iones, el mecanismo sensor de la diferencia de potencial transmembrana, la puerta del canal, y tiene sitios de unión para ligandos exógenos y endógenos. Otras subunidades incluidas en la estructura de los canales iónicos desempeñan un papel auxiliar, modulando las propiedades de los canales (Fig. 2).
La molécula de proteína formadora de canales está representada por bucles de aminoácidos extramembrana y regiones de dominio helicoidal intramembrana que forman las subunidades de los canales iónicos. La molécula de proteína se pliega en el plano de la membrana de modo que el propio canal iónico se forma entre los dominios en contacto entre sí (ver Fig. 2, abajo a la derecha).
La molécula de proteína formadora de canales está ubicada en la membrana citoplasmática de modo que su estructura espacial tridimensional forma las bocas del canal que miran hacia los lados exterior e interior de la membrana, un poro lleno de agua y una "puerta". Estos últimos están formados por una sección de la cadena peptídica que puede cambiar fácilmente su conformación y determinar el estado abierto o cerrado del canal. La selectividad y permeabilidad del canal iónico dependen del tamaño del poro y de su carga. La permeabilidad de un canal para un ion determinado también está determinada por su tamaño, carga y capa de hidratación.
Arroz. 2. Estructura del canal iónico Na+ de la membrana celular: a - estructura bidimensional de la unidad α del canal iónico de la membrana celular; b - a la izquierda - un canal de sodio, que consta de una subunidad A y dos subunidades P (vista lateral); a la derecha está el canal de sodio desde arriba. En los números I. II. III. IV dominios marcados de la subunidad a
Tipos de canales iónicos
Se han descrito más de 100 tipos de canales iónicos y se utilizan diversos enfoques para clasificarlos. Uno de ellos se basa en tener en cuenta las diferencias en la estructura de canales y mecanismos de funcionamiento. En este caso, los canales iónicos se pueden dividir en varios tipos:
- canales iónicos pasivos o canales en reposo;
- canales de contacto de ranura;
- canales, cuyo estado (abierto o cerrado) está controlado por la influencia en su mecanismo de compuerta de factores mecánicos (canales mecanosensibles), diferencias de potencial en la membrana (canales dependientes de voltaje) o ligandos que se unen a la proteína formadora de canales en el lado exterior o interior de la membrana (canales activados por ligando).
Canales pasivos
Una característica distintiva de estos canales es que pueden estar abiertos (activos) en células en reposo, es decir, en ausencia de cualquier influencia. Esto predetermina su segundo nombre: canales pasivos. No son estrictamente selectivos y a través de ellos la membrana celular puede “filtrar” varios iones, por ejemplo K+ y CI+ K+ y Na+. Por lo tanto, estos canales a veces se denominan canales de fuga. Debido a estas propiedades, los canales en reposo desempeñan un papel importante en la aparición y mantenimiento del potencial de membrana en reposo en la membrana citoplasmática de una célula, cuyos mecanismos y significado se analizan a continuación. Los canales pasivos están presentes en las membranas citoplasmáticas de las fibras nerviosas y sus terminaciones, células estriadas, músculos lisos, miocardio y otros tejidos.
Canales mecanosensibles
El estado de permeabilidad de estos canales cambia bajo influencias mecánicas sobre la membrana, provocando una alteración del empaquetamiento estructural de las moléculas en la membrana y su estiramiento. Estos canales están ampliamente representados en mecanorreceptores de vasos sanguíneos, órganos internos, piel, músculos estriados y miocitos lisos.
Canales dependientes del voltaje
El estado de estos canales está controlado por las fuerzas del campo eléctrico creado por la magnitud de la diferencia de potencial a través de la membrana. Los canales dependientes de voltaje pueden estar en estados inactivo (cerrado), activo (abierto) e inactivado, que están controlados por la posición de las compuertas de activación e inactivación, dependiendo de la diferencia de potencial a través de la membrana.
En una celda en reposo, un canal dependiente de voltaje suele estar en un estado cerrado, desde el cual se puede abrir o activar. La probabilidad de que se abra por sí solo es baja y, en reposo, solo un pequeño número de estos canales en la membrana están abiertos. Una disminución de la diferencia de potencial transmembrana (despolarización de la membrana) provoca la activación del canal, aumentando la probabilidad de su apertura. Se supone que la función de la puerta de activación la realiza un grupo de aminoácidos cargado eléctricamente que cierra la entrada a la boca del canal. Estos aminoácidos son un sensor de la diferencia de potencial en la membrana; cuando se alcanza un cierto nivel (crítico) de despolarización de la membrana, la parte cargada de la molécula sensora se desplaza hacia el microambiente lipídico de la molécula formadora del canal y la puerta abre la entrada a la boca del canal (Fig. 3).
El canal se abre (activo) para que los iones se muevan a través de él. La velocidad de apertura de la cancela de activación puede ser baja o muy alta. Según este indicador, los canales iónicos dependientes de voltaje se dividen en rápidos (por ejemplo, canales rápidos de sodio dependientes de voltaje) y lentos (por ejemplo, canales lentos de calcio dependientes de voltaje). Los canales rápidos se abren instantáneamente (μs) y permanecen abiertos durante un promedio de 1 ms. Su activación va acompañada de un rápido aumento, similar a una avalancha, de la permeabilidad del canal para determinados iones.
Otra parte de la cadena peptídica, que es una secuencia de aminoácidos en forma de bola densa (bola) sobre un hilo, ubicada a la salida de la otra boca del canal, tiene la capacidad de cambiar su conformación. Cuando cambia el signo de carga en la membrana, la bola cierra la salida de la boca y el canal se vuelve impenetrable (inactivado) para el ion. La inactivación de canales iónicos dependientes de voltaje se puede lograr mediante otros mecanismos. La inactivación va acompañada del cese del movimiento de iones a través del canal y puede ocurrir tan rápidamente como la activación, o lentamente, durante un período de segundos o incluso minutos.
Arroz. 3. Mecanismo de compuerta de los canales de sodio (arriba) y potasio (abajo) dependientes de voltaje
Para restaurar las propiedades originales de los canales iónicos después de su inactivación, es necesario devolver la conformación espacial original de la proteína formadora de canales y la posición de la puerta. Esto se logra restaurando la diferencia de potencial de membrana (repolarización) a un nivel característico del estado de reposo de la célula o algún tiempo después de la inactivación con un fuerte efecto sobre la membrana. La transición del estado de inactivación al estado original (cerrado) se denomina reactivación del canal. Una vez reactivado, el canal iónico vuelve a estar listo para su reapertura. La reactivación de los canales de membrana dependientes de voltaje también puede ser rápida o lenta.
Los canales iónicos dependientes de voltaje suelen ser muy selectivos y desempeñan un papel crucial en la aparición de excitación (generación de potenciales de acción), la transmisión de información a lo largo de las fibras nerviosas en forma de señales eléctricas y el inicio y regulación de la contracción muscular. Estos canales están ampliamente representados en las membranas de las fibras nerviosas aferentes y eferentes, en las membranas de los miocitos estriados y lisos.
Los canales iónicos dependientes de potencial están integrados en la membrana de las terminaciones nerviosas de los nervios sensoriales (dendritas) que inervan la pulpa dental y la mucosa oral, donde su apertura asegura la conversión del potencial del receptor en un impulso nervioso y su posterior transmisión a lo largo del nervio aferente. fibra. Con la ayuda de estos impulsos se transmite al sistema nervioso central información sobre todo tipo de sensaciones sensoriales que una persona experimenta en la cavidad bucal (gusto, temperatura, presión mecánica, dolor). Dichos canales aseguran la aparición de impulsos nerviosos en la membrana del montículo axónico de las neuronas y su transmisión a lo largo de fibras nerviosas eferentes, la conversión de potenciales postsinápticos en potenciales de acción de las células efectoras postsinápticas. Un ejemplo de tales procesos es la generación de impulsos nerviosos en las neuronas motoras del núcleo del nervio trigémino, que luego se transmiten a lo largo de sus fibras eferentes a los músculos masticatorios y proporcionan el inicio y regulación de los movimientos de masticación de la mandíbula inferior.
Al estudiar los mecanismos sutiles del funcionamiento de los canales iónicos dependientes de voltaje, se reveló que existen sustancias que pueden bloquear el funcionamiento de estos canales. Uno de los primeros en ser descrito fue la sustancia tetrodotoxina, un poderoso veneno producido en el cuerpo del pez globo. Bajo su influencia, en el experimento se observó el bloqueo de los canales de sodio dependientes de voltaje, y cuando se introdujo en el cuerpo de los animales, se observaron pérdida de sensibilidad, relajación muscular, inmovilidad, paro respiratorio y muerte. Estas sustancias se denominan bloqueadores de canales iónicos. Entre ellos lidocaína, novocaína, procaína - sustancias, cuando se introducen en el cuerpo en pequeñas dosis, se desarrolla el bloqueo de los canales de sodio de las fibras nerviosas dependientes del voltaje y se bloquea la transmisión de señales desde los receptores del dolor al sistema nervioso central. Estas sustancias se utilizan ampliamente en la práctica médica como anestésicos locales.
El movimiento de iones a través de canales iónicos no sólo es la base para la redistribución de cargas en las membranas y la formación de potenciales eléctricos, sino que también puede influir en el curso de muchos procesos intracelulares. Este efecto sobre la expresión de genes que controlan la síntesis de proteínas formadoras de canales no se limita sólo a las células de los tejidos excitables, sino que ocurre en todas las células del cuerpo. Se ha identificado un gran grupo de enfermedades cuya causa es una violación de la estructura y función de los canales iónicos. Estas enfermedades se clasifican como “canalopatías”. Evidentemente, el conocimiento de la estructura y funciones de los canales iónicos es necesario para comprender la naturaleza de las “canalopatías” y buscar su terapia específica.
Canales iónicos activados por ligando
Por lo general, están formados por macromoléculas de proteínas que pueden servir simultáneamente como canales iónicos y funciones receptoras para ciertos ligandos. Dado que la misma macromolécula puede realizar simultáneamente estas dos funciones, se les han asignado nombres diferentes, por ejemplo, receptor sináptico o canal dependiente de ligando.
A diferencia de un canal iónico dependiente de voltaje, que se abre cuando cambia la conformación de la puerta de activación en condiciones de disminución de la diferencia de potencial transmembrana, los canales iónicos dependientes de ligando se abren (activan) tras la interacción de la cadena peptídica (receptora) de una proteína. molécula con un ligando, una sustancia por la cual el receptor tiene una alta afinidad ( Fig. 4).
Arroz. 4. Canal iónico dependiente de ligando (receptor de acetilcolina sensible a la nicotina - n-ChR): inactivo; 6 - activado
Los canales iónicos activados por ligando generalmente se localizan en las membranas postsinápticas de las células nerviosas y sus procesos, así como en las fibras musculares. Ejemplos típicos de canales iónicos activados por ligando son los canales de membrana postsinápticos activados por acetilcolina (ver Fig. 4), glutamato, aspartato, ácido gamma-aminobutírico, glicina y otros neurotransmisores sinápticos. Normalmente, el nombre del canal (receptor) refleja el tipo de neurotransmisor que es su ligando en condiciones naturales. Entonces, si estos son canales de la sinapsis neuromuscular en los que se usa el neurotransmisor acetilcolina, entonces se usa el término "receptor de acetilcolina", y si también es sensible a la nicotina, entonces se llama sensible a la nicotina, o simplemente n-acetilcolina. receptor (n-receptor colinérgico).
Normalmente, los receptores (canales) postsinápticos se unen selectivamente a un solo tipo de neurotransmisor. Dependiendo del tipo y las propiedades del receptor y neurotransmisor que interactúan, los canales cambian selectivamente su permeabilidad a los iones minerales, pero no son canales estrictamente selectivos. Por ejemplo, los canales activados por ligandos pueden cambiar la permeabilidad a cationes Na+ y K+ o a aniones K+ y CI+. Esta selectividad de la unión del ligando y los cambios en la permeabilidad iónica están genéticamente fijados en la estructura espacial de la macromolécula.
Si la interacción del mediador y la parte receptora de la macromolécula que forma el canal iónico va directamente acompañada de un cambio en la permeabilidad del canal, en unos pocos milisegundos esto conduce a un cambio en la permeabilidad de la membrana postsináptica al mineral. iones y el valor del potencial postsináptico. Dichos canales se denominan rápidos y están localizados, por ejemplo, en la membrana postsináptica de las sinapsis excitadoras axodendríticas y las sinapsis inhibidoras axosomáticas.
Hay canales iónicos lentos activados por ligandos. A diferencia de los canales rápidos, su apertura no está mediada por la interacción directa del neurotransmisor con la macromolécula receptora, sino por una cadena de eventos que incluyen la activación de la proteína G, su interacción con GTP y un aumento en el nivel de mensajeros secundarios en la transmisión intracelular. de la señal del neurotransmisor que, al fosforilar el canal iónico, provoca un cambio en su permeabilidad a los iones minerales y un cambio correspondiente en el valor del potencial postsináptico. Toda la cadena de acontecimientos descrita tiene lugar en cientos de milisegundos. Nos encontraremos con canales iónicos dependientes de ligandos tan lentos cuando estudiemos los mecanismos de regulación del corazón y los músculos lisos.
Un tipo especial son los canales localizados en las membranas del retículo endoplásmico de las células del músculo liso. Su ligando es el segundo mensajero de la transducción de señales intracelulares, el inositol trifosfato-IFZ.
Se describen canales iónicos que se caracterizan por ciertas propiedades estructurales y funcionales inherentes tanto a los canales iónicos activados por voltaje como a los activados por ligando. Son canales iónicos insensibles al voltaje, cuyo estado del mecanismo de compuerta está controlado por nucleótidos cíclicos (cAMP y cGMP). En este caso, los nucleótidos cíclicos se unen al terminal COOH intracelular de la molécula de proteína formadora del canal y activan el canal.
Estos canales se caracterizan por una menor selectividad de permeabilidad a los cationes y la capacidad de estos últimos de influir en la permeabilidad de los demás. Por lo tanto, los iones Ca 2+, que ingresan a través de canales activados desde el entorno extracelular, bloquean la permeabilidad de los canales para los iones Na 2+. Un ejemplo de tales canales son los canales iónicos de bastón de la retina, cuya permeabilidad a los iones Ca 2+ y Na 2+ está determinada por el nivel de cGMP.
Los canales iónicos activados por ligando están ampliamente representados en estructuras de membrana que proporcionan transmisión sináptica de señales desde varios receptores sensoriales en el sistema nervioso central; transmisión de señales en sinapsis del sistema nervioso; Transmisión de señales del sistema nervioso a las células efectoras.
Ya se ha observado que la transmisión directa de órdenes desde el sistema nervioso a muchos órganos efectores se lleva a cabo mediante neurotransmisores que activan los canales iónicos activados por ligandos en las membranas postsinápticas. Sin embargo, sus ligandos (agonistas o antagonistas) también pueden ser sustancias de naturaleza exógena, que en algunos casos se utilizan como sustancias medicinales.
Por ejemplo, después de la introducción en el cuerpo de la sustancia diplacina, que tiene una estructura similar al neurotransmisor apetilcolina, se producirá una apertura prolongada de los canales iónicos dependientes del ligando en las sinapsis neuromusculares, que dejan de transmitir impulsos nerviosos desde las fibras nerviosas a los músculos. . Se produce una relajación de los músculos esqueléticos del cuerpo, que puede ser necesaria durante operaciones quirúrgicas complejas. La diplacina y otras sustancias que pueden cambiar el estado de los canales iónicos activados por ligando y bloquear la transmisión de señales en las sinapsis neuromusculares se denominan relajantes musculares.
Arroz. 5. Canales de unión entre dos células en estrecho contacto
En la práctica médica, se utilizan muchas otras sustancias medicinales que afectan el estado de los canales iónicos dependientes de ligandos de las células de diversos tejidos.
Canales de unión celular (estrechos)
Los canales de unión se forman en el área de contacto entre dos células vecinas que están muy cerca entre sí. En la membrana de cada célula en contacto, seis subunidades de proteínas, llamadas conexinas, forman una estructura hexagonal, en el centro de la cual se forma un poro o canal iónico: una conexión (Fig. 5).
Se forma una estructura de espejo en el punto de contacto en la membrana de una célula adyacente y el canal iónico entre ellas se vuelve común. A través de estos canales iónicos, varios iones minerales, incluidos los iones Ca 2+, así como sustancias orgánicas de bajo peso molecular, pueden pasar de una célula a otra. Los canales de uniones celulares aseguran la transferencia de información entre las células del miocardio, el músculo liso, la retina y el sistema nervioso.
canales de sodio
Los canales de sodio dependientes e independientes del voltaje (dependientes del ligando, mecanosensibles, pasivos, etc.) están ampliamente representados en las células del cuerpo.
Canales de sodio dependientes de voltaje
Consisten en una subunidad α, que forma el canal, y dos subunidades β, que modulan la permeabilidad iónica y la cinética de inactivación de los canales de sodio (Fig. 6).
Arroz. 6. Estructura bidimensional de la subunidad α del canal de sodio dependiente de voltaje. Descripción en el texto.
Como se puede ver en la Fig. 6, la subunidad a está representada por cuatro dominios del mismo tipo, que constan de seis segmentos transmembrana helicoidales conectados por bucles de aminoácidos. Los bucles que conectan los segmentos quinto y sexto rodean el poro del canal, y el cuarto segmento contiene aminoácidos cargados positivamente, que son sensores de la diferencia de potencial en la membrana y controlan la posición del mecanismo de compuerta durante los cambios en el potencial transmembrana.
En los canales de sodio dependientes de voltaje hay dos mecanismos de compuerta, uno de ellos: la activación (con la participación del cuarto segmento) asegura la apertura (activación) del canal tras la despolarización de la membrana, y el segundo (con la participación del bucle intracelular entre el tercer y cuarto dominio): su inactivación tras la recarga de la membrana. Dado que ambos mecanismos cambian rápidamente la posición de la puerta del canal, los canales de sodio dependientes de voltaje son canales iónicos rápidos y son críticos para la generación de potenciales de acción en tejidos excitables y para su conducción a través de las membranas de las fibras nerviosas y musculares.
Estos canales se localizan en las membranas citoplasmáticas del montículo axónico de las neuronas, en las dendritas y los axones, en la membrana de la región perisináptica de la sinapsis neuromuscular, en el sarcolema de las fibras de los músculos estriados y en el miocardio contráctil. La densidad de distribución de los canales de sodio en estas estructuras es diferente. En las fibras nerviosas mielinizadas se concentran principalmente en la zona de los nódulos de Ranvier, donde su densidad alcanza unos 10.000 canales por micrón cuadrado de superficie, y en las fibras amielínicas los canales se distribuyen más uniformemente con una densidad de unos 20 canales por cuadrado. micra de área. Estos canales están prácticamente ausentes en la estructura de las membranas del cuerpo de las células nerviosas, en la membrana de las terminaciones nerviosas que forman directamente receptores sensoriales y en las membranas postsinápticas de las células efectoras.
Entre los canales de sodio dependientes de voltaje, ya se distinguen más de nueve subtipos, que se diferencian en las propiedades de las subunidades α, tienen una afiliación tisular específica y se diferencian en una sensibilidad diferente a la acción de los bloqueadores. Por ejemplo, un subtipo de canal formado por una proteína formadora de canales, cuya síntesis está controlada por el gen SCN4A, está presente en el sarcolema de los músculos esqueléticos completamente diferenciados e inervados y sus bloqueadores son la tetrodotoxina, la saxitoxina y las c-conotoxinas. En la mayoría de los casos, las subunidades α son sensibles a la acción de la tetrodotoxina, que en concentraciones micromolares bloquea los poros y, con ello, la entrada a los canales de sodio.
Se sabe que las toxinas de los canales de sodio reducen la velocidad de su inactivación. Por ejemplo, la toxina de anémona de mar (ATX) y la toxina a de escorpión (ScTX) provocan un retraso en la inactivación al unirse a residuos de aminoácidos del bucle S3-S4 del segmento 4.
Sustancias llamadas anestésicos (novocaína, dicaína, lidocaína, sovcaína, procaína y etc.). La anestesia cuando bloquean los canales de sodio se logra eliminando la posibilidad de generar impulsos nerviosos en las fibras nerviosas aferentes y bloqueando así la transmisión de señales desde los receptores sensoriales del dolor al sistema nervioso central.
Se ha descubierto que los cambios en la estructura de los canales de sodio pueden provocar el desarrollo de diversas enfermedades. Por ejemplo, un cambio en la estructura del canal controlado por el gen SCNlb conduce al desarrollo de formas generalizadas de epilepsia y convulsiones con aumento de la temperatura corporal (convulsiones febriles).
Muchos microorganismos forman toxinas en el cuerpo humano, sustancias que bloquean los canales iónicos en las células afectadas, lo que puede ir acompañado de un desequilibrio en el equilibrio iónico y la muerte celular. Otros microorganismos, por el contrario, utilizan sus toxinas (perforinas) para formar canales iónicos en la membrana celular. En particular, la toxina del bacilo del ántrax, que provoca una infección especialmente peligrosa en los seres humanos, ataca la célula y forma nuevos poros (canales) en su membrana, a través de los cuales penetran otras toxinas en la célula. La acción de estas toxinas provoca la muerte de las células atacadas y una alta mortalidad en esta enfermedad. Los científicos han sintetizado una sustancia β-ciclodextrina, que tiene una estructura espacial similar a la forma del canal resultante. Esta sustancia bloquea los canales formados por la toxina del microorganismo, previene la entrada de toxinas en las células y salva de la muerte a los animales de experimentación infectados con ántrax.
Canales de sodio independientes del voltaje
Canales de sodio activados por ligando. Su estructura y propiedades generales se analizan anteriormente en la descripción de los canales iónicos activados por ligando. Este tipo de canales de sodio está ampliamente representado en el cuerpo por los canales de sodio del receptor colinérgico sensible a la nicotina de la membrana postsináptica de la sinapsis neuromuscular, las sinapsis interneuronales del sistema nervioso central y el sistema nervioso autónomo (neuronas preganglionares y ganglionares). Los canales de sodio activados por ligando se localizan en las membranas postsinápticas de otras sinapsis excitadoras (glutamato y aspartatérica) del sistema nervioso central. Desempeñan un papel crucial en la generación de potencial postsináptico excitador en las sinapsis y en la transmisión de señales entre neuronas y entre neuronas y células efectoras.
Los canales de sodio activados por ligando de la membrana postsináptica no son estrictamente selectivos y pueden ser permeables simultáneamente a varios iones: sodio y potasio, sodio y calcio.
Canales de sodio independientes del voltaje activados por segundos mensajeros. El estado de estos canales de sodio puede ser controlado por cGMP (fotorreceptores), cAMP (receptores olfativos) y por subunidades de proteína G (miocardio).
Canales de sodio mecanosensibles. Presente en los mecanorreceptores de las paredes de los vasos sanguíneos, el corazón, los órganos internos huecos, los propioceptores de los músculos estriados y la membrana de los miocitos lisos. Con su participación en los receptores sensoriales, la energía de la acción mecánica se convierte en una oscilación de la diferencia de potencial: el potencial del receptor.
Cuerdas pasivas de sodio. Contenido en las membranas citoplasmáticas de las células excitables. La permeabilidad de estos canales para los iones Na+ es pequeña, pero a través de ellos los iones Na se difunden siguiendo un gradiente de concentración desde los espacios extracelulares hacia las células y despolarizan algo la membrana. Los canales de sodio de la membrana citoplasmática de los miocitos lisos son más permeables. Lo despolarizan en mayor cantidad (potencial de reposo de unos 50 mV) que la membrana de los miocitos de los músculos estriados (potencial de reposo de unos 90 mV). Por tanto, los canales pasivos de sodio participan en la formación del potencial de membrana en reposo.
Intercambiadores de sodio. El intercambiador sodio-calcio, o intercambiador sodio-calcio, ha sido descrito previamente y desempeña un papel importante en la eliminación de iones calcio de los cardiomiocitos contráctiles.
Intercambiador de protones de sodio. Es un tipo especial de proteína formadora de canales que elimina protones de hidrógeno de los espacios intracelulares a cambio de que los iones de sodio ingresen a la célula. La eliminación de protones se activa cuando el pH en la célula disminuye.
La síntesis de proteínas que forman canales de intercambio de sodio está controlada por cinco genes, denominados NAH1 -NAH5.
canales de potasio
Hay canales de potasio dependientes de voltaje e insensibles al voltaje. Entre estos últimos se distinguen los canales de potasio pasivos, dependientes de ligandos y de otro tipo. Como regla general, los canales de potasio se encuentran en las membranas de las mismas células y tejidos que contienen canales de sodio. Una de las razones de tal paralelismo en la disposición de estos canales iónicos es que los iones Na+ y K+ son los cationes más importantes, cuya naturaleza de distribución y movimiento determina la aparición y cambio de potenciales eléctricos como una de las formas más importantes. de transmisión de señales de información en el cuerpo.
Existe toda una superfamilia de canales iónicos de potasio, que se dividen según las características estructurales, la localización y las propiedades de los canales en familias, tipos y subtipos separados. Se han descrito más de tres docenas de canales de potasio y no es posible dar sus características detalladas. Por tanto, a modo de ejemplo se darán descripciones de aquellas familias y tipos de canales iónicos que están relacionados principalmente con vías de señalización y mecanismos de control de procesos nerviosos y musculares.
Canales pasivos de potasio.
Se sabe que en estado de reposo, las membranas de las células excitables son relativamente permeables a los iones K y poco permeables a los iones Na+. Dado que los portadores de corrientes eléctricas transmembrana son iones, midiendo la corriente eléctrica que fluye a través de la membrana celular se puede juzgar el estado de los canales iónicos. Resultó que la corriente eléctrica transmembrana causada por la difusión de iones K a lo largo del gradiente de concentración de la célula es de aproximadamente dos picoamperios y tiene un carácter pulsante, y la duración promedio de la pulsación es de varios milisegundos. A partir de esta observación, se concluyó que los canales de potasio en una célula en reposo pueden abrirse y cerrarse espontáneamente, proporcionando las condiciones para la difusión de iones K a través de ellos desde la célula y la formación de un potencial de reposo en la membrana.
Canales de potasio dependientes de voltaje
La existencia de canales de potasio dependientes de voltaje en las membranas celulares de los tejidos excitables se conoció después de que se descubrió que su cinética de activación difiere de la de los canales de sodio dependientes de voltaje y, además, son bloqueados selectivamente por otros bloqueadores. Los canales de potasio se activan de la misma manera que los canales de sodio, cuando la membrana celular se despolariza a un nivel crítico, pero al mismo tiempo, la velocidad de salida de los iones K+ de la célula aumenta mucho más lentamente que la velocidad de entrada de Na+. iones al interior de la célula.
El filtro selectivo del canal de potasio está ubicado en el interior de la boca del poro, a diferencia de la ubicación externa de un filtro similar en los canales de sodio (Fig. 7). La existencia de selectividad de estos canales en relación con los cationes Na+ y K+ y varios bloqueadores específicos (tetrodotoxina (para el sodio) y tetraetilamonio (para el potasio)) indica la estructura diferente de estos canales.
Los canales de potasio dependientes de voltaje son tetrámeros y constan de cuatro subunidades que forman un poro en el centro.
Los canales de potasio dependientes de voltaje se localizan en las membranas de las células tanto excitables como no excitables. Desempeñan un papel importante en la tasa de recuperación (repolarización) del potencial de membrana después de su despolarización y, por tanto, en el control de la forma y frecuencia de generación de potenciales de acción. Los canales lentos de potasio están bloqueados por traetilamonio, 4-aminopiridina, fenciclidina y 9-aminoacridina.
Arroz. 7. Canal de potasio: a - izquierda - estructura bidimensional de la subunidad a; a la derecha hay un diagrama del canal; b — diagrama de difracción de electrones de los canales de potasio en la membrana citoplasmática.
Además de los canales lentos de potasio, se han descrito canales rápidos de potasio dependientes de voltaje, cuya cinética de apertura es similar a la de los canales rápidos de sodio dependientes de voltaje. Estos canales de potasio se abren rápidamente tras la despolarización, luego se inactivan por completo y su reactivación requiere no sólo la repolarización de la membrana, sino también la hiperpolarización durante un tiempo.
De acuerdo con los nombres de los genes que codifican la síntesis y el ensamblaje de moléculas formadoras de canales, se distinguen seis tipos de KCN con subtipos KCN A, B, C, E y una familia de canales iónicos KCNQ. Los canales de esta última familia se expresan en el miocardio.
Canales de potasio activados por ligando
Están representados por una gran cantidad de canales sensibles a la acción de varios ligandos.
Un tipo de numerosos canales de potasio dependientes de ligandos es el canal asociado al receptor de acetilcolina sensible a muscarina. Estos canales son activados por la acetilcolina. Los canales pueden bloquearse con bradicinina y iones de bario. Existen dos subtipos de estos canales: los inactivados por la muscarina y los activados por esta. Este último se localiza en las células marcapasos del corazón.
Las propiedades de un canal de potasio dependiente de ligando las poseen los canales catiónicos no selectivos independientes del voltaje que combinan las características de los canales y los receptores de acetilcolina sensibles a la nicotina de la membrana postsináptica de la sinapsis neuromuscular. Cuando la proteína formadora de canales interactúa con la acetilcolina, se abre este canal no selectivo, a través del cual los iones Na+ ingresan a la célula muscular y los iones K salen de ella. Las diferentes velocidades de movimiento de estos iones garantizan la despolarización de la membrana postsináptica, que no se convierte en un potencial de acción directamente sobre esta membrana.
Se han identificado canales de potasio sensibles al ATP, que son inhibidos y activados por la acción del ATP.
Una familia separada de canales de potasio consta de los llamados canales rectificadores de entrada (compuertas) de potasio o rectificadores de entrada. (interiorrectificando; interiorrectificador). No hay ningún sensor de voltaje en el mecanismo rectificador de compuerta del canal de potasio. La importancia funcional de estos canales radica en su influencia sobre la excitabilidad de las células marcapasos, las células musculares y las neuronas.
La familia de canales rectificadores de potasio entrantes, según los nombres de los genes que los codifican, se divide en más de 15 tipos. Un ejemplo de la importancia específica de rectificar los canales de potasio de entrada y, en particular, los canales 3, 5, 6 y 9 de KCNJ (otra designación canales Kir) puede ser su papel específico en la regulación de la frecuencia cardíaca mediante la asociación de estos canales con G Receptores de células de acetilcolina sensibles a proteínas y muscarina: marcapasos cardíacos.
Se conocen canales de potasio activados por sodio insensibles al voltaje.
Se describen canales de potasio especiales insensibles al voltaje, sensibles a los cambios de pH, que están presentes en las células β de los islotes pancreáticos y actúan en ellos como un sensor de glucosa. También se sabe que los canales de potasio son sensibles a los cambios en el volumen celular.
canales de calcio
La familia de los canales de calcio está ampliamente representada en las células del tejido nervioso y muscular. Los principales lugares de su localización son las membranas de las terminales presinápticas del retículo sarcoplásmico y endoplásmico de los músculos, el sarcolema de los cardiomiocitos y las membranas de las células de otros tejidos.
Según los métodos para controlar la permeabilidad, los canales de calcio se dividen en dependientes del voltaje, pasivos, dependientes del ligando, mecanosensibles, etc.
Los canales de calcio se dividen según la tasa de inactivación en canales de tipo T ( transitorio- transitorio), tipo L (lento). Dependiendo de la afiliación del tejido y la sensibilidad a las toxinas, se distinguen los canales tipo B. (cerebro- cerebro), tipo N (neuronales- neuronal), tipo P (purkinjecelúla- Célula de Purkinje) y tipo R (resistente a toxinas).
Canales de calcio dependientes de voltaje
Están formados por una proteína oligomérica, que normalmente consta de cinco subunidades a1, a2, β, y y δ. El canal iónico en sí está formado por la subunidad α, que tiene un alto grado de similitud en la composición y estructura de aminoácidos con una subunidad similar de los canales de sodio y potasio dependientes de voltaje (ver Fig. 6, Fig. 7).
El canal de calcio dependiente de voltaje es selectivamente permeable a los iones Ca 2+. La selectividad está garantizada por la presencia de un poro que forma un filtro selectivo.
Es la hora formado por segmentos de la subunidad a 1, por lo tanto, dada la similitud de su estructura con la de los canales catiónicos monovalentes, se esperaría que el canal de calcio fuera permeable a los iones Na+ y K+. Esta propiedad en realidad ocurre cuando el calcio se elimina del ambiente extracelular.
En condiciones naturales, la selectividad hacia el calcio está asegurada en el canal por la presencia de dos sitios de unión de calcio en el poro del canal. Uno de ellos está formado por un grupo de residuos de glutamato y, con una concentración baja de calcio, queda fuertemente unido a esta parte del poro del canal y el canal de calcio se vuelve débilmente permeable. A medida que aumenta la concentración de calcio, aumenta la probabilidad de que el calcio ocupe un segundo sitio de unión; las fuerzas de repulsión electrostática resultantes entre iones Ca 2+ reducen en gran medida el tiempo de residencia de los iones en los sitios de unión. El calcio liberado se difunde a través del canal activado hacia el interior de la célula siguiendo un gradiente electroquímico.
Los canales de calcio dependientes de voltaje difieren en los valores umbral de los cambios de diferencia de potencial en los que se activan. Los canales tipo T se activan mediante pequeños cambios de voltaje en la membrana, los tipos L y P se caracterizan por altos umbrales de cambio de voltaje que provocan su activación.
Los canales de calcio dependientes de voltaje desempeñan un papel importante en una serie de procesos vitales del cuerpo. Su activación y la entrada de calcio en la terminal presináptica son necesarias para la transmisión de señales sinápticas.
La entrada de calcio a través de los canales de calcio a la célula marcapasos es necesaria para generar potenciales de acción en las células marcapasos del corazón y asegurar su contracción rítmica. Los canales de calcio dependientes de voltaje regulan el flujo de calcio hacia el sarcoplasma de las fibras miocárdicas, los músculos esqueléticos, los miocitos lisos de los vasos sanguíneos y los órganos internos, controlando la iniciación, la velocidad, la fuerza, la duración de su contracción y, por tanto, el movimiento, la función de bombeo del corazón, presión arterial, respiración y muchos otros procesos en el cuerpo.
Canales pasivos de calcio.
Se encuentra en las membranas citoplasmáticas de los miocitos lisos. Son permeables al calcio en reposo y el calcio, junto con los iones K+ y Na+, participa en la creación de la diferencia de potencial transmembrana o potencial de reposo de los miocitos lisos. El calcio que ingresa al miocito liso a través de estos canales es una fuente de reposición de sus reservas en el retículo endoplásmico y se utiliza como mensajero secundario en la transmisión de señales intracelulares.
El calcio en reposo puede pasar de una célula a otra a través de canales de unión comunicante. Estos canales no son selectivos para el calcio y a través de ellos puede tener lugar simultáneamente el intercambio intercelular de otros iones y sustancias orgánicas de pequeño peso molecular. El calcio que ingresa a las células a través de canales de unión gap juega un papel importante en la aparición de la excitación, el inicio y la sincronización de las contracciones del miocardio, el útero, los esfínteres de los órganos internos y el mantenimiento del tono vascular.
Canales de calcio activados por ligando
Al estudiar los mecanismos de desencadenamiento y regulación de las contracciones del miocardio y del músculo liso, resultó que dependen del suministro de calcio al miocito tanto del entorno extracelular como de sus reservas intracelulares. En este caso, la entrada de calcio en el sarcoplasma puede controlarse mediante un cambio en la diferencia de potencial en el sarcolema y la activación de los canales de calcio dependientes del voltaje y (o) la acción de varias moléculas de señalización en la membrana del retículo sarcoplásmico. .
Los canales de calcio dependientes de ligandos se localizan en las membranas citoplasmáticas de los miocitos lisos. Los ligandos de sus receptores pueden ser hormonas: vasopresina, oxitocina, adrenalina; neurotransmisor norepinefrina; Moléculas de señalización: angiotensina 2, endotelio 1 y otras sustancias. La unión del ligando al receptor se acompaña de la activación del canal de calcio y la entrada de calcio a la célula desde el entorno extracelular.
En los cardiomiocitos, para iniciar la contracción muscular, es necesario activar inicialmente los canales de calcio dependientes de voltaje del tipo T, luego el tipo L, cuya apertura asegura la entrada de una cierta cantidad de iones Ca 2+ en la célula. . El calcio que ingresa a la célula activa el receptor de rianodina (RYR), una proteína formadora de canales incrustada en la membrana del retículo sarcoplásmico del cardiomiocito. Como resultado de la activación del canal, aumenta su permeabilidad al calcio y este último se difunde hacia el sarcoplasma a lo largo del gradiente de concentración. Por tanto, los iones Ca 2+ actúan como una especie de ligandos que activan los receptores de rianodina y, por tanto, los canales de calcio. Como resultado, el calcio extracelular que ingresa a la célula actúa como desencadenante de la liberación de calcio desde su principal almacenamiento intracelular.
Los canales de calcio pueden ser simultáneamente sensibles a cambios en las diferencias de potencial a través de la membrana citoplasmática y a la acción de ligandos. Por ejemplo, los canales de calcio dependientes de voltaje de tipo L son sensibles a la dihidropiridina (nifedipina), las fenilalquilaminas (verapamilo) y las benzotiazepinas (diltiazem). Este tipo de canal suele denominarse receptor de dihidropiridina. Este nombre sugiere que el canal de L-calcio está regulado por ligando, aunque en realidad es un canal regulado por voltaje.
Los canales tipo P son resistentes a la acción de conogoxinas y fármacos a los que son sensibles otros tipos de canales de calcio.
Las propiedades funcionales de las subunidades α1 de los canales de calcio dependientes de voltaje se pueden modular mediante su fosforilación y, por tanto, se puede regular el estado de permeabilidad iónica de los canales de calcio, por ejemplo, en el miocardio.
Un tipo especial de canales iónicos de calcio activados por ligando son los canales localizados en las membranas del retículo endoplásmico de las células del músculo liso, cuyo estado de permeabilidad está controlado por el nivel intracelular del mensajero secundario, IPG. Usando estos canales como ejemplo, nos encontramos con un caso en el que un agonista de la molécula de señalización extracelular, que activa el receptor de la membrana plasmática de la célula del músculo liso objetivo, activa la vía del inositol fosfato de transmisión de señales intracelulares, que a su vez, a través de la La acción del IPE activa la siguiente proteína formadora de canales en la membrana del orgánulo celular. Toda esta cadena de eventos de transmisión de señales termina con la liberación de iones Ca 2+ de las reservas intracelulares, que desencadenan y controlan el mecanismo molecular de la contracción de las células del músculo liso.
Canales de calcio mecanosensibles
Se localizan en la membrana plasmática de los miocitos lisos de las paredes de los vasos sanguíneos, la mioítis de los órganos internos, el endotelio vascular y el epitelio bronquial. Estos canales pueden estar asociados con mecanorreceptores de glicoproteínas. En respuesta al estrés mecánico (por ejemplo, el estiramiento de la pared del vaso debido a la presión sanguínea), aumenta la permeabilidad a los iones Ca 2+. Los canales mecanosensibles no tienen una alta selectividad y cambian su permeabilidad simultáneamente para varios cationes. La entrada de calcio y sodio en una célula del músculo liso provoca la despolarización de su membrana, la apertura de canales de calcio dependientes de voltaje, un aumento en la entrada de calcio y la contracción del miocito liso.
Estos eventos forman parte del mecanismo de adaptación del tono vascular y la regulación del flujo sanguíneo a los valores cambiantes de la presión arterial en el vaso y la velocidad del flujo sanguíneo (regulación miógena). Además, los canales de calcio mecanosensibles participan en la implementación de mecanismos de relajación del estrés vascular durante aumentos prolongados de la presión arterial.
canales de cloro
Los canales de cloruro están presentes en las membranas plasmáticas de la mayoría de las células. Desempeñan un papel importante en el mantenimiento de la diferencia de potencial transmembrana en una célula en reposo y sus cambios cuando cambia la actividad funcional de las células. Los canales de cloruro participan en la regulación del volumen celular, el transporte transepitelial de sustancias y la secreción de líquidos por las células secretoras.
De acuerdo con los mecanismos de activación, se distinguen tres superfamilias de canales de cloro: canales de cloro dependientes de voltaje, dependientes de ligando y otros canales de cloro insensibles al voltaje.
Posibles canales de cloro dependientes. Localizado en las membranas de células excitables y epiteliales. El estado de permeabilidad de estos canales está controlado por la magnitud de la diferencia de potencial transmembrana.
La permeabilidad potencial dependiente de los canales de cloruro varía en diferentes tejidos. Por lo tanto, en la membrana axonal, la dependencia de la permeabilidad de los canales de cloruro de la diferencia de potencial es insignificante y no afecta significativamente el cambio en la magnitud del potencial de acción durante la excitación, y en los músculos esqueléticos esta dependencia de la permeabilidad de los canales de cloruro. es más alto.
El canal CLC1 es un representante típico de los canales de cloro de la fibra muscular sarcolemal del músculo esquelético. El canal muestra permeabilidad en todo el rango de cambios en el voltaje transmembrana en estado de reposo, se activa tras la despolarización y se inactiva tras la hiperpolarización de la membrana.
Canales de cloruro activados por ligando. Predominantemente expresado en tejido nervioso. El estado de permeabilidad de estos canales de cloruro está controlado principalmente por ligandos extracelulares, pero pueden ser sensibles a las concentraciones de calcio intracelular y activados por proteínas G y AMPc. Los canales de este tipo están ampliamente distribuidos en las membranas postsinápticas y se utilizan para llevar a cabo la inhibición postsináptica. El estado de permeabilidad de los canales se controla activando los canales con ligandos: neurotransmisores inhibidores (ácido γ-aminobutírico y glicina).
Canales de cloro insensibles al voltaje. Incluye canales pasivos de cloruro, canales sensibles a ATP y regulador de conductancia transmembrana de fibrosis intersticial. (císticofibrosistransmembranaconductanciaregulador- CFTR).
CFTR aparentemente consiste en el propio canal de cloro y un canal regulador representado por un dominio regulador especial (dominio P). La regulación de la conductancia iónica de estos canales se lleva a cabo mediante la fosforilación del dominio regulador por la proteína quinasa dependiente de AMPc. La violación de la estructura y función de este canal conduce al desarrollo de una enfermedad grave acompañada de disfunción de muchos tejidos: la fibrosis intersticial.
Acuaporinas
Acuaporinas(del lat. agua- agua, griego poro- canal, poro) - proteínas que forman canales de agua y aseguran la transferencia de agua transmembrana. Las acuaporinas son proteínas de membrana tetraméricas integrales, cuyo monómero tiene una masa de aproximadamente 30 kDa. Así, cada acuaporina forma cuatro canales de agua (Fig. 8).
Una característica especial de estos canales es que las moléculas de agua que contienen pueden moverse en condiciones isosmóticas, es decir, cuando no se ven afectados por las fuerzas del gradiente osmótico. La abreviatura AQP se utiliza para referirse a las acuaporinas. Se han aislado y descrito varios tipos de acuaporinas: AQP1 - en las membranas epiteliales de los túbulos renales proximales, la rama descendente del asa de Henle; en las membranas del endotelio y miocitos lisos de los vasos sanguíneos, en las estructuras del cuerpo vítreo; AQP2 - en las membranas del epitelio de los conductos colectores. Se descubrió que esta acuaporina es sensible a la acción de la hormona antidiurética y, sobre esta base, puede considerarse como un canal de agua regulado por ligando. La expresión del gen que controla la síntesis de esta acuaporina está regulada por la hormona antidiurética; AQP3 se encuentra en las membranas de las células corneales; AQP4 - en las células cerebrales.
Arroz. 8. Estructura del canal de agua AQP1: a - cadenas peptídicas que forman el canal; b — canal ensamblado: A, B, C, D, E — secciones de la cadena proteica
Resultó que AQP1 y AQP4 desempeñan un papel importante en la formación y circulación del líquido cefalorraquídeo. Las acuaporinas se encuentran en el epitelio del tracto gastrointestinal: AQP4 - en el estómago y el intestino delgado; AQP5 - en las glándulas salivales; AQP6 - en el intestino delgado y el páncreas; AQP7 - en el intestino delgado; AQP8, AQP9 - en el hígado. Algunas acuaporinas transportan no solo moléculas de agua, sino también sustancias orgánicas solubles en ella (oxígeno, glicerol, urea). Por lo tanto, las acuaporinas desempeñan un papel importante en el metabolismo del agua en el cuerpo y la alteración de su función puede ser una de las razones de la formación de edema cerebral y pulmonar y del desarrollo de insuficiencia renal y cardíaca.
El conocimiento de los mecanismos de transporte de iones a través de las membranas y los métodos para influir en este transporte es una condición indispensable no sólo para comprender los mecanismos de regulación de las funciones vitales, sino también para la elección correcta de los fármacos en el tratamiento de una gran cantidad de enfermedades (hipertensión , asma bronquial, arritmias cardíacas, trastornos del intercambio agua-sal, etc.).
Para comprender los mecanismos de regulación de los procesos fisiológicos en el cuerpo, es necesario conocer no solo la estructura y permeabilidad de las membranas celulares de diversas sustancias, sino también la estructura y permeabilidad de formaciones estructurales más complejas ubicadas entre la sangre y los tejidos de diversos órganos.
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