Combien de types de canaux chlorure sont connus ? Diversité et propriétés des canaux ioniques. Physiologie des tissus excitables
Structure et fonctions des canaux ioniques. Les ions Na + , K + , Ca 2+ , Cl - pénètrent dans la cellule et sortent par des canaux spéciaux remplis de liquide. La taille des canaux est assez petite (diamètre 0,5-0,7 nm). Les calculs montrent que la surface totale des canaux occupe une partie insignifiante de la surface de la membrane cellulaire.
La fonction des canaux ioniques est étudiée de différentes manières. La plus courante est la méthode de pince de tension, ou « pince de tension » (Fig. 2.2). L'essence de la méthode est qu'à l'aide de systèmes électroniques spéciaux, le potentiel de membrane est modifié et fixé à un certain niveau au cours de l'expérience. Dans ce cas, l'ampleur du courant ionique circulant à travers la membrane est mesurée. Si la différence de potentiel est constante, alors, conformément à la loi d'Ohm, l'amplitude du courant est proportionnelle à la conductivité des canaux ioniques. En réponse à une dépolarisation progressive, certains canaux s'ouvrent et les ions correspondants pénètrent dans la cellule selon un gradient électrochimique, c'est-à-dire qu'un courant ionique apparaît qui dépolarise la cellule. Ce changement est détecté par un amplificateur de commande et un courant électrique traverse la membrane, d'amplitude égale mais de direction opposée au courant ionique de la membrane. Dans ce cas, la différence de potentiel transmembranaire ne change pas. L'utilisation combinée de pinces de tension et de bloqueurs de canaux ioniques spécifiques a conduit à la découverte de différents types de canaux ioniques dans la membrane cellulaire.
Actuellement, de nombreux types de canaux pour divers ions ont été installés (tableau 2.1). Certains d’entre eux sont très spécifiques, tandis que d’autres, en plus de l’ion principal, peuvent laisser passer d’autres ions.
L'étude de la fonction de canaux individuels est possible en utilisant la méthode de fixation locale du potentiel « path-clamp » ; riz. 2.3,A). Une microélectrode en verre (micropipette) est remplie de solution saline, pressée contre la surface de la membrane et un léger vide est créé. Dans ce cas, une partie de la membrane est aspirée vers la microélectrode. Si un canal ionique apparaît dans la zone d'aspiration, alors l'activité d'un seul canal est enregistrée. Le système d'irritation et d'enregistrement de l'activité des canaux diffère peu du système d'enregistrement de tension.
Tableau 2.1. Les canaux ioniques et courants ioniques les plus importants des cellules excitables
Note. THÉ - tétraéthylammonium; TTX - tétrodotoxine.
La partie externe du canal est relativement accessible à l'étude ; l'étude de la partie interne présente des difficultés importantes. P. G. Kostyuk a développé une méthode de dialyse intracellulaire qui permet d'étudier la fonction des structures d'entrée et de sortie des canaux ioniques sans utiliser de microélectrodes. Il s'est avéré que la partie du canal ionique ouverte sur l'espace extracellulaire diffère par ses propriétés fonctionnelles de la partie du canal faisant face à l'environnement intracellulaire.
Ce sont les canaux ioniques qui confèrent deux propriétés importantes à la membrane : la sélectivité et la conductivité.
Sélectivité ou la sélectivité, Ce canal est assuré par sa structure protéique particulière. La plupart des canaux sont contrôlés électriquement, c'est-à-dire que leur capacité à conduire les ions dépend de l'ampleur du potentiel membranaire. Le canal est hétérogène dans ses caractéristiques fonctionnelles, notamment en ce qui concerne les structures protéiques situées à l'entrée du canal et à sa sortie (les mécanismes dits de porte).
5. Le concept d'excitabilité. Paramètres d'excitabilité du système neuromusculaire : seuil d'irritation (rhéobase), temps utile (chronaxie). Dépendance de la force de l'irritation sur le temps de son action (courbe de Goorweg-Weiss). Résistance.
Excitabilité– la capacité d'une cellule à répondre à une irritation en formant un potentiel d'action et une réaction spécifique.
1) phase de réponse locale – dépolarisation partielle de la membrane (entrée de Na + dans la cellule). Si vous appliquez un petit stimulus, la réponse est plus forte.
La dépolarisation locale est la phase d'exaltation.
2) phase de caractère réfractaire absolu - la propriété des tissus excitables de ne pas former de PA sous quelque force de stimulus que ce soit
3) phase de caractère réfractaire relatif.
4) phase de repolarisation lente - irritation - encore une fois une réponse forte
5) phase d'hyperpolarisation – l'excitabilité est moindre (inférieure à la normale), le stimulus doit être important.
Labilité fonctionnelle– évaluation de l'excitabilité des tissus à travers le nombre maximum possible de PA par unité de temps.
Lois d'excitation :
1) la loi de la force - la force du stimulus doit être seuil ou supra-seuil (la quantité minimale de force qui provoque l'excitation). Plus le stimulus est fort, plus l'excitation est forte - uniquement pour les associations tissulaires (tronc nerveux, muscle, exception - SMC).
2) la loi du temps - la durée du stimulus actuel doit être suffisante pour l'apparition de l'excitation.
Il existe une relation inversement proportionnelle entre la force et le temps dans les limites entre le temps minimum et la force minimale. La force minimale - la rhéobase - est une force qui provoque une excitation et ne dépend pas de la durée. Le temps minimum est le temps utile. La chronaxie est l'excitabilité d'un tissu particulier ; le moment auquel l'excitation se produit est égal à deux rhéobases.
Plus la force est grande, plus la réponse est importante jusqu'à une certaine valeur.
Facteurs créant le MSP :
1) différence de concentrations de sodium et de potassium
2) perméabilité différente pour le sodium et le potassium
3) fonctionnement de la pompe Na-K (3 Na+ sont retirés, 2 K+ sont restitués).
La relation entre la force du stimulus et la durée de son impact, nécessaire à l'apparition d'une réponse minimale d'une structure vivante, peut être très clairement tracée sur la courbe dite force-temps (courbe de Goorweg-Weiss-Lapik) .
De l'analyse de la courbe il résulte que, quelle que soit la force du stimulus, si la durée de son influence est insuffisante, il n'y aura pas de réponse (le point à gauche de la branche ascendante de l'hyperbole). Un phénomène similaire est observé lors d’une exposition prolongée à des stimuli inférieurs au seuil. Le courant (ou tension) minimum capable de provoquer une excitation est appelé rhéobase par Lapik (segment d'ordonnée OA). La période de temps la plus courte pendant laquelle un courant égal à deux fois la rhéobase provoque une excitation dans le tissu est appelée chronaxie (segment d'abscisse OF), qui est un indicateur de la durée seuil d'irritation. La chronaxie se mesure en δ (millièmes de seconde). L'ampleur de la chronaxie peut être utilisée pour juger de la vitesse à laquelle l'excitation se produit dans le tissu : plus la chronaxie est petite, plus l'excitation se produit rapidement. La chronaxie des fibres nerveuses et musculaires humaines est égale aux millièmes et dix millièmes de seconde, et la chronaxie des tissus dits lents, par exemple les fibres musculaires de l'estomac d'une grenouille, est des centièmes de seconde.
La détermination de la chronaxie des tissus excitables s'est répandue non seulement expérimentalement, mais aussi en physiologie du sport et en clinique. En particulier, en mesurant la chronaxie musculaire, un neurologue peut déterminer la présence de lésions du nerf moteur. Il convient de noter que le stimulus peut être assez fort, avoir une durée seuil, mais un faible taux d'augmentation dans le temps jusqu'à la valeur seuil ; dans ce cas, l'excitation ne se produit pas. L’adaptation d’un tissu excitable à un stimulus augmentant lentement s’appelle l’accommodation. L'accommodation est due au fait que lors de l'augmentation de la force du stimulus, des changements actifs ont le temps de se développer dans les tissus, augmentant le seuil d'irritation et empêchant le développement de l'excitation. Ainsi, le taux d’augmentation de la stimulation au fil du temps, ou le gradient de stimulation, est essentiel à l’apparition de l’excitation.
Loi du gradient d'irritation. La réaction d'une formation vivante à un stimulus dépend du gradient de stimulation, c'est-à-dire de l'urgence ou de l'intensité de l'augmentation du stimulus au fil du temps : plus le gradient de stimulation est élevé, plus la réponse de la formation excitable.
Par conséquent, les lois de la stimulation reflètent la relation complexe entre le stimulus et la structure excitable lors de leur interaction. Pour que l’excitation se produise, le stimulus doit avoir une force seuil, une durée seuil et un certain taux d’augmentation dans le temps.
6. Pompes ioniques (ATPases) : K+-Na+-e, Ca2+-e (plasmolemme et réticulum sarcoplasmique), échangeur H+-K+.
Selon les concepts modernes, les membranes biologiques contiennent des pompes ioniques qui fonctionnent en utilisant l'énergie libre de l'hydrolyse de l'ATP - des systèmes spéciaux de protéines intégrales (ATPases de transport).
Actuellement, on connaît trois types de pompes à ions électrogéniques qui transportent activement les ions à travers la membrane (Fig. 13).
Le transfert d'ions par les ATPases de transport se produit en raison du couplage de processus de transfert avec des réactions chimiques, dues à l'énergie du métabolisme cellulaire.
Lorsque la K+-Na+-ATPase fonctionne, deux ions potassium sont transférés dans la cellule en raison de l'énergie libérée lors de l'hydrolyse de chaque molécule d'ATP et trois ions sodium sont simultanément pompés hors de la cellule. Cela crée une concentration accrue d’ions potassium dans la cellule par rapport à l’environnement intercellulaire et une diminution de la concentration de sodium, ce qui revêt une grande importance physiologique.
Signes d'une « biopompe » :
1. Mouvement contre le gradient de potentiel électrochimique.
2. le flux de matière est associé à l'hydrolyse de l'ATP (ou d'une autre source d'énergie).
3. asymétrie du véhicule de transport.
4. La pompe in vitro est capable d'hydrolyser l'ATP uniquement en présence des ions qu'elle transporte in vivo.
5. Lorsque la pompe est intégrée dans un environnement artificiel, elle est capable de maintenir sa sélectivité.
Le mécanisme moléculaire de fonctionnement des ATPases ioniques n’est pas entièrement compris. Néanmoins, les principales étapes de ce processus enzymatique complexe peuvent être retracées. Dans le cas de la K+-Na+-ATPase, il existe sept étapes de transfert d’ions associées à l’hydrolyse de l’ATP.
Le diagramme montre que les étapes clés de l’enzyme sont :
1) formation d'un complexe enzymatique avec l'ATP sur la surface interne de la membrane (cette réaction est activée par les ions magnésium) ;
2) liaison de trois ions sodium par le complexe ;
3) phosphorylation de l'enzyme avec formation d'adénosine diphosphate ;
4) révolution (bascule) de l'enzyme à l'intérieur de la membrane ;
5) la réaction d'échange d'ions du sodium en potassium, se produisant sur la surface externe de la membrane ;
6) révolution inverse du complexe enzymatique avec transfert d'ions potassium dans la cellule ;
7) retour de l'enzyme à son état d'origine avec libération d'ions potassium et de phosphate inorganique (P).
Ainsi, au cours d'un cycle complet, trois ions sodium sont libérés de la cellule, le cytoplasme s'enrichit de deux ions potassium et l'hydrolyse d'une molécule d'ATP se produit.
12. Canaux ioniques...
Un canal ionique se compose de plusieurs sous-unités ; leur nombre dans un canal ionique individuel varie de 3 à 12 sous-unités. Du point de vue de leur organisation, les sous-unités incluses dans le canal peuvent être homologues (du même type) ; un certain nombre de canaux sont formés de sous-unités de types différents.
Chacune des sous-unités est constituée de plusieurs (trois ou plus) segments transmembranaires (parties non polaires tordues en hélices α), de boucles extra- et intracellulaires et de sections terminales de domaines (représentées par les régions polaires des molécules qui forment le domaine et dépasser de la couche bilipide de la membrane).
Chacun des segments transmembranaires, des boucles extra- et intracellulaires et des sections terminales des domaines remplit sa propre fonction.
Ainsi, le segment transmembranaire 2, organisé sous forme d'hélice α, détermine la sélectivité du canal.
Les sections terminales du domaine agissent comme des capteurs pour les ligands extra- et intracellulaires, et l'un des segments transmembranaires joue le rôle d'un capteur dépendant de la tension.
Les troisièmes segments transmembranaires de la sous-unité sont responsables du fonctionnement du système de canaux de déclenchement, etc.
Les canaux ioniques fonctionnent selon le mécanisme de diffusion facilitée. Le mouvement des ions à travers eux lorsque les canaux sont activés suit un gradient de concentration. La vitesse de déplacement à travers la membrane est de 10 ions par seconde.
Spécificité des canaux ioniques.
La plupart d'entre eux sont sélectifs, c'est-à-dire canaux qui ne laissent passer qu’un seul type d’ions (canaux sodiques, canaux potassiques, canaux calciques, canaux anioniques).
Sélectivité des canaux.
La sélectivité du canal est déterminée par la présence d'un filtre sélectif.
Son rôle est joué par la section initiale du canal, qui a une certaine charge, configuration et taille (diamètre), qui ne permet qu'à un certain type d'ions de passer dans le canal.
Certains canaux ioniques sont non sélectifs, comme les canaux de fuite. Ce sont des canaux membranaires à travers lesquels les ions K + quittent la cellule au repos selon un gradient de concentration, mais à travers ces canaux, une petite quantité d'ions Na + pénètre également dans la cellule au repos selon un gradient de concentration.
Capteur de canal ionique.
Le capteur à canal ionique est la partie sensible du canal qui perçoit des signaux dont la nature peut être différente.
Sur cette base, on distingue :
canaux ioniques dépendants du potentiel ;
canaux ioniques dépendants du récepteur ;
ligand-dépendant (dépendant du ligand);
contrôlé mécaniquement (mécaniquement dépendant).
Les canaux dotés d'un capteur sont appelés contrôlés. Certaines chaînes ne disposent pas de capteur. De tels canaux sont dits incontrôlables.
Système de porte à canal ionique.
Le canal a une porte qui est fermée au repos et s'ouvre lorsqu'elle est exposée à un signal. Certains canaux ont deux types de portes : l'activation (m-gate) et l'inactivation (h-gate).
Il existe trois états de canaux ioniques :
un état de repos lorsque la porte est fermée et le canal inaccessible aux ions ;
état d'activation, lorsque le système de porte est ouvert et que les ions se déplacent à travers la membrane le long du canal ;
un état d'inactivation lorsque le canal est fermé et ne répond pas aux stimuli.
Vitesse de conduction (conduction).
Il existe des chaînes rapides et lentes. Les canaux de « fuite » sont lents, les canaux sodiques dans les neurones sont rapides.
La membrane de toute cellule contient un large éventail de canaux ioniques divers (en termes de vitesse), dont l'activation détermine l'état fonctionnel des cellules.
Canaux contrôlés en tension.
Le canal commandé en tension se compose de :
filtre sélectif ;
portes d'activation et d'inactivation ;
capteur de tension.
pores remplis d'eau;
Le diamètre du canal est nettement plus grand que le diamètre de l'ion ; dans la zone du filtre sélectif, il se rétrécit à la taille atomique, ce qui garantit que cette section du canal remplit la fonction d'un filtre sélectif.
L'ouverture et la fermeture du mécanisme de porte se produisent lorsque le potentiel de membrane change, la porte s'ouvrant à une valeur du potentiel de membrane et se fermant à un niveau différent de potentiel de membrane.
On pense que les changements dans le champ électrique de la membrane sont détectés par une section spéciale de la paroi du canal, appelée capteur de tension.
Un changement de son état, provoqué par une modification du niveau de potentiel membranaire, provoque la conformation des molécules protéiques qui forment le canal et, par conséquent, conduit à l'ouverture ou à la fermeture de la porte du canal ionique.
Les canaux (sodium, calcium, potassium) ont quatre domaines homologues - sous-unités (I, II, III, IV). Le domaine (en reprenant l'exemple des canaux sodiques) est constitué de six segments transmembranaires organisés sous forme d'hélices α, dont chacune joue un rôle différent.
Ainsi, le segment transmembranaire 5 joue le rôle de pore, le segment transmembranaire 4 est un capteur qui répond aux changements de potentiel membranaire, d'autres segments transmembranaires sont responsables de l'activation et de l'inactivation du système de portes du canal. Le rôle des segments et sous-unités transmembranaires individuels n’est pas entièrement compris.
Des canaux sodiques (diamètre interne 0,55 nm) sont présents dans les cellules des tissus excitables. La densité pour 1 micron 2 n'est pas la même dans différents tissus.
Ainsi, dans les fibres nerveuses non myélinisées, il y a 50 à 200 canaux, et dans les fibres nerveuses myélinisées (nœuds de Ranvier) - 13 000 pour 1 µm 2 de surface membranaire. Au repos, ils sont fermés. Le potentiel de membrane est de 70 à 80 mV.
L'exposition à un stimulus modifie le potentiel membranaire et active le canal sodium voltage-dépendant.
Il est activé lorsque le potentiel membranaire passe du niveau de potentiel de repos au niveau critique de dépolarisation.
Un fort courant de sodium déplace le potentiel membranaire vers un niveau de dépolarisation critique (CDL).
Changer le potentiel de membrane à -50-40 mV, c'est-à-dire au niveau d'un niveau critique de dépolarisation, provoque l'ouverture d'autres canaux Na + dépendants du potentiel, à travers lesquels le courant de sodium entrant est effectué, formant le « pic » du potentiel d'action.
Les ions sodium le long du gradient de concentration et le gradient chimique le long du canal se déplacent dans la cellule, formant ce que l'on appelle le courant de sodium entrant, ce qui conduit à un développement plus rapide du processus de dépolarisation.
Le potentiel de membrane change de signe à l'opposé +10-20 mV. Un potentiel membranaire positif provoque la fermeture des canaux sodiques, leur inactivation.
Les canaux No+ dépendants de la tension jouent un rôle de premier plan dans la formation du potentiel d'action, c'est-à-dire processus d’excitation dans la cellule.
Les ions calcium empêchent l'ouverture des canaux sodiques voltage-dépendants, modifiant ainsi les paramètres de réponse.
À + -canaux
Des canaux potassiques (diamètre interne 0,30 nm) sont présents dans les membranes cytoplasmiques ; un nombre important de canaux de « fuite » potassiques de la cellule ont été détectés.
Au repos, ils sont ouverts. À travers eux, à l'état de repos, le potassium « s'échappe » de la cellule selon un gradient de concentration et un gradient électrochimique.
Ce processus est appelé courant potassique sortant, qui conduit à la formation d’un potentiel de membrane au repos (-70-80 mV). Ces canaux potassiques ne peuvent être classés que sous certaines conditions comme dépendants du potentiel.
Lorsque le potentiel membranaire change pendant la dépolarisation, le courant potassique est inactivé.
Pendant la repolarisation, un courant K+ entrant est formé à travers des canaux dépendants du potentiel, appelé courant de rectification retardé K+.
Un autre type de canaux K + dépendants du potentiel. Un courant potassique sortant rapide apparaît le long d'eux dans la région inférieure au seuil du potentiel de membrane (potentiel de trace positif). L'inactivation du canal est due à une hyperpolarisation des traces.
Un autre type de canaux potassiques voltage-dépendants n'est activé qu'après une hyperpolarisation préliminaire ; il forme un courant potassique transitoire rapide qui est rapidement inactivé.
Les ions calcium facilitent l’ouverture des canaux potassiques voltage-dépendants, modifiant ainsi les paramètres de réponse.
Sa + -canaux.
Les canaux voltage-dépendants apportent une contribution significative à la fois à la régulation de l'entrée du calcium dans le cytoplasme et à l'électrogenèse.
Les protéines qui forment les canaux calciques sont constituées de cinq sous-unités (al,a2,b,g,d).
La sous-unité principale forme le canal lui-même et contient des sites de liaison pour divers modulateurs des canaux calciques.
Plusieurs sous-unités structurellement distinctes des canaux α-calciques ont été découvertes dans les cellules nerveuses des mammifères (désignées A, B, C, D et E).
Sur le plan fonctionnel, différents types de canaux calciques diffèrent les uns des autres en termes d'activation, de cinétique, de conductance d'un canal unique et de pharmacologie.
Jusqu'à six types de canaux calciques voltage-dépendants ont été décrits dans les cellules (canaux T - , L - , N - , P - , Q - , R - ).
L'activité des canaux tension-dépendants de la membrane plasmique est régulée par divers seconds messagers intracellulaires et protéines G liées à la membrane.
Les canaux calciques voltage-dépendants se trouvent en grande quantité dans les membranes cytoplasmiques des neurones, les myocytes des muscles lisses, striés et cardiaques, ainsi que dans les membranes du réticulum endoplasmique.
Les canaux SPR Ca 2+ sont des protéines oligomères intégrées dans la membrane SPR.
Sa 2+ - contrôlé par Sa 2+ - Canaux SPR.
Ces canaux calciques ont été isolés pour la première fois dans les muscles squelettiques et cardiaques.
Il s'est avéré que les canaux SPR Ca 2+ dans ces tissus musculaires présentent des différences moléculaires et sont codés par des gènes différents.
Les canaux Ca 2+ du SPR dans les muscles cardiaques sont directement connectés aux canaux Ca 2+ à seuil élevé du plasmalemme (type L) par l'intermédiaire de protéines liant le calcium, formant ainsi une structure fonctionnellement active - une « triade ».
Dans le muscle squelettique, la dépolarisation de la membrane plasmique active directement la libération de Ca 2+ du réticulum endoplasmique du fait que les canaux Ca 2+ de la membrane plasmique servent de transmetteurs sensibles à la tension du signal d'activation directement au Ca 2 + canaux du SPR via des protéines de liaison.
Ainsi, les réserves de Ca 2+ dans les muscles squelettiques ont un mécanisme de libération de Ca 2+ provoqué par la dépolarisation (type RyRl).
Contrairement aux muscles squelettiques, les canaux endoplasmiques Ca 2+ des cardiomyocytes ne sont pas connectés au plasmalemme, et pour stimuler la libération de Ca 2+ du magasin, une augmentation de la concentration de calcium cytosolique (type RyR2) est nécessaire.
En plus de ces deux types de canaux Ca 2h activés par Ca 2+, un troisième type de canaux Ca 2+ SPR (type RyR3) a été récemment identifié, qui n'a pas encore été suffisamment étudié.
Tous les canaux calciques présentent une activation et une inactivation lentes par rapport aux canaux sodiques.
Lorsqu'une cellule musculaire se dépolarise (les saillies des membranes cytoplasmiques - les tubules en T s'approchent des membranes du réticulum endoplasmique), une ouverture tension-dépendante des canaux calciques des membranes du réticulum sarcoplasmique se produit.
Puisque, d'une part, la concentration de calcium dans le SPR est élevée (dépôt de calcium) et que la concentration de calcium dans le cytoplasme est faible, et d'autre part, la surface de la membrane SPR et la densité des canaux calciques y sont grands, le niveau de calcium dans le cytoplasme augmente 100 fois.
Cette augmentation de la concentration en calcium initie le processus de contraction des myofibrilles.
Les canaux calciques des cardiomyocytes sont situés dans la membrane cytoplasmique et appartiennent aux canaux calciques de type L.
Ils sont activés à un potentiel de membrane de +20 à 40 mV, formant un courant de calcium entrant. Ils restent longtemps dans un état activé, formant un « plateau » du potentiel d'action du cardiomyocyte.
Canaux anioniques.
Le plus grand nombre de canaux chlore dans la membrane cellulaire. Il y a moins d’ions chlorure dans la cellule que dans l’environnement intercellulaire. Par conséquent, lorsque les canaux s’ouvrent, le chlore pénètre dans la cellule selon un gradient de concentration et un gradient électrochimique.
Le nombre de canaux pour HCO 3 n'est pas si grand, le volume de transport de cet anion à travers les canaux est nettement inférieur.
Échangeurs d'ions.
La membrane contient des échangeurs d'ions (protéines de transport), qui facilitent la diffusion des ions, c'est-à-dire mouvement couplé accéléré des ions à travers la biomembrane le long d'un gradient de concentration ; ces processus sont indépendants de l'ATP.
Les plus connus sont les échangeurs Na + -H + , K + -H + , Ca 2+ -H +, ainsi que les échangeurs qui assurent l'échange de cations contre des anionsNa + -HCO- 3, 2CI-Ca 2+ et les échangeurs qui assurer l'échange de cation contre cation (Na + -Ca 2+) ou anion contre anion (Cl- HCO3).
Canaux ioniques dépendants du récepteur.
Canaux ioniques dépendants du ligand (dépendants du ligand).
Les canaux ioniques dépendants du ligand sont un sous-type de canaux dépendants du récepteur et sont toujours associés à un récepteur d'une substance biologiquement active (BAS).
Les récepteurs des canaux considérés appartiennent au type de récepteurs membranaires ionotropes, dont l'interaction avec des substances biologiquement actives (ligands) entraîne des réactions rapides.
Un canal ionique ligand-dépendant se compose de :
pores remplis d'eau;
filtre sélectif ;
porte d'activation ;
site de liaison du ligand (récepteur). Une substance biologiquement active hautement énergétiquement active a un
affinité (affinité) pour un certain type de récepteur. Lorsque les canaux ioniques sont activés, certains ions se déplacent selon un gradient de concentration et un gradient électrochimique.
Dans un récepteur membranaire, le site de liaison du ligand peut être accessible au ligand depuis la surface externe de la membrane.
Dans ce cas, les hormones, les parahormones et les ions agissent comme ligands.
Ainsi, lorsque les récepteurs N-cholinergiques sont activés, les canaux sodiques sont activés.
La perméabilité au calcium est initiée par les récepteurs neuronaux dépendants de l'acétylcholine et du glutamate (type NMDA et AMPA/kainate) et les récepteurs des purines.
Les récepteurs GABA A sont couplés aux canaux ioniques chlorure, et les récepteurs glycine sont également couplés aux canaux chlorure.
Dans un récepteur membranaire, le site de liaison du ligand peut être accessible aux ligands depuis la surface interne de la membrane.
Dans ce cas, les protéines kinases activées par les seconds messagers ou les seconds messagers eux-mêmes agissent comme ligands.
Ainsi, les protéines kinases A, C, G, protéines des canaux cationiques phosphorylants, modifient leur perméabilité.
Canaux ioniques contrôlés mécaniquement.
Les canaux ioniques à déclenchement mécanique modifient leur conductance en ions soit en modifiant la tension de la bicouche lipidique, soit à travers le cytosquelette cellulaire. De nombreux canaux contrôlés mécaniquement sont associés aux mécanorécepteurs ; ils existent dans les cellules auditives, les fuseaux musculaires et l'endothélium vasculaire.
Tous les canaux à commande mécanique sont divisés en deux groupes :
cellules activées par étirement (SAC);
cellules inactivées par étirement (SIC).
Les canaux à commande mécanique présentent toutes les principales caractéristiques des canaux :
temps rempli d'eau;
mécanisme de portail;
capteur d'étirement.
Lorsqu'un canal est activé, les ions se déplacent le long d'un gradient de concentration.
Sodium, potassium ATPase.
Sodium, potassium ATPase (pompe sodium-potassium, pompe sodium-potassium).
Se compose de quatre domaines transmembranaires : deux sous-unités α et deux sous-unités β. La sous-unité α est le grand domaine et la sous-unité β est le petit domaine. Pendant le transport des ions, les grandes sous-unités sont phosphorylées et les ions les traversent.
L'ATPase de sodium et de potassium joue un rôle essentiel dans le maintien de l'homéostasie du sodium et du potassium dans l'environnement intra et extracellulaire :
maintient un niveau élevé de K+ et un faible niveau de Na+ dans la cellule ;
participe à la formation du potentiel membranaire de repos et à la génération de potentiels d'action ;
assure le transport couplé Na + de la plupart des substances organiques à travers la membrane (transport actif secondaire) ;
affecte considérablement l’homéostasie de H2O.
Le sodium, une ATPase potassique, apporte la contribution la plus importante à la formation d’asymétrie ionique dans les espaces extra- et intracellulaires.
Le fonctionnement étape par étape de la pompe à sodium et potassium assure un échange inégal de potassium et de sodium à travers la membrane.
Sa + -ATPase (pompe).
Il existe deux familles de pompes Ca 2+ responsables de l'élimination des ions Ca 2+ du cytoplasme : les pompes Ca 2+ du plasmalemme et les pompes Ca 2+ du réticulum endoplasmique.
Bien qu’elles appartiennent à la même famille de protéines (appelées ATPases de classe P), ces pompes présentent certaines différences en termes de structure, d’activité fonctionnelle et de pharmacologie.
Présent en grande quantité dans la membrane cytoplasmique. Dans le cytoplasme de la cellule au repos, la concentration en calcium est de 10 à 7 mol/l, et à l'extérieur de la cellule, elle est beaucoup plus élevée - 10 à 3 mol/l.
Une différence de concentrations aussi significative est maintenue grâce au travail de la Ca ++ -ATPase cytoplasmique.
L'activité de la pompe Ca 2+ de la membrane plasmique est contrôlée directement par le Ca 2+ : une augmentation de la concentration de calcium libre dans le cytosol active la pompe Ca 2+.
Au repos, il n’y a quasiment pas de diffusion à travers les canaux ioniques calcium.
La Ca-ATPase transporte le Ca de la cellule vers l'environnement extracellulaire contre son gradient de concentration. Le long d'un gradient, le Ca+ pénètre dans la cellule en raison de la diffusion à travers les canaux ioniques.
La membrane du réticulum endoplasmique contient également une grande quantité de Ca ++ -ATPase.
La pompe à calcium du réticulum endoplasmique (SERCA) assure l'élimination du calcium du cytosol vers le réticulum endoplasmique - un « dépôt » de calcium dû au transport actif primaire.
Dans le dépôt, le calcium se lie aux protéines liant le calcium (calséquestrine, calréticuline, etc.).
Au moins trois isoformes différentes de pompes SERCA ont maintenant été décrites.
Les sous-types SERCA1 sont concentrés exclusivement dans les muscles squelettiques rapides ; les pompes SERCA2 sont largement distribuées dans d’autres tissus. L’importance des pompes SERCA3 est moins claire.
Les protéines SERCA2 sont divisées en deux isoformes différentes : SERCA2a, caractéristique des cardiomyocytes et des muscles lisses, et SERCA2b, caractéristique du tissu cérébral.
Une augmentation du Ca 2+ cytosolique active l'absorption des ions calcium dans le réticulum endoplasmique, tandis qu'une augmentation du calcium libre dans le réticulum endoplasmique inhibe les pompes SERCA.
H+ K+ -ATPase (pompe).
A l'aide de cette pompe (résultat de l'hydrolyse d'une molécule d'ATP), deux ions potassium sont transportés de l'espace extracellulaire vers la cellule et deux ions H+ du cytosol vers l'espace extracellulaire lors de l'hydrolyse d'une molécule de la cellule. cellules pariétales de la muqueuse gastrique. Ce mécanisme est à l'origine de la formation d'acide chlorhydrique dans l'estomac.
Classe de pompe ioniqueF.
ATPase mitochondriale. Catalyse l'étape finale de la synthèse de l'ATP. Les cryptes mitochondriales contiennent de l'ATP synthase, qui couple l'oxydation dans le cycle de Krebs et la phosphorylation de l'ADP en ATP.
Classe de pompe ioniqueV.
H + -ATPases lysosomales (pompes à protons lysosomales) - pompes à protons qui assurent le transport de H + du cytosol vers un certain nombre d'organites - lysosomes, appareil de Golgi, vésicules sécrétoires. En conséquence, la valeur du pH diminue, par exemple, dans les lysosomes jusqu'à 5,0, ce qui optimise l'activité de ces structures.
Caractéristiques du transport d'ions
1. Transmembranaire important et asymétrique ! gradient pour Na+ et K+ au repos.
Le sodium à l'extérieur de la cellule (145 mmol/l) est 10 fois plus élevé que dans la cellule (14 mmol/l).
Il y a environ 30 fois plus de potassium dans la cellule (140 mmol/l) qu'à l'extérieur de la cellule (4 mmol/l).
Cette caractéristique de la distribution des ions sodium et potassium :
homéostatique par le travail de Na + /K + -nacoca ;
forme un courant potassique sortant au repos (canal de fuite) ;
forme un potentiel de repos;
le travail de tous les canaux potassiques (dépendants de la tension, dépendants du calcium, dépendants du ligand) vise à former un courant potassique sortant.
Cela ramène l'état de la membrane à son niveau d'origine (activation des canaux dépendants du voltage pendant la phase de repolarisation), ou hyperpolarise la membrane (canaux dépendants du calcium, dépendants du ligand, y compris ceux activés par les systèmes de seconds messagers).
Veuillez garder à l'esprit que :
le mouvement du potassium à travers la membrane s'effectue par transport passif ;
la formation d'une excitation (potentiel d'action) est toujours due au courant de sodium entrant ;
l'activation de tout canal sodique provoque toujours un courant de sodium entrant ;
le mouvement du sodium à travers la membrane s'effectue presque toujours par transport passif ;
dans les cellules épithéliales qui forment les parois de divers tubes et cavités dans les tissus (intestin grêle, tubules du néphron, etc.), dans la membrane externe, il existe toujours un grand nombre de canaux sodiques qui, lors de leur activation, fournissent un courant sodique entrant, et dans la membrane basale - un grand nombre de pompes à sodium et à potassium qui pompent le sodium hors de la cellule. Cette répartition asymétrique de ces systèmes de transport du sodium assure son transport transcellulaire, c'est-à-dire de la lumière intestinale, des tubules rénaux vers l'environnement interne du corps ;
le transport passif du sodium dans la cellule le long d'un gradient électrochimique conduit à l'accumulation d'énergie, qui est utilisée pour le transport actif secondaire de nombreuses substances.
2. Faible niveau de calcium dans le cytosol de la cellule.
Dans la cellule au repos, la teneur en calcium (50 nmol/l) est 5000 fois inférieure à celle à l'extérieur de la cellule (2,5 mmol/l).
Un niveau de calcium aussi faible dans le cytosol n'est pas accidentel, puisque le calcium à des concentrations 10 à 100 fois supérieures à la concentration initiale agit comme un deuxième messager intracellulaire dans la mise en œuvre du signal.
Dans de telles conditions, une augmentation rapide du calcium dans le cytosol est possible grâce à l'activation des canaux calciques (diffusion facilitée), présents en grande quantité dans la membrane cytoplasmique et dans la membrane du réticulum endoplasmique (le réticulum endoplasmique est le « dépôt » de calcium dans la cellule).
La formation de flux de calcium, due à l'ouverture de canaux, entraîne une augmentation physiologiquement significative de la concentration de calcium dans le cytosol.
Le faible niveau de calcium dans le cytosol de la cellule est maintenu par la Ca 2+ -ATPase, les échangeurs Na + /Ca 2+ et les protéines liant le calcium du cytosol.
En plus de la liaison rapide du Ca 2+ cytosolique par les protéines intracellulaires de liaison au Ca 2+, les ions calcium entrant dans le cytosol peuvent être accumulés par l'appareil de Golgi ou le noyau cellulaire et capturés par les réserves de Ca 2+ mitochondriales.
3. Faibles niveaux de chlore dans la cage.
Dans la cellule au repos, la teneur en chlore (8 mmol/l) est plus de 10 fois inférieure à celle à l'extérieur de la cellule (110 mmol/l).
Cet état est maintenu par le travail du transporteur K + /Cl-.
Le changement de l'état fonctionnel de la cellule est associé (ou provoqué) à un changement de la perméabilité de la membrane au chlore. Lorsque les canaux chlore dépendants du potentiel et du ligand sont activés, l'ion pénètre dans le cytosol par le canal par transport passif.
De plus, l'entrée du chlore dans le cytosol se fait grâce au cotransporteur Na + /K + /2CH et à l'échangeur CH-HCO 3 .
L'entrée du chlore dans la cellule augmente la polarité de la membrane jusqu'à l'hyperpolarisation.
Les caractéristiques du transport ionique jouent un rôle fondamental dans la formation de phénomènes bioélectriques dans les organes et les tissus qui codent des informations et déterminent l'état fonctionnel de ces structures et leur transition d'un état fonctionnel à un autre.
Dernière mise à jour : 28/10/2013
Le deuxième article de la série « Fondements de la physiologie humaine et animale ». Nous parlerons du mécanisme de formation du potentiel d'action - la base de tout mouvement.
Les cellules excitables (qui sont, à un degré ou à un autre, toutes les cellules du corps d’un animal) au repos ont un excès de charge négative et se forment. Si une cellule est soumise à une stimulation externe, elle entre dans un état excité et génère un autre potentiel : un potentiel d’action.
Ce processus est réalisé par un système de canaux ioniques dans la membrane cellulaire, qui régule les concentrations de particules chargées électriquement – les ions. Toutes les chaînes, quelle que soit leur spécialisation, sont contrôlées par certaines forces. Il peut s'agir d'une modification du potentiel sur la membrane cellulaire - dans le cas de canaux dépendants de la tension, d'une augmentation de la concentration de certaines substances actives - pour les canaux dépendants du ligand, ou d'un étirement de la membrane - pour les canaux contrôlés mécaniquement.
Les canaux sont des protéines spécifiques intégrées dans la membrane. Chaque type de canal laisse passer des ions spécifiques. Il s'agit d'un système de transport passif : les ions les traversent par diffusion, et les canaux contrôlent simplement la concentration des particules qui passent et régulent pour elles la perméabilité de la membrane.
Dans la formation du potentiel d'action, ainsi que du potentiel de repos, participent principalement les ions sodium et potassium.
Les canaux sodiques ont une structure assez simple : il s'agit d'une protéine composée de trois sous-unités différentes qui forment une structure similaire à un pore, c'est-à-dire un tube avec une lumière interne. Le canal peut être dans trois états : fermé, ouvert et inactivé (fermé et inexcitable). Ceci est assuré par la localisation des charges négatives et positives dans la protéine elle-même ; ces charges sont attirées vers celles opposées existant sur la membrane, et ainsi le canal s'ouvre et se ferme lorsque l'état de la membrane change. Lorsqu'il est ouvert, les ions sodium peuvent pénétrer librement dans la cellule selon un gradient de concentration. Il s’agit d’un instant très court – littéralement une fraction de milliseconde.
Les canaux potassiques sont encore plus simples : ce sont des sous-unités individuelles qui ont une forme trapézoïdale en section transversale ; ils sont situés presque proches les uns des autres, mais il y a toujours un écart entre eux. Les canaux potassiques ne se ferment pas complètement : au repos, le potassium quitte librement le cytoplasme (le long du gradient de concentration).
Les canaux sodium et potassium sont dépendants du potentiel : ils fonctionnent en réponse aux changements du potentiel électrique de la membrane.
Lorsqu'un potentiel d'action se forme, une forte recharge à court terme de la membrane se produit. Ceci est réalisé grâce à plusieurs processus séquentiels.
Premièrement, sous l'influence d'une irritation externe (par exemple, le courant électrique), la membrane est dépolarisée, c'est-à-dire que les charges sur ses différents côtés changent à l'opposé (à l'intérieur de la cellule, la charge devient positive, à l'extérieur - en négative). Il s'agit d'un signal d'ouverture de canaux sodiques, qui sont très nombreux à la surface d'une membrane - peut-être jusqu'à 12 000. Le moment où les canaux commencent à s’ouvrir est appelé niveau critique de dépolarisation. Le courant qui donne cette dépolarisation critique est appelé seuil.
Il est intéressant de noter que l’augmentation du courant après avoir atteint le seuil ne modifie pas les caractéristiques du potentiel d’action résultant. Ce qui compte pour l'ouverture des canaux, ce n'est pas l'amplitude du courant, mais la quantité d'énergie reçue par la membrane - la « quantité d'électricité ». Ce modèle est appelé « tout ou rien » : soit il y a une réponse complète à l'irritation lorsque sa valeur est supérieure ou égale à la valeur seuil, soit il n'y a aucune réponse si l'irritation n'a pas atteint la valeur seuil. Dans ce cas, la valeur seuil est déterminée par la durée de la stimulation appliquée.
Cette loi n’est cependant valable qu’à l’intérieur d’une seule cellule. Si nous prenons, par exemple, un nerf composé d'un grand nombre d'axones différents, l'amplitude aura également de l'importance, car nous ne verrons une réponse à la stimulation que lorsque les canaux seront activés dans toutes les cellules - c'est-à-dire avec une valeur totale plus grande. du courant de seuil.
Une fois les canaux ouverts, le sodium commence à pénétrer dans la cellule et son courant dépasse largement le courant de potassium sortant le long du gradient. Cela signifie que la perméabilité de la membrane au sodium devient supérieure à celle du potassium. À un moment donné, presque tous les canaux sodiques s'ouvrent. Cela se produit comme une avalanche : à partir du point où le stimulus est arrivé, dans les deux sens. Ainsi, la concentration de sodium dans la cellule augmente fortement.
Après cela, les concentrations d’ions devraient revenir à leurs valeurs initiales. Cela confère aux canaux une propriété générale telle que le caractère réfractaire : un canal déclenché reste inactif pendant un certain temps après et ne peut pas être excité par un stimulus irritant.
Au moment de la réponse maximale à la stimulation, les canaux sodiques deviennent réfractaires et la perméabilité au sodium chute fortement. Les canaux potassiques, au contraire, commencent à fonctionner activement et le flux de potassium provenant de la cellule augmente. Ainsi, les ions chargés positivement en excès quittent la cellule et le potentiel de repos d'origine est restauré. Durant cette période, jusqu'à ce que les canaux sodiques et le potentiel d'origine soient restaurés (cela peut prendre environ une milliseconde), la cellule n'est pas capable de s'exciter.
Étant donné que la capacité des cellules à exciter assure le fonctionnement du corps dans son ensemble et la possibilité d'un contrôle centralisé de toutes les cellules du corps, les poisons qui bloquent les canaux sont parmi les plus dangereux pour l'homme et de nombreux animaux.
L’un des bloqueurs de canaux les plus dangereux est la tétrodotoxine, une substance produite par le poisson-globe. Pour cela, la valeur DL50 (niveau de mortalité de 50 % - la dose à partir de laquelle 50 personnes sur cent mourront) est égale à 10 milligrammes par kilogramme de poids, soit environ mille fois moins que pour le cyanure. Ses molécules se lient étroitement à la protéine du canal sodium lorsqu'elle est dans un état fermé et bloquent complètement la possibilité d'un potentiel d'action. Certaines algues produisent des toxines similaires. Le venin du Scorpion, au contraire, maintient tous les canaux dans un état constamment ouvert.
Bon, d'accord, un scorpion, mais pourquoi une arme aussi terrible contre les algues est un mystère.
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Les canaux ioniques sont des protéines intégrales qui assurent le transport passif des ions le long d'un gradient de concentration. L'énergie de transport est la différence de concentration en ions des deux côtés de la membrane (gradient ionique transmembranaire).
Les canaux non sélectifs ont les propriétés suivantes :
· laisse passer tous les types d'ions, mais la perméabilité des ions K+ est nettement supérieure à celle des autres ions ;
- sont toujours ouverts.
Les canaux sélectifs ont les propriétés suivantes :
· ne laisser passer qu'un seul type d'ions ; pour chaque type d'ion il existe son propre type de canal ;
- peut être dans l'un des 3 états suivants : fermé, activé, inactivé.
La perméabilité sélective du canal sélectif est assurée filtre sélectif, qui est formé par un anneau d’atomes d’oxygène chargés négativement, situé au point le plus étroit du canal.
Le changement d'état du canal est assuré par le fonctionnement du mécanisme de porte , qui est représenté par deux molécules protéiques. Ces molécules de protéines, appelées. les portes d'activation et les portes d'initiation peuvent bloquer le canal ionique en modifiant leur conformation.
A l'état de repos, la porte d'activation est fermée, la porte d'inactivation est ouverte (le canal est fermé) (Fig. 2.3). Lorsqu'un signal agit sur le système de porte, la porte d'activation s'ouvre et le transport d'ions à travers le canal commence (le canal est activé). Avec une dépolarisation importante de la membrane cellulaire, la porte d'inactivation se ferme et le transport des ions s'arrête (le canal est inactivé). Lorsque le niveau MP est restauré, le canal revient à son état d'origine (fermé).
En fonction du signal qui provoque l'ouverture de la porte d'activation, les canaux ioniques sélectifs sont divisés en :
· canaux chimiosensibles – le signal d'ouverture de la porte d'activation est un changement dans la conformation de la protéine réceptrice associée au canal suite à l'attachement d'un ligand à celui-ci.
- canaux sensibles à la tension - le signal pour ouvrir la porte d'activation est une diminution du MP (dépolarisation) de la membrane cellulaire jusqu'à un certain niveau, appelé niveau critique de dépolarisation (CLD);
Selon le mode d'activation, on les distingue :
· activé par tension canaux ioniques (le passage d'un état fermé à un état ouvert et inversement s'effectue par la conformation de la molécule protéique lorsque le potentiel membranaire change). Un exemple est le canal sodium voltage-dépendant, qui détermine la dépolarisation de la cellule lors de la génération d'un potentiel d'action.
· mécanosensible canaux ioniques (ouverts lorsqu'un stimulus mécanique est appliqué à la membrane cellulaire, par exemple lorsque les mécanorécepteurs cutanés sont activés).
· activé par un ligand canaux ioniques. Selon la méthode d'activation, ils sont divisés en deux groupes (extracellulaires et intracellulaires), selon le côté de la membrane sur lequel agit le ligand. Si un stimulus (par exemple, l'acétylcholine) lors de la transmission synaptique de l'excitation au niveau de la synapse neuromusculaire agit sur un récepteur (dans cet exemple, un récepteur cholinergique, qui est l'une des nombreuses sous-unités protéiques d'un canal ionique) situé sur la surface externe du membrane des cellules musculaires, un canal ionique s'ouvrira, perméable aux cations. Si les canaux activés par le ligand dépendent de seconds messagers dans la cellule, leur transition vers l'état ouvert se produit lorsque la concentration de certains ions dans le cytoplasme change. Un exemple est le canal potassique activé par le calcium, qui est activé lorsque la concentration d’ions calcium dans la cellule augmente. De tels canaux participent à la repolarisation membranaire à la fin d'un potentiel d'action.
Le concept de potentiel de membrane, de potentiel ionique d'équilibre et de potentiel de repos. Conditions et causes de l'existence du repos poten. L'équation est constante du champ.Fonction potentielle de Memb.
Conditions et raisons de l'existence du potentiel de repos.
Les calculs et les données expérimentales indiquent que toutes les cellules du corps en état de repos « opérationnel » sont caractérisées par un certain degré de polarisation. Le plasmalemme de chaque cellule est chargé, et au repos, un potentiel négatif par rapport au milieu intercellulaire est maintenu sur sa surface interne. La différence de potentiel transmembranaire dans différentes cellules est différente, mais atteint partout plusieurs dizaines de millivolts. Grâce à la technologie des microélectrodes, il a été possible, lors d’une expérience, de mesurer directement la différence de potentiel réelle des deux côtés de la membrane cellulaire.
Quels ions et canaux ioniques assurent la bioélectrogenèse ? On sait désormais que quatre ions contribuent principalement au potentiel de repos et au potentiel d’action. Na + K + Ca ++ Cl - sont capables de pénétrer (ou de ne pas pénétrer) dans certaines conditions à travers les canaux ioniques correspondants.
Pour qu'un certain ion (ayant une charge) pénètre dans la membrane, il est nécessaire que les conditions suivantes soient présentes :
1. La présence d'un gradient de concentration (créé par le travail des pompes ioniques)
2. La présence d'un gradient électrochimique (créé par la somme des concentrations de particules chargées et des propriétés des canaux ioniques à séparer les cations et les anions des deux côtés de la membrane).
3. Disponibilité de canaux appropriés à l'état ouvert.
À potentiel de repos la face interne de la membrane cellulaire porte une charge dont le signe (négativité) est déterminé par présence d'anions organiques dans le cytoplasme(protéines et acides aminés) incapables de passer à travers les canaux ioniques, et carence en contre-ions– les cations potassium qui peuvent pénétrer à travers les canaux ioniques potassium, ce qui entraîne la création d'un excès d'ions négatifs dans la cellule et d'un excès de charge positive dans l'interstitium. L'ampleur de la charge négative dans la cellule et de la charge positive dans l'espace intercellulaire peut être prédite mathématiquement, mais seulement pour des cas relativement simples, par exemple pour l'axone du calmar géant.
L'ampleur du potentiel de repos est décrite selon une approximation connue par l'équation de champ constant proposée par Hodgkin, Goldman et Katz.
Vм=RT/zFln ((pko+pNa o +pCl i) / (pki + pNa i + pCl i))
Il ne faut pas confondre les concepts potentiel de membrane, potentiel d'équilibre Et potentiel de repos.
Le potentiel de membrane est déterminé par la somme des charges agissant des deux côtés de la membrane, ce qui détermine la capacité de certains ions à pénétrer dans les canaux ioniques.
Le potentiel d'équilibre est le potentiel du plasmalemme cellulaire auquel le courant total d'un certain ion à travers la membrane est nul, malgré la capacité des ions individuels à pénétrer à travers des canaux ouverts en échange des mêmes ions circulant dans la direction opposée. Déterminé par l'équation de Nernst.
Fonctions du potentiel de membrane au repos :
1. La polarisation membranaire est une condition d’excitation et d’inhibition.
2. La polarisation détermine le volume de libération de l'émetteur à partir de la terminaison présynaptique.
3. Le PP crée des conditions pour que les canaux dépendants du potentiel soient dans un état fermé (la polarisation membranaire crée des conditions pour la formation d'un potentiel d'action).
PHYSIOLOGIE GÉNÉRALE DU SYSTÈME NERVEUX
Le concept de centre nerveux.
Centre nerveux- un ensemble de structures du système nerveux central dont l'activité coordonnée assure la régulation de fonctions individuelles de l'organisme ou d'un certain acte réflexe. L'idée de la base structurelle et fonctionnelle du centre nerveux est déterminée par l'histoire du développement de la doctrine de la localisation des fonctions dans le système nerveux central. Propriétés des centres nerveux :
2. Conduction lente de l'excitation à travers les complexes neuronaux du système nerveux central. Le délai synaptique T syn d'un contact intercellulaire est d'environ 0,5 à 2 ms. S’il y a n neurones dans le réseau, la période de latence totale du signal dans le cerveau correspond à n×T syn et peut être assez importante. Indirectement, connaissant le temps de transmission du signal à travers le système nerveux central (calculé en tenant compte du temps total du réflexe et du temps passé à la transmission le long des troncs nerveux), on peut estimer le nombre d'interrupteurs synaptiques (n) dans l'arc d'un réflexe particulier.
4. La conduction unilatérale de l'excitation, ainsi que la divergence et la convergence des entrées synaptiques créent un substrat morphologique pour la circulation de l'excitation (réverbération) le long de circuits neuronaux fermés. On pense que ce phénomène est à l’origine de la mémoire à court terme.
5. Certains neurones associés aux noyaux sont caractérisés par activité de fond. Elle est déterminée par les propriétés de la membrane et dépend de la dépolarisation spontanée. D'autres neurones sont « silencieux » et génèrent des AP uniquement lorsque les entrées synaptiques sont activées.
6. Les neurones et les synapses situés à leur surface sont caractérisés par une sensibilité à diverses substances, molécules de signalisation et métabolites contenus dans le liquide céphalo-rachidien.
7. caractérisé par une fatigue dont l'une des raisons est une diminution des réserves du médiateur disponible et le faible taux de sa synthèse.
8. plasticité. Le soulagement, la potentialisation (tétanique post-tétanique, à long terme), la dépression sont déterminés par les propriétés des récepteurs, les processus de trace et l'apparition de nouveaux contacts ou récepteurs synaptiques à la surface des neurones.
Les réseaux nerveux du cerveau sont caractérisés par des lignes directionnelles et unilatérales. conduction d'excitation (linéaire). S'il existe une chaîne de neurones reliés entre eux par des contacts synaptiques, alors en raison de la propriété des synapses chimiques de libérer un émetteur de la terminaison présynaptique dans la fente synaptique et de le recevoir par un récepteur localisé sur la membrane postsynaptique, le vecteur de la propagation de l'excitation dans le réseau neuronal est dirigée vers le neurone post-synaptique suivant. Un exemple courant de ce principe est la loi Bella–Magendie(les fibres afférentes pénètrent dans la moelle épinière par les racines dorsales, les fibres motrices quittent la moelle épinière par les racines ventrales).
Processus convergence consistent en la convergence de divers flux d'impulsions de plusieurs cellules nerveuses vers un même neurone (voir section 4.1.4). Le processus de convergence n'est pas seulement caractéristique des cellules nerveuses du même type. Par exemple, sur les motoneurones de la moelle épinière, en plus des fibres afférentes primaires, convergent les fibres de diverses voies descendantes provenant des centres supraspinaux et rachidiens proprement dits, ainsi que des interneurones excitateurs et inhibiteurs. En conséquence, les motoneurones de la moelle épinière fonctionnent comme une voie finale commune pour de nombreuses structures nerveuses, y compris l'appareil suprasegmental du cerveau, liées à la régulation de la fonction motrice.
Divergence est la capacité d'une cellule nerveuse à établir de nombreuses connexions synaptiques avec diverses cellules nerveuses. Grâce à cela, une cellule nerveuse peut participer à plusieurs réactions différentes, transmettre une excitation à un nombre important d'autres neurones, qui peuvent exciter un plus grand nombre de neurones, assurant ainsi une large irradiation du processus excitateur dans les formations nerveuses centrales.
La structure d'un neurone.
Sur le plan fonctionnel, les neurones de la moelle épinière peuvent être divisés en 4 groupes principaux :
1) les motoneurones, ou motoneurones, sont des cellules des cornes antérieures dont les axones forment les racines antérieures ;
2) interneurones - neurones qui reçoivent des informations des ganglions spinaux et sont situés dans les cornes dorsales. Ces neurones répondent à la douleur, à la température, aux stimulations tactiles, vibratoires et proprioceptives ;
3) les neurones sympathiques et parasympathiques sont localisés principalement dans les cornes latérales. Les axones de ces neurones sortent de la moelle épinière en tant que partie des racines ventrales ;
4)) cellules d'association - neurones de l'appareil propre de la moelle épinière, établissant des connexions au sein et entre les segments.
Motoneurones. L'axone du motoneurone innerve des centaines de fibres musculaires avec ses terminaisons, formant ainsi une unité de motoneurone.
Interneurones. Ces neurones intermédiaires, générant des impulsions d'une fréquence allant jusqu'à 1 000 par seconde, sont actifs en arrière-plan et possèdent jusqu'à 500 synapses sur leurs dendrites. La fonction des interneurones est d'organiser les connexions entre les structures de la moelle épinière et d'assurer l'influence des voies ascendantes et descendantes sur les cellules des segments individuels de la moelle épinière. Une fonction très importante des interneurones est l’inhibition de l’activité neuronale, qui garantit le maintien de la direction de la voie d’excitation.
Neurones de la division sympathique du système autonome. Situé dans les cornes latérales des segments de la moelle épinière thoracique. Ces neurones sont actifs en arrière-plan, mais ont une cadence de déclenchement rare (3 à 5 par seconde).
Neurones de la division parasympathique du système autonome. Ils sont localisés dans la moelle épinière sacrée et sont actifs en arrière-plan.
La névroglie, ou glie, est un ensemble d'éléments cellulaires du tissu nerveux, formés de cellules spécialisées de formes diverses. Les cellules neurogliales remplissent les espaces entre les neurones, représentant 40 % du volume cérébral. Cellules gliales 3 à 4 fois plus petit que les nerveux ; À mesure qu’une personne vieillit, le nombre de neurones dans le cerveau diminue et le nombre de cellules gliales augmente. Classification:
Les astrocytes sont des cellules multi-traitées avec des noyaux de forme ovale et une petite quantité de chromatine. La taille des astrocytes est de 7 à 25 microns. localisé principalement dans la matière grise du cerveau. Les noyaux des astrocytes contiennent de l'ADN, le protoplasme possède un complexe lamellaire, un centrisome et des mitochondries. les astrocytes servent de support aux neurones, assurent les processus réparateurs des troncs nerveux, isolent les fibres nerveuses et participent au métabolisme des neurones. Les processus astrocytes forment des « pattes » qui enveloppent les capillaires, les recouvrant presque complètement. De ce fait, seuls les astrocytes se situent entre les neurones et les capillaires. Apparemment, ils assurent le transport des substances du sang vers le neurone et vice-versa. Les astrocytes forment des ponts entre les capillaires et l'épendyme tapissant les cavités des ventricules du cerveau. On pense que cela assure l'échange entre le sang et le liquide céphalo-rachidien des ventricules cérébraux, c'est-à-dire que les astrocytes remplissent une fonction de transport.
Les oligodendrocytes ont un petit nombre de processus. Ils sont plus petits que les astrocytes. Dans le cortex cérébral, le nombre d'oligodendrocytes augmente des couches supérieures vers les couches inférieures. Il y a plus d'oligodendrocytes dans les structures sous-corticales et dans le tronc cérébral que dans le cortex. Les oligodendrocytes sont impliqués dans la myélinisation des axones (ils sont donc plus nombreux dans la substance blanche du cerveau), dans le métabolisme des neurones, ainsi que dans le trophisme des neurones.
Les microglies sont représentées par les plus petites cellules gliales multi-traitées appartenant aux cellules errantes. La source des microglies est le mésoderme. Les cellules microgliales sont capables de phagocytose.
14.Idées modernes sur les contacts intercellulaires.
Les synapses sont les contacts qui établissent les neurones comme entités indépendantes. La synapse est une structure complexe et se compose d'une partie présynaptique (l'extrémité de l'axone qui transmet le signal), d'une fente synaptique et d'une partie postsynaptique (la structure de la cellule réceptrice).
Classification des synapses. Les synapses sont classées par emplacement, nature d'action et méthode de transmission du signal.
En fonction de leur emplacement, ils sont classés en neuromusculaires, synapses et neuroneuronaux, ces derniers étant à leur tour divisés en axo-somatiques, axoaxonaux, axodendritiques et dendrosomatiques.
Selon la nature de l'effet sur la structure perceptive, les synapses peuvent être excitatrices ou inhibitrices.
Selon la méthode de transmission du signal, les synapses sont divisées en synapses électriques, chimiques et mixtes.
La nature de l'interaction des neurones. Elle est déterminée par le mode de cette interaction : distant, adjacent, contact.
L'interaction à distance peut être assurée par deux neurones situés dans des structures différentes du corps. Par exemple, dans les cellules d'un certain nombre de structures cérébrales, se forment des neurohormones et des neuropeptides capables d'influencer les neurones humoraux sur les neurones d'autres parties.
L'interaction adjacente entre les neurones se produit lorsque les membranes des neurones ne sont séparées que par l'espace intercellulaire. Généralement, une telle interaction se produit là où il n’y a pas de cellules gliales entre les membranes des neurones. Une telle contiguïté est caractéristique des axones du nerf olfactif, des fibres parallèles du cervelet, etc. On pense qu'une interaction contiguë assure la participation des neurones voisins à l'exécution d'une seule fonction. Cela se produit notamment parce que les métabolites, produits de l'activité neuronale, entrant dans l'espace intercellulaire, affectent les neurones voisins. L'interaction adjacente peut, dans certains cas, assurer le transfert d'informations électriques de neurone à neurone.
Pour diverses substances et notamment pour les ions minéraux, il est extrêmement important dans la vie de la cellule et notamment dans les mécanismes de perception, de transformation, de transmission des signaux de cellule à cellule et aux structures intracellulaires.
Le rôle déterminant dans l'état de perméabilité des membranes cellulaires est joué par leurs canaux ioniques, qui se forment protéines formant des canaux. L'ouverture et la fermeture de ces canaux peuvent être contrôlées par l'ampleur de la différence de potentiel entre les surfaces externe et interne de la membrane, diverses molécules de signalisation (hormones, neurotransmetteurs, substances vasoactives), messagers secondaires de la transmission du signal intracellulaire et minéraux. ions.
Canal ionique- plusieurs sous-unités (protéines membranaires intégrales contenant des segments transmembranaires ayant chacune une configuration en hélice α) qui assurent le transport des ions à travers la membrane.
Riz. 1. Classification des canaux ioniques
La compréhension moderne de la structure et de la fonction des canaux ioniques est devenue possible grâce au développement de méthodes d'enregistrement des courants électriques circulant à travers une section isolée de la membrane contenant des canaux ioniques uniques, ainsi qu'à l'isolement et au clonage de gènes individuels qui contrôlent la synthèse de macromolécules protéiques capables de former des canaux ioniques. Cela a permis de modifier artificiellement la structure de ces molécules, de les intégrer dans les membranes cellulaires et d'étudier le rôle de régions peptidiques individuelles dans l'exécution des fonctions des canaux. Il s'est avéré que les molécules protéiques formant des canaux de tous les canaux ioniques ont des caractéristiques structurelles communes et sont généralement sont représentés par de grosses protéines transmembranaires avec des masses moléculaires supérieures à 250 kDa.
Ils sont constitués de plusieurs sous-unités. Généralement le plus important propriétés du canal leur une sous-unité. Cette sous-unité participe à la formation du trou sélectif des ions, le mécanisme capteur de la différence de potentiel transmembranaire - la porte du canal, et possède des sites de liaison pour les ligands exogènes et endogènes. D'autres sous-unités incluses dans la structure des canaux ioniques jouent un rôle auxiliaire, modulant les propriétés des canaux (Fig. 2).
La molécule protéique formant des canaux est représentée par des boucles d'acides aminés extramembranaires et des régions de domaines hélicoïdaux intramembranaires qui forment les sous-unités des canaux ioniques. La molécule protéique se replie dans le plan de la membrane de sorte que le canal ionique lui-même se forme entre les domaines en contact les uns avec les autres (voir Fig. 2, en bas à droite).
La molécule protéique formant un canal est située dans la membrane cytoplasmique de sorte que sa structure spatiale tridimensionnelle forme les embouchures du canal faisant face aux côtés externe et interne de la membrane, un pore rempli d'eau et une « porte ». Ces derniers sont formés par une section de la chaîne peptidique qui peut facilement changer de conformation et déterminer l'état ouvert ou fermé du canal. La sélectivité et la perméabilité du canal ionique dépendent de la taille du pore et de sa charge. La perméabilité d'un canal pour un ion donné est également déterminée par sa taille, sa charge et sa coque d'hydratation.
Riz. 2. Structure du canal ionique Na+ de la membrane cellulaire : a - structure bidimensionnelle de l'unité α du canal ionique de la membrane cellulaire ; b - à gauche - un canal sodique, constitué d'une sous-unité a et de deux sous-unités P (vue latérale) ; à droite, le canal sodium vu d'en haut. En numéros I. II. III. Domaines marqués IV de la sous-unité a
Types de canaux ioniques
Plus de 100 types de canaux ioniques ont été décrits et diverses approches sont utilisées pour les classer. L'un d'eux repose sur la prise en compte des différences dans la structure des canaux et des mécanismes de fonctionnement. Dans ce cas, les canaux ioniques peuvent être divisés en plusieurs types :
- canaux ioniques passifs, ou canaux de repos ;
- canaux de contact à fente ;
- canaux dont l'état (ouvert ou fermé) est contrôlé par l'influence sur leur mécanisme de porte de facteurs mécaniques (canaux mécanosensibles), de différences de potentiel sur la membrane (canaux dépendants de la tension) ou de ligands qui se lient à la protéine formant le canal sur la face externe ou interne de la membrane (canaux dépendants du ligand).
Canaux passifs
Une particularité de ces canaux est qu'ils peuvent être ouverts (actifs) dans les cellules au repos, c'est-à-dire en l'absence de toute influence. Cela prédétermine leur deuxième nom - canaux passifs. Ils ne sont pas strictement sélectifs et, à travers eux, la membrane cellulaire peut « laisser échapper » plusieurs ions, par exemple K+ et CI+, K+ et Na+. C’est pourquoi ces canaux sont parfois appelés canaux de fuite. En raison de ces propriétés, les canaux au repos jouent un rôle important dans l’émergence et le maintien du potentiel membranaire au repos sur la membrane cytoplasmique d’une cellule, dont les mécanismes et l’importance sont discutés ci-dessous. Des canaux passifs sont présents dans les membranes cytoplasmiques des fibres nerveuses et de leurs terminaisons, les cellules striées, les muscles lisses, le myocarde et d'autres tissus.
Canaux mécanosensibles
L'état de perméabilité de ces canaux change sous l'influence mécanique de la membrane, provoquant une perturbation de l'emballage structurel des molécules dans la membrane et son étirement. Ces canaux sont largement représentés dans les mécanorécepteurs des vaisseaux sanguins, des organes internes, de la peau, des muscles striés et des myocytes lisses.
Canaux dépendants de la tension
L'état de ces canaux est contrôlé par les forces du champ électrique créé par l'ampleur de la différence de potentiel à travers la membrane. Les canaux dépendants de la tension peuvent être dans des états inactifs (fermés), actifs (ouverts) et inactivés, qui sont contrôlés par la position des portes d'activation et d'inactivation, en fonction de la différence de potentiel à travers la membrane.
Dans une cellule au repos, un canal dépendant de la tension est généralement dans un état fermé, à partir duquel il peut être ouvert ou activé. La probabilité de son ouverture indépendante est faible et, au repos, seul un petit nombre de ces canaux dans la membrane sont ouverts. Une diminution de la différence de potentiel transmembranaire (dépolarisation membranaire) provoque l'activation du canal, augmentant ainsi la probabilité de son ouverture. On suppose que la fonction de porte d'activation est assurée par un groupe d'acides aminés chargé électriquement qui ferme l'entrée de l'embouchure du canal. Ces acides aminés sont un capteur de la différence de potentiel sur la membrane ; lorsqu'un certain niveau (critique) de dépolarisation membranaire est atteint, la partie chargée de la molécule capteur se déplace vers le microenvironnement lipidique de la molécule formant le canal et la porte ouvre l'entrée de l'embouchure du canal (Fig. 3).
Le canal devient ouvert (actif) pour que les ions puissent le traverser. La vitesse d'ouverture du portail d'activation peut être faible ou très élevée. Selon cet indicateur, les canaux ioniques voltage-dépendants sont divisés en rapides (par exemple, canaux sodium voltage-dépendants rapides) et lents (par exemple, canaux calciques voltage-dépendants lents). Les canaux rapides s'ouvrent instantanément (μs) et restent ouverts pendant 1 ms en moyenne. Leur activation s'accompagne d'une augmentation rapide, semblable à une avalanche, de la perméabilité du canal pour certains ions.
Une autre partie de la chaîne peptidique, qui est une séquence d'acides aminés sous la forme d'une boule dense (boule) sur un fil, située à la sortie de l'autre embouchure du canal, a la capacité de changer de conformation. Lorsque le signe de la charge sur la membrane change, la bille ferme la sortie de la bouche et le canal devient impénétrable (inactivé) pour l'ion. L'inactivation des canaux ioniques voltage-dépendants peut être réalisée par d'autres mécanismes. L'inactivation s'accompagne de l'arrêt du mouvement des ions à travers le canal et peut se produire aussi rapidement que l'activation, ou lentement - sur une période de quelques secondes, voire quelques minutes.
Riz. 3. Mécanisme de porte des canaux sodium (en haut) et potassium (en bas) dépendants du potentiel
Pour restaurer les propriétés originales des canaux ioniques après leur inactivation, il est nécessaire de restituer la conformation spatiale originale de la protéine formant le canal et la position de la porte. Ceci est réalisé en rétablissant la différence de potentiel membranaire (repolarisation) à un niveau caractéristique de l'état de repos de la cellule ou quelque temps après l'inactivation avec un fort effet sur la membrane. La transition de l'état d'inactivation à l'état d'origine (fermé) est appelée réactivation du canal. Une fois réactivé, le canal ionique revient à un état prêt à sa réouverture. La réactivation des canaux membranaires tension-dépendants peut également être rapide ou lente.
Les canaux ioniques voltage-dépendants sont généralement très sélectifs et jouent un rôle crucial dans l'apparition de l'excitation (génération de potentiels d'action), la transmission d'informations le long des fibres nerveuses sous forme de signaux électriques, ainsi que l'initiation et la régulation de la contraction musculaire. Ces canaux sont largement représentés dans les membranes des fibres nerveuses afférentes et efférentes, dans les membranes des myocytes striés et lisses.
Les canaux ioniques dépendant du potentiel sont intégrés dans la membrane des terminaisons nerveuses des nerfs sensoriels (dendrites) innervant la pulpe dentaire et la muqueuse buccale, où leur ouverture assure la conversion du potentiel récepteur en influx nerveux et sa transmission ultérieure le long du nerf afférent. fibre. À l'aide de ces impulsions, des informations sur tous les types de sensations sensorielles qu'une personne éprouve dans la cavité buccale (goût, température, pression mécanique, douleur) sont transmises au système nerveux central. De tels canaux assurent l'émergence de l'influx nerveux sur la membrane de la butte axonale des neurones et leur transmission le long des fibres nerveuses efférentes, la conversion des potentiels postsynaptiques en potentiels d'action des cellules effectrices postsynaptiques. Un exemple de tels processus est la génération d'influx nerveux dans les motoneurones du noyau du nerf trijumeau, qui sont ensuite transmis le long de ses fibres efférentes aux muscles masticateurs et assurent l'initiation et la régulation des mouvements de mastication de la mâchoire inférieure.
Lors de l'étude des mécanismes subtils du fonctionnement des canaux ioniques voltage-dépendants, il a été révélé qu'il existe des substances capables de bloquer le fonctionnement de ces canaux. L’une des premières à être décrite a été la substance tétrodotoxine, un puissant poison produit dans le corps du poisson-globe. Sous son influence, un blocage des canaux sodiques voltage-dépendants a été observé dans l'expérience, et lorsqu'il a été introduit dans le corps des animaux, une perte de sensibilité, un relâchement musculaire, une immobilité, un arrêt respiratoire et la mort ont été notés. Ces substances sont appelées bloqueurs de canaux ioniques. Parmi eux lidocaïne, novocaïne, procaïne - substances, lorsqu'elles sont introduites dans le corps à petites doses, un blocage des canaux sodiques dépendants de la tension des fibres nerveuses se développe et la transmission des signaux des récepteurs de la douleur au système nerveux central est bloquée. Ces substances sont largement utilisées dans la pratique médicale comme anesthésiques locaux.
Le mouvement des ions à travers les canaux ioniques est non seulement à la base de la redistribution des charges sur les membranes et de la formation de potentiels électriques, mais peut également influencer le déroulement de nombreux processus intracellulaires. Cet effet sur l'expression des gènes qui contrôlent la synthèse des protéines formant des canaux ne se limite pas aux cellules des tissus excitables, mais se produit dans toutes les cellules du corps. Un grand groupe de maladies a été identifié, dont la cause est une violation de la structure et de la fonction des canaux ioniques. Ces maladies sont classées comme « canalopathies ». Évidemment, la connaissance de la structure et des fonctions des canaux ioniques est nécessaire pour comprendre la nature des « canalopathies » et rechercher leur thérapie spécifique.
Canaux ioniques dépendants d'un ligand
Ils sont généralement formés de macromolécules protéiques qui peuvent simultanément servir de canaux ioniques et de fonctions de récepteur pour certains ligands. Étant donné qu'une même macromolécule peut remplir simultanément ces deux fonctions, des noms différents leur ont été attribués - par exemple, récepteur synaptique ou canal ligand-dépendant.
Contrairement à un canal ionique dépendant de la tension, qui s'ouvre lorsque la conformation de la porte d'activation change dans des conditions de diminution de la différence de potentiel transmembranaire, les canaux ioniques dépendants du ligand s'ouvrent (s'activent) lors de l'interaction de la chaîne peptidique (réceptrice) d'une protéine. molécule avec un ligand, substance pour laquelle le récepteur a une forte affinité ( Fig. 4).
Riz. 4. Canal ionique dépendant du ligand (récepteur de l'acétylcholine sensible à la nicotine - n-ChR) : un inactif ; 6 - activé
Les canaux ioniques ligand-dépendants sont généralement localisés dans les membranes postsynaptiques des cellules nerveuses et de leurs processus, ainsi que dans les fibres musculaires. Des exemples typiques de canaux ioniques dépendants d'un ligand sont les canaux membranaires postsynaptiques activés par l'acétylcholine (voir Fig. 4), le glutamate, l'aspartate, l'acide gamma-aminobutyrique, la glycine et d'autres neurotransmetteurs synaptiques. En règle générale, le nom du canal (récepteur) reflète le type de neurotransmetteur qui est son ligand dans des conditions naturelles. Ainsi, s'il s'agit de canaux de la synapse neuromusculaire dans lesquels le neurotransmetteur acétylcholine est utilisé, alors le terme « récepteur de l'acétylcholine » est utilisé, et s'il est également sensible à la nicotine, alors il est appelé sensible à la nicotine, ou simplement n-acétylcholine. récepteur (récepteur n-cholinergique).
En règle générale, les récepteurs post-synaptiques (canaux) se lient sélectivement à un seul type de neurotransmetteur. En fonction du type et des propriétés du récepteur et du neurotransmetteur en interaction, les canaux modifient sélectivement leur perméabilité aux ions minéraux, mais ce ne sont pas des canaux strictement sélectifs. Par exemple, les canaux dépendants du ligand peuvent modifier la perméabilité aux cations Na+ et K+ ou aux anions K+ et CI+. Cette sélectivité de liaison du ligand et les modifications de la perméabilité ionique sont génétiquement fixées dans la structure spatiale de la macromolécule.
Si l'interaction du médiateur et de la partie réceptrice de la macromolécule qui forme le canal ionique s'accompagne directement d'une modification de la perméabilité du canal, cela conduit en quelques millisecondes à une modification de la perméabilité de la membrane post-synaptique aux minéraux. ions et la valeur du potentiel postsynaptique. De tels canaux sont appelés rapides et sont localisés, par exemple, dans la membrane postsynaptique des synapses excitatrices axo-dendritiques et des synapses inhibitrices axosomatiques.
Il existe des canaux ioniques lents dépendants du ligand. Contrairement aux canaux rapides, leur ouverture n'est pas médiée par l'interaction directe du neurotransmetteur avec la macromolécule du récepteur, mais par une chaîne d'événements comprenant l'activation de la protéine G, son interaction avec le GTP, une augmentation du niveau de messagers secondaires dans la transmission intracellulaire. du signal du neurotransmetteur qui, en phosphorylant le canal ionique, entraîne une modification de sa perméabilité aux ions minéraux et une modification correspondante de la valeur du potentiel postsynaptique. L'ensemble de la chaîne d'événements décrite se déroule en quelques centaines de millisecondes. Nous rencontrerons de tels canaux ioniques lents et dépendants du ligand lors de l'étude des mécanismes de régulation du cœur et des muscles lisses.
Un type particulier sont les canaux localisés dans les membranes du réticulum endoplasmique des cellules musculaires lisses. Leur ligand est le deuxième messager de la transduction du signal intracellulaire, l'inositol tri-phosphate-IFZ.
L'invention concerne des canaux ioniques caractérisés par certaines propriétés structurelles et fonctionnelles inhérentes aux canaux ioniques à la fois dépendants du potentiel et dépendants du ligand. Ce sont des canaux ioniques insensibles à la tension, dont l'état du mécanisme de porte est contrôlé par des nucléotides cycliques (AMPc et GMPc). Dans ce cas, les nucléotides cycliques se lient à la terminaison COOH intracellulaire de la molécule protéique formant un canal et activent le canal.
Ces canaux se caractérisent par une moindre sélectivité de perméabilité pour les cations et la capacité de ces derniers à influencer la perméabilité de chacun. Ainsi, les ions Ca 2+, entrant par les canaux activés depuis l'environnement extracellulaire, bloquent la perméabilité des canaux aux ions Na 2+. Un exemple de tels canaux sont les canaux ioniques en bâtonnets de la rétine, dont la perméabilité aux ions Ca 2+ et Na 2+ est déterminée par le niveau de GMPc.
Les canaux ioniques ligand-dépendants sont largement représentés dans les structures membranaires qui assurent la transmission synaptique des signaux provenant d'un certain nombre de récepteurs sensoriels du système nerveux central ; transmission de signaux au niveau des synapses du système nerveux ; transmission des signaux du système nerveux aux cellules effectrices.
Il a déjà été noté que la transmission directe des commandes du système nerveux à de nombreux organes effecteurs s'effectue à l'aide de neurotransmetteurs qui activent les canaux ioniques ligand-dépendants dans les membranes postsynaptiques. Cependant, leurs ligands (agonistes ou antagonistes) peuvent également être des substances de nature exogène, qui dans certains cas sont utilisées comme substances médicinales.
Par exemple, après l'introduction dans le corps de la substance diplacine, dont la structure est similaire à celle du neurotransmetteur apétylcholine, il y aura une ouverture prolongée des canaux ioniques dépendants du ligand au niveau des synapses neuromusculaires, qui cesseront de transmettre l'influx nerveux des fibres nerveuses aux muscles. . Il se produit une relaxation des muscles squelettiques du corps, qui peut être nécessaire lors d'opérations chirurgicales complexes. La diplacine et d'autres substances qui peuvent modifier l'état des canaux ioniques dépendants du ligand et bloquer la transmission du signal au niveau des synapses neuromusculaires sont appelées relaxants musculaires.
Riz. 5. Canaux de jonction entre deux cellules étroitement en contact
Dans la pratique médicale, de nombreuses autres substances médicinales sont utilisées pour affecter l'état des canaux ioniques dépendants du ligand des cellules de divers tissus.
Canaux de jonction (étroits) entre les cellules
Des canaux de jonction lacunaire se forment dans la zone de contact entre deux cellules voisines très proches l'une de l'autre. Dans la membrane de chaque cellule en contact, six sous-unités protéiques, appelées connexines, forment une structure hexagonale, au centre de laquelle se forme un pore ou un canal ionique - un connexon (Fig. 5).
Une structure miroir se forme au point de contact dans la membrane d'une cellule adjacente et le canal ionique entre elles devient commun. Grâce à ces canaux ioniques, divers ions minéraux, notamment les ions Ca 2+, ainsi que des substances organiques de faible poids moléculaire, peuvent se déplacer d'une cellule à l'autre. Les canaux des jonctions lacunaires des cellules assurent le transfert d'informations entre les cellules du myocarde, des muscles lisses, de la rétine et du système nerveux.
Canaux sodiques
Les canaux sodiques dépendants de la tension et indépendants de la tension (dépendants du ligand, mécanosensibles, passifs, etc.) sont largement représentés dans les cellules de l'organisme.
Canaux sodium dépendants du potentiel
Ils sont constitués d'une sous-unité α, qui forme le canal, et de deux sous-unités β, qui modulent la perméabilité ionique et la cinétique d'inactivation des canaux sodiques (Fig. 6).
Riz. 6. Structure bidimensionnelle de la sous-unité α du canal sodium voltage-dépendant. Description dans le texte
Comme on peut le voir sur la Fig. 6, la sous-unité a est représentée par quatre domaines du même type, constitués de six segments transmembranaires hélicoïdaux reliés par des boucles d'acides aminés. Les boucles reliant les 5ème et 6ème segments entourent le pore du canal, et le 4ème segment contient des acides aminés chargés positivement, qui sont des capteurs de différence de potentiel sur la membrane et contrôlent la position du mécanisme de porte lors des changements de potentiel transmembranaire.
Dans les canaux sodiques voltage-dépendants, il existe deux mécanismes de porte, l'un d'eux - l'activation (avec la participation du 4ème segment) assure l'ouverture (activation) du canal lors de la dépolarisation membranaire, et le second (avec la participation de la boucle intracellulaire entre le 3ème et le 4ème domaines) - son inactivation lors de la recharge de la membrane. Étant donné que ces deux mécanismes modifient rapidement la position de la porte du canal, les canaux sodiques voltage-dépendants sont des canaux ioniques rapides et sont essentiels à la génération de potentiels d'action dans les tissus excitables et à leur conduction à travers les membranes des fibres nerveuses et musculaires.
Ces canaux sont localisés dans les membranes cytoplasmiques de la butte axonale des neurones, dans les dendrites et les axones, dans la membrane de la région périsynaptique de la synapse neuromusculaire, dans le sarcolemme des fibres des muscles striés et du myocarde contractile. La densité de distribution des canaux sodiques dans ces structures est différente. Dans les fibres nerveuses myélinisées, elles sont concentrées principalement dans la zone des nœuds de Ranvier, où leur densité atteint environ 10 000 canaux par micron carré de surface, et dans les fibres non myélinisées, les canaux sont répartis plus uniformément avec une densité d'environ 20 canaux par carré. micron de surface. Ces canaux sont pratiquement absents dans la structure des membranes du corps des cellules nerveuses, dans la membrane des terminaisons nerveuses qui forment directement les récepteurs sensoriels et dans les membranes postsynaptiques des cellules effectrices.
Parmi les canaux sodiques voltage-dépendants, on distingue déjà plus de neuf sous-types, différant par les propriétés des sous-unités α, ayant une affiliation tissulaire spécifique et différant par une sensibilité différente à l'action des bloqueurs. Par exemple, un sous-type de canal formé par une protéine formant des canaux, dont la synthèse est contrôlée par le gène SCN4A, est présent dans le sarcolemme des muscles squelettiques entièrement différenciés et innervés et ses bloqueurs sont la tétrodotoxine, la saxitoxine et les c-conotoxines. Dans la plupart des cas, les sous-unités α sont sensibles à l'action de la tétrodotoxine, qui, à des concentrations micromolaires, bloque les pores et donc l'entrée des canaux sodiques.
On sait que les toxines des canaux sodiques ralentissent leur inactivation. Par exemple, la toxine de l'anémone de mer (ATX) et la toxine a du scorpion (ScTX) provoquent un retard dans l'inactivation en se liant aux résidus d'acides aminés de la boucle S3-S4 du segment 4.
Substances appelées anesthésiques (novocaïne, dicaine, lidocaïne, sovcaïne, procaïne et etc.). L'anesthésie, lorsqu'ils bloquent les canaux sodiques, est obtenue en éliminant la possibilité de générer des influx nerveux dans les fibres nerveuses afférentes et en bloquant ainsi la transmission des signaux des récepteurs sensoriels de la douleur au système nerveux central.
Il a été découvert que des modifications dans la structure des canaux sodiques peuvent conduire au développement d'un certain nombre de maladies. Par exemple, une modification de la structure du canal contrôlé par le gène SCNlb conduit au développement de formes généralisées d'épilepsie et de convulsions avec augmentation de la température corporelle (convulsions fébriles).
De nombreux micro-organismes forment des toxines dans le corps humain, des substances qui bloquent les canaux ioniques dans les cellules affectées, ce qui peut s'accompagner d'un déséquilibre de l'équilibre ionique et de la mort cellulaire. D’autres micro-organismes, au contraire, utilisent leurs toxines (perforines) pour former des canaux ioniques dans la membrane cellulaire. En particulier, la toxine du bacille du charbon, qui provoque une infection particulièrement dangereuse chez l'homme, attaque la cellule et forme de nouveaux pores (canaux) dans sa membrane par lesquels d'autres toxines pénètrent dans la cellule. L'action de ces toxines provoque la mort des cellules attaquées et une mortalité élevée dans cette maladie. Les scientifiques ont synthétisé une substance β-cyclodextrine, dont la structure spatiale est proche de la forme du canal résultant. Cette substance bloque les canaux formés par la toxine du micro-organisme, empêche l'entrée des toxines dans les cellules et sauve de la mort les animaux expérimentaux infectés par le charbon.
Canaux sodium indépendants de la tension
Canaux sodiques dépendants du ligand. Leur structure générale et leurs propriétés sont discutées ci-dessus dans la description des canaux ioniques dépendants du ligand. Ce type de canaux sodiques est largement représenté dans l'organisme par les canaux sodiques du récepteur cholinergique sensible à la nicotine de la membrane postsynaptique de la synapse neuromusculaire, les synapses interneurones du système nerveux central et du système nerveux autonome (neurones préganglionnaires et ganglionnaires). Les canaux sodiques ligand-dépendants sont localisés dans les membranes postsynaptiques d'autres synapses excitatrices (glutamate et aspartatergiques) du système nerveux central. Ils jouent un rôle crucial dans la génération du potentiel post-synaptique excitateur au niveau des synapses et dans la transmission des signaux entre neurones et entre neurones et cellules effectrices.
Les canaux sodiques ligand-dépendants de la membrane postsynaptique ne sont pas strictement sélectifs et peuvent être perméables simultanément à plusieurs ions : sodium et potassium, sodium et calcium.
Canaux sodium indépendants de la tension, contrôlés par des seconds messagers. L'état de ces canaux sodiques peut être contrôlé par le GMPc (photorécepteurs), l'AMPc (récepteurs olfactifs) et par les sous-unités de la protéine G (myocarde).
Canaux sodiques mécanosensibles. Présent dans les mécanorécepteurs des parois des vaisseaux sanguins, du cœur, des organes internes creux, des propriocepteurs des muscles striés et de la membrane des myocytes lisses. Avec leur participation aux récepteurs sensoriels, l'énergie de l'action mécanique est convertie en une oscillation de la différence de potentiel - le potentiel du récepteur.
Cordes de sodium passives. Contenu dans les membranes cytoplasmiques des cellules excitables. La perméabilité de ces canaux aux ions Na+ est faible, mais à travers eux, les ions Na diffusent selon un gradient de concentration depuis les espaces extracellulaires vers les cellules et dépolarisent quelque peu la membrane. Les canaux sodiques de la membrane cytoplasmique des myocytes lisses sont plus perméables. Ils la dépolarisent davantage (potentiel de repos d'environ 50 mV) que la membrane des myocytes des muscles striés (potentiel de repos d'environ 90 mV). Ainsi, les canaux sodiques passifs sont impliqués dans la formation du potentiel membranaire au repos.
Échangeurs de sodium. L'échangeur sodium-calcium, ou échangeur sodium-calcium, a été décrit précédemment et joue un rôle important dans l'élimination des ions calcium des cardiomyocytes contractiles.
Échangeur de protons sodium. Il s'agit d'un type spécial de protéine formant des canaux qui élimine les protons d'hydrogène des espaces intracellulaires en échange d'ions sodium entrant dans la cellule. L'élimination des protons est activée lorsque le pH de la cellule diminue.
La synthèse des protéines qui forment les canaux d'échange de sodium est contrôlée par cinq gènes, désignés NAH1 -NAH5.
Canaux potassiques
Il existe des canaux potassiques dépendants du potentiel et insensibles au potentiel. Parmi ces derniers, on distingue les canaux potassiques passifs, dépendants du ligand et autres. En règle générale, les canaux potassiques se trouvent dans les membranes des mêmes cellules et tissus qui contiennent des canaux sodiques. L'une des raisons d'un tel parallélisme dans la disposition de ces canaux ioniques est que les ions Na+ et K+ sont les cations les plus importants, dont la nature de la distribution et du mouvement détermine l'émergence et la modification des potentiels électriques comme l'une des formes les plus importantes. de transmission du signal d’information dans le corps.
Il existe toute une superfamille de canaux ioniques potassium, qui sont divisés selon les caractéristiques structurelles, la localisation et les propriétés des canaux en familles, types et sous-types distincts. Plus de trois douzaines de canaux potassiques ont été décrits et il n'est pas possible de donner leurs caractéristiques détaillées. Par conséquent, à titre d'exemples, des descriptions de ces familles et types de canaux ioniques qui sont principalement liés aux voies de signalisation et aux mécanismes de contrôle des processus nerveux et musculaires seront données.
Canaux potassiques passifs
On sait qu'à l'état de repos, les membranes des cellules excitables sont relativement perméables aux ions K et peu perméables aux ions Na+. Puisque les porteurs de courants électriques transmembranaires sont des ions, en mesurant le courant électrique circulant à travers la membrane cellulaire, on peut juger de l'état des canaux ioniques. Il s'est avéré que le courant électrique transmembranaire, provoqué par la diffusion des ions K le long du gradient de concentration depuis la cellule, est d'environ deux picoampères et a un caractère pulsé, et la durée moyenne de la pulsation est de plusieurs millisecondes. De cette observation, il a été conclu que les canaux potassiques dans une cellule au repos peuvent s'ouvrir et se fermer spontanément, fournissant ainsi les conditions nécessaires à la diffusion des ions K à travers eux depuis la cellule et à la formation d'un potentiel de repos sur la membrane.
Canaux potassiques dépendants du potentiel
L'existence de canaux potassiques tension-dépendants dans les membranes cellulaires des tissus excitables est devenue connue après avoir découvert que leur cinétique d'activation diffère de celle des canaux sodiques tension-dépendants et, de plus, qu'ils sont sélectivement bloqués par d'autres bloqueurs. Les canaux potassiques sont activés de la même manière que les canaux sodiques, lorsque la membrane cellulaire est dépolarisée à un niveau critique, mais en même temps, le taux de sortie des ions K+ de la cellule augmente beaucoup plus lentement que le taux d'entrée de Na+. ions dans la cellule.
Le filtre sélectif des canaux potassiques est situé à l'intérieur de l'embouchure des pores, contrairement à l'emplacement externe d'un filtre similaire dans les canaux sodiques (Fig. 7). L'existence d'une sélectivité de ces canaux vis-à-vis des cations Na+ et K+ et de divers bloqueurs spécifiques - tétrodotoxine (pour le sodium) et tétraéthylammonium (pour le potassium) - indique la structure différente de ces canaux.
Les canaux potassiques voltage-dépendants sont des tétramères et se composent de quatre sous-unités formant un pore au centre.
Les canaux potassiques voltage-dépendants sont localisés dans les membranes des cellules excitables et non excitables. Ils jouent un rôle important dans le taux de récupération (repolarisation) du potentiel membranaire après sa dépolarisation et, ainsi, dans le contrôle de la forme et de la fréquence de génération des potentiels d'action. Les canaux potassiques lents sont bloqués par le traéthylammonium, la 4-aminopyridine, la phencyclidine et la 9-aminoacridine.
Riz. 7. Canal potassique : a - gauche - structure bidimensionnelle de la sous-unité a ; à droite, un schéma du canal ; b — diagramme de diffraction électronique des canaux potassiques dans la membrane cytoplasmique.
En plus des canaux potassiques lents, des canaux potassiques rapides voltage-dépendants ont été décrits, dont la cinétique d'ouverture est similaire à celle des canaux sodium rapides voltage-dépendants. Ces canaux potassiques s'ouvrent rapidement lors de la dépolarisation, puis sont complètement inactivés, et leur réactivation nécessite non seulement une repolarisation de la membrane, mais aussi une hyperpolarisation pendant un certain temps.
Conformément aux noms des gènes codant pour la synthèse et l'assemblage de molécules formant des canaux, on distingue six types KCN avec les sous-types KCN A, B, C, E et une famille de canaux ioniques KCNQ. Les canaux de cette dernière famille sont exprimés dans le myocarde.
Canaux potassiques dépendants du ligand
Ils sont représentés par un grand nombre de canaux sensibles à l'action de différents ligands.
Un type de nombreux canaux potassiques dépendants du ligand est le canal associé au récepteur de l'acétylcholine sensible à la muscarine. Ces canaux sont activés par l'acétylcholine. Les canaux peuvent être bloqués par les ions bradykinine et baryum. Il existe deux sous-types de ces canaux : ceux inactivés par la muscarine et ceux activés par celle-ci. Cette dernière est localisée dans les cellules stimulateurs cardiaques du cœur.
Les propriétés d'un canal potassique dépendant du ligand sont possédées par des canaux cationiques non sélectifs et indépendants de la tension qui combinent les caractéristiques des canaux et des récepteurs de l'acétylcholine sensibles à la nicotine de la membrane postsynaptique de la synapse neuromusculaire. Lorsque la protéine formant un canal interagit avec l'acétylcholine, ce canal non sélectif s'ouvre, par lequel les ions Na+ entrent dans la cellule musculaire et les ions K en sortent. Les différentes vitesses de mouvement de ces ions assurent l'apparition d'une dépolarisation de la membrane postsynaptique, qui ne se développe pas en potentiel d'action directement sur cette membrane.
Des canaux potassiques sensibles à l'ATP, inhibés et activés par l'action de l'ATP, ont été identifiés.
Une famille distincte de canaux potassiques comprend ce que l'on appelle les canaux potassiques de rectification d'entrée (portes) ou redresseurs d'entrée. (vers l'intérieurrectifier; vers l'intérieurredresseur). Il n’y a pas de capteur de tension dans le mécanisme de déclenchement du canal potassique redresseur. L'importance fonctionnelle de ces canaux réside dans leur influence sur l'excitabilité des cellules du stimulateur cardiaque, des cellules musculaires et des neurones.
La famille des canaux potassiques entrants rectifiants, selon les noms des gènes qui les codent, est divisée en plus de 15 types. Un exemple de l'importance spécifique de la rectification des canaux potassiques d'entrée et, en particulier, des canaux KCNJ 3, 5, 6 et 9 (une autre désignation des canaux Kir) peut être leur rôle spécifique dans la régulation de la fréquence cardiaque par l'association de ces canaux avec G. récepteurs cellulaires de l'acétylcholine sensibles aux protéines et à la muscarine - stimulateurs cardiaques.
Des canaux potassiques activés par le sodium, insensibles au voltage, sont connus.
Des canaux potassiques spéciaux insensibles au voltage, sensibles aux changements de pH, sont décrits, qui sont présents dans les cellules β des îlots pancréatiques et y agissent comme un capteur de glucose. Les canaux potassiques sont également connus pour être sensibles aux changements de volume cellulaire.
Canaux calciques
La famille des canaux calciques est largement représentée dans les cellules des tissus nerveux et musculaires. Les principaux lieux de localisation sont les membranes des terminaisons présynaptiques du réticulum sarcoplasmique et endoplasmique des muscles, le sarcolemme des cardiomyocytes et les membranes des cellules d'autres tissus.
Sur la base des méthodes de contrôle de la perméabilité, les canaux calciques sont divisés en dépendants de la tension, passifs, dépendants du ligand, mécanosensibles, etc.
Les canaux calciques sont divisés selon le taux d'inactivation en canaux de type T ( transitoire- transitoire), type L (lent). En fonction de l'affiliation tissulaire et de la sensibilité aux toxines, on distingue des canaux de type B (cerveau- cerveau), type N (neuronal- neuronal), type P (purkinjecellule- Cellule de Purkinje) et de type R (résistant aux toxines).
Canaux calciques voltage-dépendants
Ils sont formés par une protéine oligomère, généralement constituée de cinq sous-unités a1, a2, β, y et δ. Le canal ionique lui-même est formé par la sous-unité α, qui présente un degré élevé de similitude dans la composition et la structure des acides aminés avec une sous-unité similaire de canaux sodiques et potassiques voltage-dépendants (voir Fig. 6, Fig. 7).
Le canal calcique voltage-dépendant est sélectivement perméable aux ions Ca 2+. La sélectivité est assurée par la présence d'un pore qui forme un filtre sélectif.
C'est l'heure formé par des segments de la sous-unité a 1, par conséquent, étant donné la similitude de sa structure avec celle des canaux cationiques monovalents, on pourrait s'attendre à ce que le canal calcique soit perméable aux ions Na+ et K+. Cette propriété se produit en réalité lorsque le calcium est éliminé de l’environnement extracellulaire.
En conditions naturelles, la sélectivité envers le calcium est assurée dans le canal par la présence de deux sites de liaison du calcium dans le pore du canal. L'un d'eux est formé par un groupe de résidus glutamate et, à une faible concentration de calcium, il se lie fortement à cette zone du pore du canal et le canal au calcium devient faiblement perméable. À mesure que la concentration de calcium augmente, la probabilité que le calcium occupe un deuxième site de liaison augmente ; les forces de répulsion électrostatiques résultantes entre les ions Ca 2+ réduisent considérablement le temps de séjour des ions sur les sites de liaison. Le calcium libéré se diffuse à travers le canal activé dans la cellule selon un gradient électrochimique.
Les canaux calciques voltage-dépendants diffèrent par les valeurs seuils des changements de différence de potentiel auxquels ils sont activés. Les canaux de type T sont activés par de petits décalages de tension sur la membrane, les types L et P sont caractérisés par des seuils de décalage de tension élevés qui provoquent leur activation.
Les canaux calciques voltage-dépendants jouent un rôle important dans un certain nombre de processus vitaux du corps. Leur activation et l'entrée du calcium dans la terminaison présynaptique sont nécessaires à la transmission du signal synaptique.
L'entrée du calcium par les canaux calciques dans la cellule stimulateur cardiaque est nécessaire pour générer des potentiels d'action dans les cellules stimulateurs cardiaques du cœur et assurer sa contraction rythmique. Les canaux calciques dépendants de la tension régulent le flux de calcium dans le sarcoplasme des fibres du myocarde, des muscles squelettiques, des myocytes lisses des vaisseaux sanguins et des organes internes, contrôlant l'initiation, la vitesse, la force, la durée de leur contraction et donc le mouvement, la fonction de pompage du cœur, tension artérielle, respiration et de nombreux autres processus du corps.
Canaux calciques passifs
Trouvé dans les membranes cytoplasmiques des myocytes lisses. Ils sont perméables au calcium au repos, et le calcium, avec les ions K+ et Na+, participe à la création de la différence de potentiel transmembranaire ou potentiel de repos des myocytes lisses. Le calcium pénétrant dans le myocyte lisse par ces canaux est une source de reconstitution de ses réserves dans le réticulum endoplasmique et est utilisé comme messager secondaire dans la transmission des signaux intracellulaires.
Le calcium au repos peut se déplacer de cellule en cellule via les canaux de jonction lacunaire. Ces canaux ne sont pas sélectifs pour le calcium et des échanges intercellulaires d'autres ions et substances organiques de faible poids moléculaire peuvent se produire simultanément à travers eux. Le calcium entrant dans les cellules par les canaux de jonction lacunaire joue un rôle important dans l'apparition de l'excitation, l'initiation et la synchronisation des contractions du myocarde, de l'utérus, des sphincters des organes internes et dans le maintien du tonus vasculaire.
Canaux calciques dépendants du ligand
Lors de l'étude des mécanismes de déclenchement et de régulation des contractions du myocarde et des muscles lisses, il s'est avéré qu'elles dépendent de l'apport de calcium au myocyte à la fois à partir de l'environnement extracellulaire et de ses réserves intracellulaires. Dans ce cas, l'entrée du calcium dans le sarcoplasme peut être contrôlée par une modification de la différence de potentiel sur le sarcolemme et l'activation de canaux calciques dépendants du potentiel et (ou) l'action d'un certain nombre de molécules de signalisation sur la membrane du réticulum sarcoplasmique. .
Les canaux calciques ligand-dépendants sont localisés dans les membranes cytoplasmiques des myocytes lisses. Les ligands de leurs récepteurs peuvent être des hormones : vasopressine, ocytocine, adrénaline ; le neurotransmetteur norépinéphrine; molécules de signalisation : angiotensine 2, endothélium 1 et autres substances. La liaison du ligand au récepteur s'accompagne de l'activation du canal calcique et de l'entrée de calcium dans la cellule depuis l'environnement extracellulaire.
Dans les cardiomyocytes, pour initier la contraction musculaire, il faut d'abord activer les canaux calciques voltage-dépendants de type T, puis de type L, dont l'ouverture assure l'entrée d'une certaine quantité d'ions Ca 2+ dans la cellule . Le calcium entrant dans la cellule active le récepteur de la ryanodine (RYR), une protéine formant des canaux intégrée dans la membrane du réticulum sarcoplasmique du cardiomyocyte. Suite à l'activation du canal, sa perméabilité au calcium augmente et celui-ci se diffuse dans le sarcoplasme selon le gradient de concentration. Ainsi, les ions Ca 2+ agissent comme une sorte de ligands qui activent les récepteurs de la ryanodine et donc les canaux calciques. En conséquence, le calcium extracellulaire entrant dans la cellule agit comme un déclencheur de la libération du calcium de son principal stockage intracellulaire.
Les canaux calciques peuvent être simultanément sensibles aux changements de différences de potentiel à travers la membrane cytoplasmique et à l'action des ligands. Par exemple, les canaux calciques voltage-dépendants de type L sont sensibles à la dihydropyridine (nifédipine), aux phénylalkylamines (vérapamil) et aux benzothiazépines (diltiazem). Ce type de canal est souvent appelé récepteur de la dihydropyridine. Ce nom suggère que le canal L-calcium est dépendant du ligand, bien qu'en réalité il s'agisse d'un canal dépendant du potentiel.
Les canaux de type P résistent à l'action des conogoxines et des médicaments auxquels d'autres types de canaux calciques sont sensibles.
Les propriétés fonctionnelles des sous-unités α1 des canaux calciques voltage-dépendants peuvent être modulées par leur phosphorylation, et ainsi l'état de perméabilité ionique des canaux calciques, par exemple dans le myocarde, peut être régulé.
Un type particulier de canaux ioniques calciques ligand-dépendants sont des canaux localisés dans les membranes du réticulum endoplasmique des cellules musculaires lisses, dont l'état de perméabilité est contrôlé par le niveau intracellulaire du messager secondaire, IPG. En utilisant ces canaux comme exemple, nous rencontrons un cas où une molécule-agoniste de signalisation extracellulaire, activant le récepteur de la membrane plasmique de la cellule musculaire lisse cible, active la voie de l'inositol phosphate de transmission du signal intracellulaire, qui à son tour, à travers le L'action de l'IPE active la prochaine protéine formant un canal dans la membrane de l'organite cellulaire. Toute cette chaîne d'événements de transmission de signaux se termine par la libération d'ions Ca 2+ des réserves intracellulaires, qui déclenchent et contrôlent le mécanisme moléculaire de contraction des cellules musculaires lisses.
Canaux calciques mécanosensibles
Ils sont localisés dans la membrane plasmique des myocytes lisses des parois des vaisseaux sanguins, de la myoite des organes internes, de l'endothélium vasculaire et de l'épithélium bronchique. Ces canaux peuvent être associés à des mécanorécepteurs glycoprotéiques. En réponse à un stress mécanique (par exemple, étirement de la paroi vasculaire par la pression artérielle), la perméabilité aux ions Ca 2+ augmente. Les canaux mécanosensibles n'ont pas une grande sélectivité et changent simultanément de perméabilité pour un certain nombre de cations. L'entrée de calcium et de sodium dans une cellule musculaire lisse provoque une dépolarisation de sa membrane, l'ouverture de canaux calciques voltage-dépendants, une augmentation de l'entrée de calcium et une contraction du myocyte lisse.
Ces événements font partie du mécanisme d'adaptation du tonus vasculaire et de régulation du flux sanguin aux valeurs changeantes de la pression artérielle dans le vaisseau et de la vitesse du flux sanguin (régulation myogénique). De plus, les canaux calciques mécanosensibles sont impliqués dans la mise en œuvre de mécanismes de stress-relaxation vasculaire lors d'augmentations prolongées de la pression artérielle.
Canaux de chlore
Les canaux chlorure sont présents dans les membranes plasmiques de la plupart des cellules. Ils jouent un rôle important dans le maintien de la différence de potentiel transmembranaire dans une cellule au repos et dans leurs déplacements lorsque l'activité fonctionnelle des cellules change. Les canaux chlorure sont impliqués dans la régulation du volume cellulaire, le transport transépithélial de substances et la sécrétion de fluides par les cellules sécrétoires.
Conformément aux mécanismes d'activation, trois superfamilles de canaux chlore sont distinguées : les canaux chlore voltage-dépendants, ligand-dépendants et autres canaux chlore insensibles au voltage.
Canaux de chlore potentiellement dépendants. Localisé dans les membranes des cellules excitables et épithéliales. L'état de perméabilité de ces canaux est contrôlé par l'ampleur de la différence de potentiel transmembranaire.
La perméabilité dépendante potentielle des canaux chlorure varie selon les tissus. Ainsi, dans la membrane axonale, la dépendance de la perméabilité des canaux chlore à la différence de potentiel est insignifiante et n'affecte pas de manière significative la modification de l'ampleur du potentiel d'action lors de l'excitation, et dans les muscles squelettiques, cette dépendance de la perméabilité des canaux chlore est plus élevé.
Le canal CLC1 est un représentant typique des canaux chlorure de la fibre musculaire sarcolemme du muscle squelettique. Le canal présente une perméabilité sur toute la plage de changements de tension transmembranaire au repos, est activé lors de la dépolarisation et inactivé lors de l'hyperpolarisation membranaire.
Canaux chlorure dépendants du ligand. Principalement exprimé dans le tissu nerveux. L'état de perméabilité de ces canaux chlorure est contrôlé principalement par des ligands extracellulaires, mais ils peuvent être sensibles aux concentrations intracellulaires de calcium et activés par les protéines G et l'AMPc. Les canaux de ce type sont largement distribués dans les membranes postsynaptiques et sont utilisés pour réaliser l'inhibition postsynaptique. L'état de perméabilité des canaux est contrôlé en activant les canaux avec des ligands, des neurotransmetteurs inhibiteurs (acide γ-aminobutyrique et glycine).
Canaux de chlore insensibles à la tension. Comprend des canaux chlorure passifs, des canaux sensibles à l'ATP et un régulateur de conductance transmembranaire de fibrose interstitielle (cystiquefibrosetransmembranaireconductancerégulateur- CFTR).
CFTR se compose apparemment du canal chlore lui-même et d'un canal régulateur représenté par un domaine régulateur spécial (domaine P). La régulation de la conductance ionique de ces canaux est réalisée par phosphorylation du domaine régulateur par la protéine kinase AMPc-dépendante. La violation de la structure et de la fonction de ce canal conduit au développement d'une maladie grave accompagnée d'un dysfonctionnement de nombreux tissus - la fibrose interstitielle.
Aquaporines
Aquaporines(de lat. aqua- eau, grec poreux- canal, pore) - protéines qui forment des canaux d'eau et assurent le transfert transmembranaire de l'eau. Les aquaporines sont des protéines membranaires tétramères intégrales, dont le monomère a une masse d'environ 30 kDa. Ainsi, chaque aquaporine forme quatre canaux d'eau (Fig. 8).
Une particularité de ces canaux est que les molécules d'eau qu'ils contiennent peuvent se déplacer dans des conditions isosmotiques, c'est-à-dire lorsqu'ils ne sont pas affectés par les forces du gradient osmotique. L'abréviation AQP est utilisée pour désigner les aquaporines. Un certain nombre de types d'aquaporines ont été isolés et décrits : AQP1 - dans les membranes épithéliales des tubules rénaux proximaux, la partie descendante de l'anse de Henle ; dans les membranes de l'endothélium et les myocytes lisses des vaisseaux sanguins, dans les structures du corps vitré ; AQP2 - dans les membranes de l'épithélium des canaux collecteurs. Cette aquaporine s'est révélée sensible à l'action de l'hormone antidiurétique et, sur cette base, elle peut être considérée comme un canal hydrique dépendant du ligand. L'expression du gène qui contrôle la synthèse de cette aquaporine est régulée par l'hormone antidiurétique ; AQP3 se trouve dans les membranes des cellules cornéennes ; AQP4 - dans les cellules cérébrales.
Riz. 8. Structure du canal hydrique AQP1 : a - chaînes peptidiques formant le canal ; b — canal assemblé : A, B, C, D, E — sections de la chaîne protéique
Il s’est avéré que AQP1 et AQP4 jouent un rôle important dans la formation et la circulation du liquide céphalo-rachidien. Les aquaporines se trouvent dans l'épithélium du tractus gastro-intestinal : AQP4 - dans l'estomac et l'intestin grêle ; AQP5 - dans les glandes salivaires ; AQP6 - dans l'intestin grêle et le pancréas ; AQP7 - dans l'intestin grêle ; AQP8, AQP9 - dans le foie. Certaines aquaporines transportent non seulement des molécules d'eau, mais aussi des substances organiques qui y sont solubles (oxygène, glycérol, urée). Ainsi, les aquaporines jouent un rôle important dans le métabolisme de l'eau dans l'organisme, et la perturbation de leur fonction peut être l'une des raisons de la formation d'œdèmes cérébraux et pulmonaires et du développement d'une insuffisance rénale et cardiaque.
La connaissance des mécanismes de transport des ions à travers les membranes et des méthodes permettant d'influencer ce transport est une condition indispensable non seulement pour comprendre les mécanismes de régulation des fonctions vitales, mais aussi pour le bon choix de médicaments dans le traitement d'un grand nombre de maladies (hypertension , asthme bronchique, arythmies cardiaques, troubles des échanges eau-sel, etc.).
Pour comprendre les mécanismes de régulation des processus physiologiques dans le corps, il est nécessaire de connaître non seulement la structure et la perméabilité des membranes cellulaires à diverses substances, mais également la structure et la perméabilité de formations structurelles plus complexes situées entre le sang et les tissus de divers organes.
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