Câte tipuri de canale de clorură sunt cunoscute? Diversitatea și proprietățile canalelor ionice. Fiziologia țesuturilor excitabile
Structura și funcțiile canalelor ionice. Ionii Na + , K + , Ca 2+ , Cl - pătrund în celulă și ies prin canale speciale umplute cu lichid. Dimensiunea canalelor este destul de mică (diametru 0,5-0,7 nm). Calculele arată că suprafața totală a canalelor ocupă o parte nesemnificativă a suprafeței membranei celulare.
Funcția canalelor ionice este studiată în diferite moduri. Cea mai comună este metoda clemei de tensiune, sau „clemă de tensiune” (Fig. 2.2). Esența metodei este că, cu ajutorul unor sisteme electronice speciale, potențialul membranei este modificat și fixat la un anumit nivel în timpul experimentului. În acest caz, se măsoară mărimea curentului ionic care curge prin membrană. Dacă diferența de potențial este constantă, atunci, în conformitate cu legea lui Ohm, mărimea curentului este proporțională cu conductivitatea canalelor ionice. Ca răspuns la depolarizarea treptată, anumite canale se deschid și ionii corespunzători intră în celulă de-a lungul unui gradient electrochimic, adică apare un curent ionic care depolarizează celula. Această modificare este detectată de un amplificator de control și trece un curent electric prin membrană, egală ca mărime, dar opusă ca direcție curentului ionic al membranei. În acest caz, diferența de potențial transmembranar nu se modifică. Utilizarea combinată a clemei de tensiune și a blocanților specifici de canale ionice a condus la descoperirea diferitelor tipuri de canale ionice în membrana celulară.
În prezent, au fost instalate multe tipuri de canale pentru diverși ioni (Tabelul 2.1). Unele dintre ele sunt foarte specifice, în timp ce altele, pe lângă ionul principal, pot permite altor ioni să treacă.
Studierea funcției canalelor individuale este posibilă utilizând metoda de fixare locală a potențialului „traiectorie”; orez. 2.3, A). Un microelectrod de sticlă (micropipet) este umplut cu soluție salină, apăsat pe suprafața membranei și se creează un ușor vid. În acest caz, o parte a membranei este aspirată de microelectrod. Dacă în zona de aspirație apare un canal ionic, atunci se înregistrează activitatea unui singur canal. Sistemul de iritare și înregistrarea activității canalului diferă puțin de sistemul de înregistrare a tensiunii.
Tabelul 2.1. Cele mai importante canale ionice și curenți ionici ai celulelor excitabile
Notă. TEA - tetraetilamoniu; TTX - tetrodotoxină.
Partea exterioară a canalului este relativ accesibilă pentru studiu; studierea părții interioare prezintă dificultăți semnificative. P. G. Kostyuk a dezvoltat o metodă de dializă intracelulară, care permite studierea funcției structurilor de intrare și de ieșire ale canalelor ionice fără utilizarea de microelectrozi. S-a dovedit că partea canalului ionic deschisă către spațiul extracelular diferă în proprietățile sale funcționale de partea canalului care se confruntă cu mediul intracelular.
Canalele ionice oferă două proprietăți importante ale membranei: selectivitatea și conductivitatea.
Selectivitate sau selectivitate, canalul este asigurat de structura sa proteică specială. Majoritatea canalelor sunt controlate electric, adică capacitatea lor de a conduce ionii depinde de mărimea potențialului membranei. Canalul este eterogen în caracteristicile sale funcționale, în special în ceea ce privește structurile proteice situate la intrarea în canal și la ieșirea acestuia (așa-numitele mecanisme de poartă).
5. Conceptul de excitabilitate. Parametrii de excitabilitate ai sistemului neuromuscular: pragul de iritație (reobază), timpul util (cronaxia). Dependența puterii iritației de timpul acțiunii sale (curba Goorweg-Weiss). Refractaritatea.
Excitabilitate– capacitatea unei celule de a răspunde la iritare formând un potențial de acțiune și o reacție specifică.
1) faza de răspuns local – depolarizarea parțială a membranei (intrarea Na + în celulă). Dacă aplicați un mic stimul, răspunsul este mai puternic.
Depolarizarea locală este faza de exaltare.
2) faza de refractare absolută - proprietatea țesuturilor excitabile de a nu forma AP sub nicio putere de stimul
3) faza de refractare relativă.
4) faza de repolarizare lentă - iritație - din nou un răspuns puternic
5) faza de hiperpolarizare – excitabilitatea este mai mică (subnormală), stimulul ar trebui să fie mare.
Labilitate funcțională– evaluarea excitabilității tisulare prin numărul maxim posibil de AP pe unitatea de timp.
Legile excitatiei:
1) legea forței - puterea stimulului trebuie să fie prag sau supraprag (cantitatea minimă de forță care provoacă excitația). Cu cât stimulul este mai puternic, cu atât excitația este mai puternică - numai pentru asocierile tisulare (trunchi nervos, mușchi, excepție - SMC).
2) legea timpului - durata stimulului curent trebuie să fie suficientă pentru apariția excitației.
Există o relație invers proporțională între forță și timp în limitele dintre timpul minim și forța minimă. Forța minimă - reobază - este o forță care provoacă excitație și nu depinde de durată. Timpul minim este timp util. Cronaxia este excitabilitatea unui anumit țesut; momentul în care are loc excitația este egal cu două reobaze.
Cu cât forța este mai mare, cu atât este mai mare răspunsul până la o anumită valoare.
Factorii care creează MPP:
1) diferența de concentrații de sodiu și potasiu
2) permeabilitate diferită pentru sodiu și potasiu
3) funcționarea pompei Na-K (se îndepărtează 3 Na +, se returnează 2 K +).
Relația dintre puterea stimulului și durata impactului acestuia, necesară pentru apariția unui răspuns minim al unei structuri vii, poate fi urmărită foarte clar pe așa-numita curbă forță-timp (curba Goorweg-Weiss-Lapik) .
Din analiza curbei rezultă că, oricât de mare ar fi puterea stimulului, dacă durata influenței acestuia este insuficientă, nu va exista niciun răspuns (punctul din stânga ramului ascendent al hiperbolei). Un fenomen similar este observat cu expunerea prelungită la stimuli subprag. Curentul (sau tensiunea) minim capabil să provoace excitație se numește reobază de către Lapik (segmentul ordonat OA). Cea mai scurtă perioadă de timp în care un curent egal cu puterea dublă a reobazei provoacă excitație în țesut se numește cronaxie (segment de abscisă OF), care este un indicator al duratei pragului de iritație. Cronaxia este măsurată în δ (miimi de secundă). Mărimea cronaxiei poate fi folosită pentru a judeca rata la care are loc excitația în țesut: cu cât cronaxia este mai mică, cu atât are loc excitația mai rapidă. Cronaxia fibrelor nervoase și musculare umane este egală cu miimi și zece miimi de secundă, iar cronaxia așa-numitelor țesuturi lente, de exemplu, fibrele musculare ale stomacului unei broaște, este de sutimi de secundă.
Determinarea cronaxiei țesuturilor excitabile a devenit larg răspândită nu numai în experiment, ci și în fiziologia sportului și în clinică. În special, măsurând cronaxia musculară, un neurolog poate determina prezența leziunilor nervilor motori. Trebuie remarcat faptul că stimulul poate fi destul de puternic, are o durată de prag, dar o rată scăzută de creștere în timp până la valoarea de prag; în acest caz, excitația nu are loc. Adaptarea țesutului excitabil la un stimul care crește încet se numește acomodare. Acomodarea se datorează faptului că în timpul creșterii puterii stimulului, schimbările active au timp să se dezvolte în țesut, crescând pragul de iritație și prevenind dezvoltarea excitației. Astfel, rata de creștere a stimulării în timp, sau gradientul de stimulare, este esențială pentru apariția excitației.
Legea gradientului de iritație. Reacția unei formațiuni vii la un stimul depinde de gradientul de stimulare, adică de urgența sau abruptul creșterii stimulului în timp: cu cât gradientul de stimulare este mai mare, cu atât este mai puternic (până la anumite limite) răspunsul formațiunea excitabilă.
În consecință, legile stimulării reflectă relația complexă dintre stimul și structura excitabilă în timpul interacțiunii lor. Pentru ca excitația să apară, stimulul trebuie să aibă o putere de prag, să aibă o durată de prag și să aibă o anumită rată de creștere în timp.
6. Pompe ionice (ATPaze): K+-Na+-e, Ca2+-e (plasmolema si reticulul sarcoplasmatic), schimbator H+-K+.
Conform conceptelor moderne, membranele biologice conțin pompe de ioni care funcționează folosind energia liberă a hidrolizei ATP - sisteme speciale de proteine integrale (ATPaze de transport).
În prezent, sunt cunoscute trei tipuri de pompe ionice electrogenice care transportă activ ionii prin membrană (Fig. 13).
Transferul ionilor prin ATPazele de transport are loc datorită cuplării proceselor de transfer cu reacțiile chimice, datorită energiei metabolismului celular.
Când K+-Na+-ATPaza funcționează, doi ioni de potasiu sunt transferați în celulă datorită energiei eliberate în timpul hidrolizei fiecărei molecule de ATP și trei ioni de sodiu sunt pompați simultan din celulă. Aceasta creează o concentrație crescută de ioni de potasiu în celulă în comparație cu mediul intercelular și o concentrație scăzută de sodiu, care are o mare importanță fiziologică.
Semne ale unei „biopompe”:
1. Mișcare împotriva gradientului de potențial electrochimic.
2. fluxul de materie este asociat cu hidroliza ATP (sau a altei surse de energie).
3. asimetria vehiculului de transport.
4. Pompa in vitro este capabilă să hidrolice ATP numai în prezența acelor ioni pe care îi transportă in vivo.
5. Când pompa este încorporată într-un mediu artificial, este capabilă să mențină selectivitatea.
Mecanismul molecular de funcționare al ATPazelor ionice nu este pe deplin înțeles. Cu toate acestea, principalele etape ale acestui proces enzimatic complex pot fi urmărite. În cazul K+-Na+-ATPazei, există șapte etape de transfer ionic asociate cu hidroliza ATP.
Diagrama arată că etapele cheie ale enzimei sunt:
1) formarea unui complex enzimatic cu ATP pe suprafața interioară a membranei (această reacție este activată de ionii de magneziu);
2) legarea a trei ioni de sodiu de către complex;
3) fosforilarea enzimei cu formarea de adenozin difosfat;
4) revoluția (flip-flop) a enzimei în interiorul membranei;
5) reacția de schimb de ioni de sodiu cu potasiu, care are loc pe suprafața exterioară a membranei;
6) revoluția inversă a complexului enzimatic cu transferul ionilor de potasiu în celulă;
7) revenirea enzimei la starea inițială cu eliberarea de ioni de potasiu și fosfat anorganic (P).
Astfel, în timpul unui ciclu complet, trei ioni de sodiu sunt eliberați din celulă, citoplasma este îmbogățită cu doi ioni de potasiu și are loc hidroliza unei molecule de ATP.
12. Canale ionice...
Un canal ionic este format din mai multe subunități; numărul acestora într-un canal ionic individual variază de la 3 la 12 subunități. În ceea ce privește organizarea lor, subunitățile incluse în canal pot fi omoloage (de același tip); un număr de canale sunt formate din subunități de diferite tipuri.
Fiecare dintre subunități constă din mai multe (trei sau mai multe) segmente transmembranare (părți nepolare răsucite în elice α), bucle extra și intracelulare și secțiuni terminale ale domeniilor (reprezentate de regiunile polare ale moleculelor care formează domeniul și ies dincolo de stratul bilipid al membranei) .
Fiecare dintre segmentele transmembranare, buclele extra și intracelulare și secțiunile terminale ale domeniilor își îndeplinește propria funcție.
Astfel, segmentul transmembranar 2, organizat sub forma unui α-helix, determină selectivitatea canalului.
Secțiunile terminale ale domeniului acționează ca senzori pentru liganzii extra și intracelulari, iar unul dintre segmentele transmembranare joacă rolul unui senzor dependent de tensiune.
Cele trei segmente transmembranare din subunitate sunt responsabile pentru funcționarea sistemului de canale de deschidere etc.
Canalele ionice operează prin mecanismul difuziei facilitate. Mișcarea ionilor prin ei atunci când canalele sunt activate urmează un gradient de concentrație. Viteza de mișcare prin membrană este de 10 ioni pe secundă.
Specificitatea canalelor ionice.
Majoritatea sunt selective, adică. canale care permit trecerea unui singur tip de ion (canale de sodiu, canale de potasiu, canale de calciu, canale anionice).
Selectivitatea canalului.
Selectivitatea canalului este determinată de prezența unui filtru selectiv.
Rolul său este jucat de secțiunea inițială a canalului, care are o anumită sarcină, configurație și dimensiune (diametru), care permite doar un anumit tip de ioni să treacă în canal.
Unele dintre canalele ionice sunt neselective, cum ar fi canalele de scurgere. Acestea sunt canale membranare prin care ionii K + părăsesc celula în repaus de-a lungul unui gradient de concentrație, dar prin aceste canale o cantitate mică de ioni Na + intră și în celula în repaus de-a lungul unui gradient de concentrație.
Senzor canal ionic.
Senzorul canalului ionic este partea sensibilă a canalului care percepe semnalele, a căror natură poate fi diferită.
Pe această bază, se disting următoarele:
canale ionice dependente de tensiune;
canale ionice dependente de receptor;
dependent de ligand (dependent de ligand);
controlat mecanic (dependent mecanic).
Canalele care au un senzor se numesc controlate. Unele canale nu au senzor. Astfel de canale sunt numite incontrolabile.
Sistem de poartă cu canale ionice.
Canalul are o poartă care este închisă când este în repaus și se deschide când este expus la un semnal. Unele canale au două tipuri de porți: activare (m-gate) și inactivare (h-gate).
Există trei stări ale canalelor ionice:
o stare de repaus când poarta este închisă și canalul este inaccesibil ionilor;
starea de activare, când sistemul de poartă este deschis și ionii se deplasează prin membrană de-a lungul canalului;
o stare de inactivare când canalul este închis și nu răspunde la stimuli.
Viteza de conducere (conducție).
Există canale rapide și lente. Canalele de „scurgere” sunt lente, canalele de sodiu din neuroni sunt rapide.
Membrana oricărei celule conține un set mare de diverse canale ionice (în termeni de viteză), a căror activare determină starea funcțională a celulelor.
Canale controlate de tensiune.
Canalul controlat de tensiune este format din:
filtru selectiv;
porți de activare și inactivare;
senzor de tensiune.
porii umpluți cu apă;
Diametrul canalului este semnificativ mai mare decât diametrul ionului; în zona filtrului selectiv se îngustează la dimensiuni atomice, ceea ce asigură că această secțiune a canalului îndeplinește funcția de filtru selectiv.
Deschiderea și închiderea mecanismului de poartă are loc atunci când potențialul de membrană se modifică, poarta deschizându-se la o valoare a potențialului de membrană și închidendu-se la un nivel diferit de potențial de membrană.
Se crede că modificările câmpului electric al membranei sunt detectate de o secțiune specială a peretelui canalului, care se numește senzor de tensiune.
O modificare a stării sale, cauzată de o modificare a nivelului potențialului membranar, determină conformarea moleculelor proteice care formează canalul și, drept consecință, duce la deschiderea sau închiderea porții canalului ionic.
Canalele (sodiu, calciu, potasiu) au patru domenii omoloage - subunități (I, II, III, IV). Domeniul (folosind exemplul canalelor de sodiu) constă din șase segmente transmembranare organizate sub formă de elice α, fiecare dintre acestea având un rol diferit.
Astfel, segmentul transmembranar 5 joacă rolul unui por, segmentul transmembranar 4 este un senzor care răspunde la modificările potențialului membranei, alte segmente transmembranare sunt responsabile pentru activarea și inactivarea sistemului de poartă al canalului. Rolul segmentelor și subunităților transmembranare individuale nu este pe deplin înțeles.
Canalele de sodiu (diametrul intern 0,55 nm) sunt prezente în celulele țesuturilor excitabile. Densitatea pe 1 micron 2 nu este aceeași în diferite țesuturi.
Astfel, în fibrele nervoase nemielinizate este de 50-200 de canale, iar în fibrele nervoase mielinice (nodurile lui Ranvier) - 13.000 pe 1 µm 2 suprafață membranară. În repaus sunt închise. Potențialul membranei este de 70-80 mV.
Expunerea la un stimul modifică potențialul membranei și activează canalul de sodiu dependent de tensiune.
Este activat atunci când potențialul membranei se deplasează de la nivelul potențialului de repaus către nivelul critic de depolarizare.
Un curent puternic de sodiu schimbă potențialul membranei la un nivel critic de depolarizare (CDL).
Modificarea potențialului membranei la -50-40 mV, adică la nivelul unui nivel critic de depolarizare, determină deschiderea altor canale Na + dependente de tensiune, prin care se realizează curentul de sodiu de intrare, formând „vârful” potențialului de acțiune.
Ionii de sodiu de-a lungul gradientului de concentrație și gradientul chimic de-a lungul canalului se deplasează în celulă, formând așa-numitul curent de sodiu de intrare, ceea ce duce la dezvoltarea rapidă în continuare a procesului de depolarizare.
Potențialul membranei își schimbă semnul opus +10-20 mV. Un potențial membranar pozitiv determină închiderea canalelor de sodiu, inactivarea acestora.
Canalele No+ dependente de tensiune joacă un rol principal în formarea potențialului de acțiune, de exemplu. proces de excitare în celulă.
Ionii de calciu împiedică deschiderea canalelor de sodiu dependente de tensiune, modificând parametrii de răspuns.
LA + -canale
Canalele de potasiu (diametrul intern 0,30 nm) sunt prezente în membranele citoplasmatice; au fost detectate un număr semnificativ de canale de „scurgere” de potasiu din celulă.
În repaus sunt deschise. Prin ele, în stare de repaus, potasiul „se scurge” din celulă de-a lungul unui gradient de concentrație și a unui gradient electrochimic.
Acest proces este denumit curent de potasiu de ieșire, care duce la formarea unui potențial de membrană de repaus (-70-80 mV). Aceste canale de potasiu pot fi clasificate doar condiționat ca dependente de tensiune.
Când potențialul membranei se modifică în timpul depolarizării, curentul de potasiu este inactivat.
În timpul repolarizării, se formează un curent K+ de intrare prin canale cu potenţial declanşat, care se numeşte curent de rectificare întârziat K+.
Un alt tip de canale K + dependente de tensiune. Un curent de potasiu de ieșire rapid apare de-a lungul acestora în regiunea subprag a potențialului de membrană (potenţial de urme pozitive). Inactivarea canalului apare din cauza hiperpolarizării urmei.
Un alt tip de canale de potasiu dependente de tensiune este activat numai după o hiperpolarizare preliminară; formează un curent rapid de potasiu tranzitoriu care este rapid inactivat.
Ionii de calciu facilitează deschiderea canalelor de potasiu dependente de tensiune, modificând parametrii de răspuns.
Ca + -canale.
Canalele dependente de tensiune au o contribuție semnificativă atât la reglarea intrării calciului în citoplasmă, cât și la electrogeneza.
Proteinele care formează canalele de calciu constau din cinci subunități (al,a2,b,g,d).
Subunitatea principală formează canalul în sine și conține locuri de legare pentru diverși modulatori ai canalelor de calciu.
În celulele nervoase de mamifere au fost descoperite mai multe subunități ale canalelor de calciu α distincte structural (denumite A, B, C, D și E).
Din punct de vedere funcțional, diferitele tipuri de canale de calciu diferă unele de altele prin activare, cinetică, conductanță pe un singur canal și farmacologie.
Până la șase tipuri de canale de calciu dependente de tensiune au fost descrise în celule (canale T - , L - , N - , P - , Q - , R - canale).
Activitatea canalelor tensionate ale membranei plasmatice este reglată de diverși mesageri secundari intracelulari și proteine G legate de membrană.
Canalele de calciu dependente de tensiune se găsesc în cantități mari în membranele citoplasmatice ale neuronilor, miocitele mușchilor netezi, striați și cardiaci și în membranele reticulului endoplasmatic.
Canalele SPR Ca 2+ sunt proteine oligomerice încorporate în membrana SPR.
Ca 2+ - controlat de Sa 2+ - Canale SPR.
Aceste canale de calciu au fost mai întâi izolate din mușchiul scheletic și cardiac.
S-a dovedit că canalele SPR Ca 2+ din aceste țesuturi musculare au diferențe moleculare și sunt codificate de gene diferite.
Canalele de Ca 2+ ale SPR din mușchii cardiaci sunt conectate direct la canalele de Ca 2+ cu prag înalt ale plasmalemei (tip L) prin proteine care leagă calciul, formând astfel o structură activă funcțional - o „triada”.
În mușchiul scheletic, depolarizarea membranei plasmatice activează direct eliberarea de Ca 2+ din reticulul endoplasmatic datorită faptului că canalele de Ca 2+ ale membranei plasmatice servesc ca transmițători sensibili la tensiune ai semnalului de activare direct către Ca 2. + canalele SPR prin proteine de legare.
Astfel, depozitele de Ca 2+ din mușchii scheletici au un mecanism de eliberare de Ca 2+ cauzată de depolarizare (tip RyRl).
Spre deosebire de mușchii scheletici, canalele endoplasmatice de Ca 2+ ale cardiomiocitelor nu sunt conectate la plasmalema, iar pentru a stimula eliberarea Ca 2+ din depozit este necesară o creștere a concentrației de calciu citosol (tip RyR2).
Pe lângă aceste două tipuri de canale Ca 2h activate cu Ca 2+, a fost identificat recent un al treilea tip de canale Ca 2+ SPR (tip RyR3), care nu a fost încă suficient studiat.
Toate canalele de calciu prezintă o activare lentă și o inactivare lentă în comparație cu canalele de sodiu.
Când o celulă musculară se depolarizează (proeminențele membranelor citoplasmatice - tubulii T se apropie de membranele reticulului endoplasmatic), are loc o deschidere dependentă de tensiune a canalelor de calciu ale membranelor reticulului sarcoplasmatic.
Deoarece, pe de o parte, concentrația de calciu în SPR este mare (depozit de calciu), iar concentrația de calciu în citoplasmă este scăzută, iar pe de altă parte, aria membranei SPR și densitatea canalelor de calciu în ea sunt mari, nivelul de calciu din citoplasmă crește de 100 de ori.
Această creștere a concentrației de calciu inițiază procesul de contracție a miofibrilei.
Canalele de calciu din cardiomiocite sunt situate în membrana citoplasmatică și aparțin canalelor de calciu de tip L.
Ele sunt activate la un potențial de membrană de +20-40 mV, formând un curent de calciu de intrare. Ele rămân în stare activată mult timp, formând un „plato” al potențialului de acțiune al cardiomiocitului.
Canale anionice.
Cel mai mare număr de canale de clor din membrana celulară. Există mai puțini ioni de clor în celulă în comparație cu mediul intercelular. Prin urmare, atunci când canalele se deschid, clorul intră în celulă de-a lungul unui gradient de concentrație și a unui gradient electrochimic.
Numărul de canale pentru HCO 3 nu este atât de mare; volumul de transport al acestui anion prin canale este semnificativ mai mic.
Schimbătoare de ioni.
Membrana conține schimbători de ioni (proteine de transport), care facilitează difuzia facilitată a ionilor, adică mișcarea accelerată cuplată a ionilor prin biomembrană de-a lungul unui gradient de concentrație; astfel de procese sunt independente de ATP.
Cele mai cunoscute sunt schimbătoarele Na + -H + , K + -H + , Ca 2+ -H +, precum și schimbătoarele care asigură schimbul de cationi pentru anioniNa + -HCO- 3, 2CI-Ca 2+ și schimbătoarele care asigură schimbul de cation cu cation (Na + -Ca 2+) sau anion cu anion (Cl- HCO3).
Canale ionice activate de receptor.
Canale ionice dependente de ligand (dependente de ligand).
Canalele ionice dependente de ligand sunt un subtip de canale dependente de receptor și sunt întotdeauna combinate cu un receptor pentru o substanță activă biologic (BAS).
Receptorii canalelor luate în considerare aparțin tipului ionotrop de receptori membranari, a căror interacțiune cu substanțe biologic active (liganzi) are ca rezultat reacții rapide.
Un canal ionic dependent de ligand este format din:
porii umpluți cu apă;
filtru selectiv;
poarta de activare;
situs de legare a ligandului (receptor). O substanță activă biologic foarte activă energetic are un nivel ridicat
afinitate (afinitate) pentru un anumit tip de receptor. Când canalele ionice sunt activate, anumiți ioni se deplasează de-a lungul unui gradient de concentrație și a unui gradient electrochimic.
Într-un receptor de membrană, situsul de legare a ligandului poate fi accesibil ligandului de pe suprafața exterioară a membranei.
În acest caz, hormonii și parahormonii și ionii acționează ca liganzi.
Astfel, atunci când receptorii N-colinergici sunt activați, canalele de sodiu sunt activate.
Permeabilitatea calciului este inițiată de receptorii neuronali de tip acetilcolină, glutamat (de tip NMDA și AMPA/kainat) și receptorii de purină.
Receptorii GABA A sunt cuplati la canalele ionice de clorură, iar receptorii de glicină sunt, de asemenea, cuplati la canalele de clorură.
Într-un receptor de membrană, situsul de legare a ligandului poate fi accesibil liganzilor de pe suprafața interioară a membranei.
În acest caz, protein kinazele activate de mesagerii secundari sau mesagerii secundi acţionează ca liganzi.
Astfel, protein kinazele A, C, G, fosforilarea proteinelor canalelor cationice, își modifică permeabilitatea.
Canale ionice controlate mecanic.
Canalele ionice cu control mecanic își schimbă conductanța la ioni fie prin modificarea tensiunii stratului dublu lipidic, fie prin citoscheletul celular. Multe canale controlate mecanic sunt asociate cu mecanoreceptorii; ele există în celulele auditive, fusurile musculare și endoteliul vascular.
Toate canalele controlate mecanic sunt împărțite în două grupuri:
celule activate prin întindere (SAC);
celule inactivate prin întindere (SIC).
Canalele controlate mecanic au toate caracteristicile principale ale canalului:
timp umplut cu apă;
mecanism de poartă;
senzor de întindere.
Când un canal este activat, ionii se deplasează de-a lungul unui gradient de concentrație.
ATPaza de sodiu, potasiu.
ATPaza de sodiu, potasiu (pompa sodiu-potasiu, pompa sodiu-potasiu).
Constă din patru domenii transmembranare: două subunități α și două subunități β. Subunitatea α este domeniul mare, iar subunitatea β este domeniul mic. În timpul transportului ionic, subunitățile mari sunt fosforilate și ionii se deplasează prin ele.
ATPaza de sodiu, potasiu joacă un rol critic în menținerea homeostaziei sodiului și potasiului în mediul intra și extracelular:
menține un nivel ridicat de K + și un nivel scăzut de Na + în celulă;
participă la formarea potențialului membranar de repaus și la generarea potențialelor de acțiune;
asigură transportul cuplat Na + al majorității substanțelor organice prin membrană (transport activ secundar);
afectează semnificativ homeostazia H2O.
Sodiul, o ATPază de potasiu, are cea mai importantă contribuție la formarea asimetriei ionice în spațiile extracelulare și intracelulare.
Funcționarea pas cu pas a pompei de sodiu și potasiu asigură un schimb inegal de potasiu și sodiu pe membrană.
Ca + -ATPaza (pompa).
Există două familii de pompe de Ca 2+ responsabile de îndepărtarea ionilor de Ca 2+ din citoplasmă: pompele de Ca 2+ ale plasmalemei și pompele de Ca 2+ ale reticulului endoplasmatic.
Deși aparțin aceleiași familii de proteine (așa-numitele ATPaze de clasă P), aceste pompe prezintă unele diferențe de structură, activitate funcțională și farmacologie.
Se găsește în cantități mari în membrana citoplasmatică. În citoplasma celulei în repaus, concentrația de calciu este de 10-7 mol/l, iar în afara celulei este mult mai mare - 10-3 mol/l.
O astfel de diferență semnificativă în concentrații este menținută datorită activității Ca++-ATPazei citoplasmatice.
Activitatea pompei de Ca 2+ a membranei plasmatice este controlată direct de Ca 2+: o creștere a concentrației de calciu liber în citosol activează pompa de Ca 2+.
În repaus, aproape nu există difuzie prin canalele ionice de calciu.
Ca-ATPaza transportă Ca din celulă în mediul extracelular împotriva gradientului său de concentrație. De-a lungul unui gradient, Ca+ intră în celulă datorită difuziei prin canalele ionice.
Membrana reticulului endoplasmatic contine si o cantitate mare de Ca++-ATPaza.
Pompa de calciu a reticulului endoplasmatic (SERCA) asigură eliminarea calciului din citosol în reticulul endoplasmatic - un „depozit” de calciu datorită transportului activ primar.
În depozit, calciul se leagă de proteinele care leagă calciul (calsequestrin, calreticulin etc.).
Cel puțin trei izoforme diferite ale pompelor SERCA au fost descrise acum.
Subtipurile SERCA1 sunt concentrate exclusiv în mușchii scheletici rapizi; pompele SERCA2 sunt larg distribuite în alte țesuturi. Semnificația pompelor SERCA3 este mai puțin clară.
Proteinele SERCA2 sunt împărțite în două izoforme diferite: SERCA2a, caracteristică cardiomiocitelor și mușchilor netezi și SERCA2b, caracteristică țesutului cerebral.
O creștere a Ca 2+ citosolic activează absorbția ionilor de calciu în reticulul endoplasmatic, în timp ce o creștere a calciului liber în reticulul endoplasmatic inhibă pompele SERCA.
H+ K+ -ATPaza (pompă).
Cu ajutorul acestei pompe (ca urmare a hidrolizei unei molecule de ATP), doi ioni de potasiu sunt transportați din spațiul extracelular în celulă și doi ioni H+ din citosol în spațiul extracelular în timpul hidrolizei unei molecule din celulele parietale ale mucoasei gastrice. Acest mecanism stă la baza formării acidului clorhidric în stomac.
Clasa pompe ioniceF.
ATPaza mitocondrială. Catalizează etapa finală a sintezei ATP. Criptele mitocondriale conțin ATP sintetaza, care cuplează oxidarea în ciclul Krebs și fosforilarea ADP la ATP.
Clasa pompe ioniceV.
H + -ATPaze lizozomale (pompe de protoni lizozomiale) - pompe de protoni care asigură transportul H + din citosol către o serie de organite - lizozomi, aparat Golgi, vezicule secretoare. Ca urmare, valoarea pH-ului scade, de exemplu, în lizozomi la 5,0, ceea ce optimizează activitatea acestor structuri.
Caracteristicile transportului ionic
1. Transmembrană semnificativă și asimetrică! gradient pentru Na + și K + în repaus.
Sodiul în afara celulei (145 mmol/l) este de 10 ori mai mult decât în celulă (14 mmol/l).
Există aproximativ 30 de ori mai mult potasiu în celulă (140 mmol/l) decât în afara celulei (4 mmol/l).
Această caracteristică a distribuției ionilor de sodiu și potasiu:
homeostatic prin munca Na + /K + -nacoca;
formează un curent de potasiu în repaus (canal de scurgere);
formează potențialul de odihnă;
activitatea oricăror canale de potasiu (dependente de tensiune, dependente de calciu, dependente de ligand) vizează formarea unui curent de potasiu de ieșire.
Aceasta fie readuce starea membranei la nivelul inițial (activarea canalelor dependente de tensiune în timpul fazei de repolarizare), fie hiperpolarizează membrana (canale dependente de calciu, dependente de ligand, inclusiv cele activate de sistemele de mesager secund).
Vă rugăm să rețineți că:
mișcarea potasiului prin membrană se realizează prin transport pasiv;
formarea excitației (potențialului de acțiune) se datorează întotdeauna curentului de sodiu de intrare;
activarea oricărui canal de sodiu provoacă întotdeauna un curent de sodiu în interior;
mișcarea sodiului prin membrană este aproape întotdeauna efectuată prin transport pasiv;
în celulele epiteliale care formează pereții diferitelor tuburi și cavități în țesuturi (intestinul subțire, tubulii nefronici etc.), în membrana exterioară există întotdeauna un număr mare de canale de sodiu, care, la activare, asigură un curent de sodiu de intrare, iar în membrana bazală - un număr mare de pompe de sodiu, potasiu care pompează sodiu din celulă. Această distribuție asimetrică a acestor sisteme de transport pentru sodiu asigură transportul transcelular al acestuia, adică. din lumenul intestinal, tubii renali în mediul intern al corpului;
transportul pasiv al sodiului în celulă de-a lungul unui gradient electrochimic duce la acumularea de energie, care este utilizată pentru transportul activ secundar al multor substanțe.
2. Nivel scăzut de calciu în citosolul celulei.
În celula în repaus, conținutul de calciu (50 nmol/l) este de 5000 de ori mai mic decât în afara celulei (2,5 mmol/l).
Un nivel atât de scăzut de calciu în citosol nu este întâmplător, deoarece calciul în concentrații de 10-100 de ori mai mari decât cel inițial acționează ca un al doilea mesager intracelular în implementarea semnalului.
În astfel de condiții, o creștere rapidă a calciului în citosol este posibilă datorită activării canalelor de calciu (difuzie facilitată), care sunt prezente în cantități mari în membrana citoplasmatică și în membrana reticulului endoplasmatic (reticulul endoplasmatic este „depozit” de calciu în celulă).
Formarea fluxurilor de calciu, care are loc datorită deschiderii canalelor, asigură o creștere semnificativă fiziologic a concentrației de calciu în citosol.
Nivelul scăzut de calciu din citosolul celulei este menținut de Ca 2+ -ATPaza, schimbătorii Na + /Ca 2+ și proteinele care leagă calciul din citosol.
Pe lângă legarea rapidă a Ca 2+ citosolic de către proteinele intracelulare de legare a Ca 2+, ionii de calciu care intră în citosol pot fi acumulați de aparatul Golgi sau de nucleul celular și capturați de depozitele de Ca 2+ mitocondriale.
3. Niveluri scăzute de clor în cușcă.
În celula în repaus, conținutul de clor (8 mmol/l) este de peste 10 ori mai mic decât în exteriorul celulei (110 mmol/l).
Această stare este menținută prin munca transportorului K + /Cl-.
Modificarea stării funcționale a celulei este asociată (sau cauzată) cu o modificare a permeabilității membranei la clor. Când canalele de clor dependente de voltaj și ligand sunt activate, ionul intră în citosol prin canal prin transport pasiv.
În plus, intrarea clorului în citosol se formează datorită cotransportatorului Na + /K + /2CH și schimbătorului CH-HCO 3 .
Intrarea clorului in celula creste polaritatea membranei pana la hiperpolarizare.
Caracteristicile transportului ionic joacă un rol fundamental în formarea fenomenelor bioelectrice în organe și țesuturi care codifică informații și determină starea funcțională a acestor structuri și trecerea lor de la o stare funcțională la alta.
Ultima actualizare: 28/10/2013
Al doilea articol din seria „Fundamentals of Human and Animal Physiology”. Vom vorbi despre mecanismul de formare a potențialului de acțiune - baza oricărei mișcări.
Celulele excitabile (care sunt, într-o măsură sau alta, toate celulele corpului unui animal) în repaus au un exces de sarcină negativă, formându-se. Dacă o celulă este supusă unei stimulări externe, aceasta intră într-o stare excitată și generează un alt potențial - un potențial de acțiune.
Acest proces este realizat printr-un sistem de canale ionice din membrana celulară, care reglează concentrațiile particulelor încărcate electric - ioni. Toate canalele, indiferent de specializare, sunt controlate de anumite forțe. Aceasta poate fi o modificare a potențialului pe membrana celulară - în cazul canalelor dependente de tensiune, o creștere a concentrației anumitor substanțe active - pentru canalele dependente de ligand, sau întinderea membranei - pentru canalele controlate mecanic.
Canalele sunt proteine specifice încorporate în membrană. Fiecare tip de canal permite trecerea unor ioni specifici. Acesta este un sistem de transport pasiv: ionii trec prin ei datorită difuziei, iar canalele pur și simplu controlează concentrația particulelor care trec și reglează permeabilitatea membranei pentru ele.
La formarea potențialului de acțiune, precum și a potențialului de repaus, participă în principal ionii de sodiu și potasiu.
Canalele de sodiu au o structură destul de simplă: este o proteină din trei subunități diferite care formează o structură similară cu un por - adică un tub cu un lumen intern. Canalul poate fi în trei stări: închis, deschis și inactivat (închis și inexcitabil). Acest lucru este asigurat de localizarea sarcinilor negative și pozitive în proteina însăși; aceste sarcini sunt atrase de cele opuse existente pe membrană și astfel canalul se deschide și se închide atunci când starea membranei se schimbă. Când este deschis, ionii de sodiu pot pătrunde liber prin ea în celulă de-a lungul unui gradient de concentrație. Acesta este un moment foarte scurt de timp - literalmente o fracțiune de milisecundă.
Canalele de potasiu sunt și mai simple: sunt subunități individuale care au o formă trapezoidală în secțiune transversală; sunt situate aproape unul de celălalt, dar există întotdeauna un decalaj între ele. Canalele de potasiu nu se închid complet; în stare de repaus, potasiul părăsește liber citoplasma (de-a lungul gradientului de concentrație).
Atât canalele de sodiu, cât și cele de potasiu sunt dependente de tensiune - ele funcționează ca răspuns la modificările potențialului electric al membranei.
Când se formează un potențial de acțiune, are loc o reîncărcare bruscă pe termen scurt a membranei. Acest lucru se realizează prin mai multe procese secvențiale.
În primul rând, sub influența iritației externe (de exemplu, curentul electric), membrana este depolarizată - adică sarcinile de pe diferitele sale laturi se schimbă în sens opus (în interiorul celulei sarcina devine pozitivă, în exterior - în negativ). Acesta este un semnal pentru deschiderea canalelor de sodiu, dintre care există un număr mare pe suprafața unei membrane - poate până la 12 mii. Momentul în care canalele încep să se deschidă se numește nivelul critic de depolarizare. Curentul care dă această depolarizare critică se numește prag.
Interesant, creșterea curentului după atingerea pragului nu modifică caracteristicile potențialului de acțiune rezultat. Ceea ce contează pentru deschiderea canalelor nu este amplitudinea curentului, ci cantitatea de energie primită de membrană - „cantitatea de electricitate”. Acest model se numește „totul sau nimic” - fie există un răspuns complet la iritare atunci când valoarea sa este de la valoarea de prag și mai sus, fie nu există niciun răspuns dacă iritația nu a atins valoarea de prag. În acest caz, valoarea pragului este determinată de durata stimulării aplicate.
Această lege este valabilă, însă, numai în cadrul unei singure celule. Dacă luăm, de exemplu, un nerv compus dintr-un număr mare de axoni diferiți, va conta și amplitudinea, deoarece vom vedea un răspuns la stimulare doar atunci când canalele sunt activate în toate celulele - adică cu o valoare totală mai mare. a curentului de prag.
După deschiderea canalelor, sodiul începe să intre în celulă, iar curentul său depășește semnificativ curentul de potasiu care iese de-a lungul gradientului. Aceasta înseamnă că permeabilitatea membranei pentru sodiu devine mai mare decât pentru potasiu. La un moment dat, aproape toate canalele de sodiu se deschid. Acest lucru se întâmplă ca o avalanșă: din punctul în care a sosit stimulul, în ambele direcții. Astfel, concentrația de sodiu în celulă crește brusc.
După aceasta, concentrațiile ionilor ar trebui să revină la valorile inițiale. Acest lucru oferă o proprietate generală a canalelor precum refractaritatea: un canal care a fost declanșat este inactiv pentru ceva timp după aceea și nu poate fi excitat de un stimul iritant.
În momentul răspunsului maxim la stimulare, canalele de sodiu devin refractare, iar permeabilitatea sodiului scade brusc. Canalele de potasiu, dimpotrivă, încep să funcționeze activ, iar fluxul de potasiu din celulă crește. Astfel, excesul de ioni încărcați pozitiv părăsește celula și se restabilește potențialul inițial de repaus. În această perioadă de timp, până când canalele de sodiu și potențialul inițial sunt restaurate (acest lucru poate dura aproximativ o milisecundă), celula nu este capabilă să excite.
Deoarece capacitatea celulelor de a excita asigură funcționarea organismului în ansamblu și posibilitatea controlului central al tuturor celulelor corpului, otrăvurile care blochează canalele sunt printre cele mai periculoase pentru oameni și multe animale.
Unul dintre cei mai periculoși blocanți ai canalelor este tetrodotoxina, o substanță produsă de peștii puffer. Pentru aceasta, valoarea DL50 (50% Level of Death - doza din care vor muri 50 din o sută de oameni) este egală cu 10 miligrame pe kilogram de greutate, adică de aproximativ o mie de ori mai mică decât pentru cianura. Moleculele sale se leagă strâns de proteina canalului de sodiu atunci când aceasta este într-o stare închisă și blochează complet posibilitatea unui potențial de acțiune. Unele alge produc toxine similare. Veninul de scorpion, dimpotrivă, menține toate canalele într-o stare constant deschisă.
Ei bine, un scorpion, dar de ce o astfel de armă teribilă pentru alge este un mister.
Ai ceva de spus? Lasa un comentariu!.
Canalele ionice sunt proteine integrale care asigură transportul pasiv al ionilor de-a lungul unui gradient de concentrație. Energia pentru transport este diferența de concentrație a ionilor de pe ambele părți ale membranei (gradient de ioni transmembranar).
Canalele neselective au următoarele proprietăți:
· permite trecerea tuturor tipurilor de ioni, dar permeabilitatea ionilor K+ este semnificativ mai mare decât a altor ioni;
- sunt mereu deschise.
Canalele selective au următoarele proprietăți:
· permite trecerea unui singur tip de ion; pentru fiecare tip de ion există propriul tip de canal;
- poate fi în una din cele 3 stări: închis, activat, inactivat.
Se asigură permeabilitatea selectivă a canalului selectiv filtru selectiv, care este format dintr-un inel de atomi de oxigen încărcați negativ, care este situat în punctul cel mai îngust al canalului.
Schimbarea stării canalului este asigurată de funcționarea mecanismului de poartă , care este reprezentată de două molecule proteice. Aceste molecule de proteine, așa-numitele. porțile de activare și porțile de inițiere pot bloca canalul ionic prin modificarea conformației acestora.
În starea de repaus, poarta de activare este închisă, poarta de inactivare este deschisă (canalul este închis) (Fig. 2.3). Când un semnal acționează asupra sistemului de poartă, poarta de activare se deschide și începe transportul ionilor prin canal (canalul este activat). Cu o depolarizare semnificativă a membranei celulare, poarta de inactivare se închide și transportul ionilor se oprește (canalul este inactivat). Când nivelul MP este restabilit, canalul revine la starea sa originală (închis).
În funcție de semnalul care determină deschiderea porții de activare, canalele ionice selective sunt împărțite în:
· canale chimiosensibile – semnalul pentru deschiderea porții de activare este o modificare a conformației proteinei receptor asociate cu canalul ca urmare a atașării unui ligand la acesta.
- canale sensibile la tensiune - semnalul de deschidere a porții de activare este o scădere a MP (depolarizare) a membranei celulare la un anumit nivel, care se numește nivelul critic de depolarizare (CLD);
După metoda de activare, se disting:
· activat de tensiune canale ionice (trecerea de la o stare închisă la una deschisă și înapoi se realizează prin conformarea moleculei proteice atunci când potențialul membranei se modifică). Un exemplu este canalul de sodiu dependent de tensiune, care determină depolarizarea celulei în timpul generării unui potențial de acțiune.
· mecanosensibil canale ionice (deschise atunci când un stimul mecanic este aplicat membranei celulare, de exemplu, când sunt activați mecanoreceptorii pielii).
· activat de ligand canale ionice. Conform metodei de activare, acestea sunt împărțite în două grupe (extracelular și intracelular), în funcție de ce parte a membranei acționează ligandul. Dacă un stimul (de exemplu, acetilcolina) în timpul transmiterii sinaptice a excitației la sinapsa neuromusculară acționează asupra unui receptor (în acest exemplu, un receptor colinergic, care este una dintre mai multe subunități proteice ale unui canal ionic) situat pe suprafața exterioară a membrana celulară musculară, se va deschide un canal ionic, permeabil pentru cationi. Dacă canalele activate de liganzi depind de mesagerii secundari din celulă, trecerea lor la starea deschisă are loc atunci când concentrația anumitor ioni din citoplasmă se modifică. Un exemplu este canalul de potasiu activat de calciu, care este activat atunci când concentrația ionilor de calciu din celulă crește. Astfel de canale participă la repolarizarea membranei la sfârșitul unui potențial de acțiune.
Conceptul de potențial de membrană, potențial ionic de echilibru și potențial de repaus. Condiții și cauze ale existenței repausului potențial. Ecuația este constantă a câmpului Funcția potențială membră.
Condiții și motive pentru existența potențialului de odihnă.
Calculele și datele experimentale indică faptul că toate celulele corpului aflate în stare de repaus „operator” sunt caracterizate de un anumit grad de polarizare. Plasmalema fiecărei celule este încărcată, iar în repaus, un potențial negativ în raport cu mediul intercelular este menținut pe suprafața sa interioară. Diferența de potențial transmembranar în diferite celule este diferită, dar peste tot ajunge la câteva zeci de milivolți. Folosind tehnologia microelectrodului, într-un experiment a fost posibil să se măsoare direct diferența de potențial real de pe ambele părți ale membranei celulare.
Ce ioni și canale ionice asigură bioelectrogeneza? Acum se știe că patru ioni au contribuția principală la potențialul de repaus și la potențialul de acțiune. Na + K + Ca ++ Cl - sunt capabili să pătrundă (sau să nu pătrundă) în anumite condiții prin canalele ionice corespunzătoare.
Pentru ca un anumit ion (avand o sarcina) sa patrunda in membrana, este necesar sa fie prezente urmatoarele conditii:
1. Prezența unui gradient de concentrație (creat de munca pompelor ionice)
2. Prezența unui gradient electrochimic (creat de suma concentrațiilor de particule încărcate și proprietățile canalelor ionice de a separa cationii și anionii de pe ambele părți ale membranei).
3. Disponibilitatea canalelor adecvate în stare deschisă.
La potenţial de odihnă partea interioară a membranei celulare are o sarcină al cărei semn (negativitatea) este determinat de prezența anionilor organici în citoplasmă(proteine și aminoacizi) incapabili să treacă prin canalele ionice și deficit de contraioni– cationi de potasiu care pot pătrunde prin canalele ionice de potasiu, în urma cărora în celulă se creează un exces de ioni negativi, iar în interstițiu se creează un exces de sarcină pozitivă. Mărimea sarcinii negative în celulă și a sarcinii pozitive în spațiul intercelular poate fi prezisă matematic, dar numai pentru cazuri relativ simple, de exemplu, pentru axonul de calmar gigant.
Mărimea potențialului de repaus este descrisă la o aproximare cunoscută prin ecuația câmpului constant propusă de Hodgkin, Goldman și Katz.
Vм=RT/zFln ((pko+pNa o +pCl i) / (pki+pNa i +pCl i))
Conceptele nu trebuie confundate potențial de membrană, potenţial de echilibruȘi potenţial de odihnă.
Potențialul membranei este determinat de suma sarcinilor care acționează pe ambele părți ale membranei, ceea ce determină capacitatea anumitor ioni de a pătrunde prin canalele ionice.
Potențialul de echilibru este potențialul plasmalemei celulare la care curentul total al unui anumit ion prin membrană este zero, în ciuda capacității ionilor individuali de a pătrunde prin canale deschise în schimbul acelorași ioni care curg în direcția opusă. Determinat de ecuația Nernst.
Funcțiile potențialului membranar de repaus:
1. Polarizarea membranei este o condiție pentru excitare și inhibiție.
2. Polarizarea determină volumul de eliberare a transmițătorului de la terminația presinaptică.
3. PP creează condiții pentru ca canalele dependente de tensiune să fie într-o stare închisă (polarizarea membranei creează condiții pentru formarea unui potențial de acțiune).
FIZIOLOGIA GENERALĂ A SISTEMULUI NERVOS
Conceptul de centru nervos.
Centrul nervos- un ansamblu de structuri ale sistemului nervos central, a căror activitate coordonată asigură reglarea funcțiilor individuale ale corpului sau un anumit act reflex. Ideea bazei structurale și funcționale a centrului nervos este determinată de istoria dezvoltării doctrinei de localizare a funcțiilor în sistemul nervos central. Proprietățile centrilor nervoși:
2. Conducerea lentă a excitației prin complexele neuronale ale sistemului nervos central. Întârzierea sinaptică T syn a unui contact intercelular este de aproximativ 0,5-2 ms. Dacă există n neuroni în rețea, perioada totală de latență a semnalului din creier corespunde n×T syn și poate fi destul de semnificativă. Indirect, cunoscând timpul de transmitere a semnalului prin sistemul nervos central (calculat luând în considerare timpul total al reflexului și timpul petrecut pentru transmiterea de-a lungul trunchiurilor nervoase), se poate estima numărul de comutatoare sinaptice (n) din arc. a unui anumit reflex.
4. Conducerea unilaterală a excitației, precum și divergența și convergența intrărilor sinaptice creează un substrat morfologic pentru circulația excitației (reverberația) de-a lungul circuitelor neuronale închise. Se crede că acest fenomen stă la baza memoriei pe termen scurt.
5. Anumiţi neuroni asociaţi în nuclee se caracterizează prin activitate de fundal. Este determinată de proprietățile membranei și depinde de depolarizarea spontană. Alți neuroni sunt „tăcuți” și generează AP-uri numai atunci când intrările sinaptice sunt activate.
6. Neuronii si sinapsele situate la suprafata lor se caracterizeaza prin sensibilitate la diverse substante, molecule de semnalizare si metaboliti continuti in lichidul cefalorahidian.
7. caracterizat prin oboseală, unul dintre motivele pentru care este scăderea rezervelor mediatorului disponibil și rata scăzută a sintezei acestuia.
8. plasticitate. Relieful, potențarea (tetanic post-tetanic, pe termen lung), depresia sunt determinate de proprietățile receptorilor, procesele de urme și apariția unor noi contacte sinaptice sau receptori pe suprafața neuronilor.
Rețelele nervoase ale creierului sunt caracterizate prin direcționale, unilaterale conducerea excitatiei (liniara).. Dacă există un lanț de neuroni conectați între ei prin contacte sinaptice, atunci datorită proprietății sinapselor chimice de a elibera un transmițător din presinapticul care se termină în fanta sinaptică și de a-l primi de către un receptor localizat pe membrana postsinaptică, vectorul de propagarea excitației în rețeaua neuronală este îndreptată către neuronul postsinaptic ulterior. Un exemplu comun al acestui principiu este legea Bella–Magendie(fibrele aferente intră în măduva spinării prin rădăcinile dorsale, fibrele motorii părăsesc măduva spinării prin rădăcinile ventrale).
Procesele convergenţă constau în convergența diferitelor fluxuri de impulsuri de la mai multe celule nervoase către același neuron (vezi secțiunea 4.1.4). Procesul de convergență este caracteristic nu numai celulelor nervoase de același tip. De exemplu, pe neuronii motori ai măduvei spinării, pe lângă fibrele aferente primare, converg fibrele diferitelor tracturi descendente din centrii supraspinali și spinali propriu-zis, precum și din interneuronii excitatori și inhibitori. Ca rezultat, neuronii motori ai măduvei spinării funcționează ca o cale finală comună pentru numeroase structuri nervoase, inclusiv aparatul suprasegmental al creierului, legate de reglarea funcției motorii.
Divergenţă este capacitatea unei celule nervoase de a stabili numeroase conexiuni sinaptice cu diferite celule nervoase. Datorită acestui fapt, o celulă nervoasă poate participa la mai multe reacții diferite, transmite excitația unui număr semnificativ de alți neuroni, care pot excita un număr mai mare de neuroni, oferind o iradiere largă a procesului excitator în formațiunile nervoase centrale.
Structura unui neuron.
Din punct de vedere funcțional, neuronii măduvei spinării pot fi împărțiți în 4 grupuri principale:
1) neuronii motori, sau neuronii motori, sunt celule ale coarnelor anterioare, ai căror axoni formează rădăcinile anterioare;
2) interneuroni - neuroni care primesc informații de la ganglionii spinali și sunt localizați în coarnele dorsale. Acesti neuroni raspund la durere, temperatura, stimulare tactila, vibratie, proprioceptiva;
3) neuronii simpatici și parasimpatici sunt localizați predominant în coarnele laterale. Axonii acestor neuroni ies din măduva spinării ca parte a rădăcinilor ventrale;
4)) celule de asociere - neuroni ai aparatului propriu al măduvei spinării, care stabilesc conexiuni în interiorul și între segmente.
Neuroni motorii. Axonul neuronului motor inervează sute de fibre musculare cu terminalele sale, formând o unitate de neuron motor.
interneuroni. Acești neuroni intermediari, care generează impulsuri cu o frecvență de până la 1000 pe secundă, sunt activi în fundal și au până la 500 de sinapse pe dendritele lor. Funcția interneuronilor este de a organiza conexiunile dintre structurile măduvei spinării și de a asigura influența căilor ascendente și descendente asupra celulelor segmentelor individuale ale măduvei spinării. O funcție foarte importantă a interneuronilor este inhibarea activității neuronale, care asigură menținerea direcției căii de excitație.
Neuronii diviziunii simpatice a sistemului autonom. Situat în coarnele laterale ale segmentelor măduvei spinării toracice. Acești neuroni sunt activi în fundal, dar au o rată de declanșare rară (3-5 pe secundă).
Neuronii diviziunii parasimpatice a sistemului autonom. Ele sunt localizate în măduva spinării sacrale și sunt active de fundal.
Neuroglia, sau glia, este o colecție de elemente celulare ale țesutului nervos, formată din celule specializate de diferite forme. Celulele neurogliale umplu spațiile dintre neuroni, constituind 40% din volumul creierului. Celule gliale de 3-4 ori mai mici ca marime decat cele nervoase; Pe măsură ce o persoană îmbătrânește, numărul de neuroni din creier scade, iar numărul de celule gliale crește. Clasificare:
Astrocitele sunt celule multi-procesate cu nuclee ovale și o cantitate mică de cromatină. Dimensiunea astrocitelor este de 7-25 microni. localizate în principal în substanța cenușie a creierului. Nucleii astrocitelor conțin ADN, protoplasma are un complex lamelar, un centrizom și mitocondrii. astrocitele servesc ca suport pentru neuroni, asigură procese reparatorii ale trunchiurilor nervoase, izolează fibrele nervoase și participă la metabolismul neuronilor. Procesele astrocitelor formează „picioare” care învăluie capilarele, acoperindu-le aproape complet. Ca urmare, doar astrocitele sunt situate între neuroni și capilare. Aparent, acestea asigură transportul substanțelor din sânge la neuron și înapoi. Astrocitele formează punți între capilare și ependim care căptușesc cavitățile ventriculilor creierului. Se crede că acest lucru asigură schimbul dintre sânge și lichidul cefalorahidian al ventriculilor creierului, adică astrocitele îndeplinesc o funcție de transport.
Oligodendrocitele au un număr mic de procese. Au dimensiuni mai mici decât astrocitele. În cortexul cerebral, numărul de oligodendrocite crește de la straturile superioare la cele inferioare. Există mai multe oligodendrocite în structurile subcorticale și în trunchiul cerebral decât în cortex. Oligodendrocitele sunt implicate în mielinizarea axonilor (prin urmare sunt mai mulți în substanța albă a creierului), în metabolismul neuronilor, precum și în trofismul neuronilor.
Microglia sunt reprezentate de cele mai mici celule gliale multi-procesate aparținând celulelor rătăcitoare. Sursa microgliei este mezodermul. Celulele microgliale sunt capabile de fagocitoză.
14.Idei moderne despre contactele intercelulare.
Sinapsele sunt contactele care stabilesc neuronii ca entități independente. Sinapsa este o structură complexă și constă dintr-o parte presinaptică (capătul axonului care transmite semnalul), o despicatură sinaptică și o parte postsinaptică (structura celulei receptoare).
Clasificarea sinapselor. Sinapsele sunt clasificate după locație, natura acțiunii și metoda de transmitere a semnalului.
În funcție de localizare, acestea se clasifică în neuromusculare, sinapse și neuroneuronale, acestea din urmă împărțite la rândul lor în axo-somatice, axoaxonale, axodendritice, dendrosomatice.
În funcție de natura efectului asupra structurii perceptive, sinapsele pot fi excitatorii sau inhibitorii.
Conform metodei de transmitere a semnalului, sinapsele sunt împărțite în electrice, chimice și mixte.
Natura interacțiunii neuronilor. Este determinată de metoda acestei interacțiuni: îndepărtat, adiacent, contact.
Interacțiunea la distanță poate fi asigurată de doi neuroni localizați în structuri diferite ale corpului. De exemplu, în celulele unui număr de structuri cerebrale se formează neurohormoni și neuropeptide, care sunt capabile să influențeze neuronii umorali asupra neuronilor din alte părți.
Interacțiunea adiacentă dintre neuroni are loc atunci când membranele neuronilor sunt separate doar de spațiul intercelular. De obicei, o astfel de interacțiune are loc acolo unde nu există celule gliale între membranele neuronilor. O astfel de contiguitate este caracteristică axonilor nervului olfactiv, fibrelor paralele ale cerebelului etc. Se crede că interacțiunea contiguă asigură participarea neuronilor vecini la îndeplinirea unei singure funcții. Acest lucru se întâmplă, în special, deoarece metaboliții, produse ale activității neuronilor, care intră în spațiul intercelular, afectează neuronii vecini. Interacțiunea adiacentă poate, în unele cazuri, să asigure transferul de informații electrice de la neuron la neuron
Pentru diverse substante si, in special, pentru ionii minerali, este extrem de important in viata celulei si mai ales in mecanismele de perceptie, transformare, transmitere a semnalelor de la celula la celula si catre structurile intracelulare.
Rolul determinant în starea de permeabilitate a membranei celulare este jucat de canalele ionice ale acestora, care se formează proteine care formează canale. Deschiderea și închiderea acestor canale pot fi controlate de mărimea diferenței de potențial dintre suprafețele exterioare și interioare ale membranei, o varietate de molecule de semnalizare (hormoni, neurotransmițători, substanțe vasoactive), mesageri secundari ai transmiterii semnalului intracelular și minerale. ionii.
Canalul ionic- mai multe subunități (proteine membranare integrale care conțin segmente transmembranare, fiecare având o configurație α-helicol) care asigură transportul ionilor prin membrană.
Orez. 1. Clasificarea canalelor ionice
Înțelegerea modernă a structurii și funcției canalelor ionice a devenit posibilă datorită dezvoltării metodelor de înregistrare a curenților electrici care curg printr-o secțiune izolată a membranei care conține canale ionice unice, precum și prin izolarea și clonarea genelor individuale care controlează sinteza macromoleculelor proteice capabile să formeze canale ionice. Acest lucru a făcut posibilă modificarea artificială a structurii unor astfel de molecule, integrarea lor în membranele celulare și studierea rolului regiunilor peptidice individuale în îndeplinirea funcțiilor canalului. Sa dovedit că moleculele de proteine care formează canale ale tuturor canalelor ionice au unele caracteristici structurale comune și, de obicei sunt reprezentate de proteine mari transmembranare cu mase moleculare peste 250 kDa.
Sunt formate din mai multe subunități. De obicei cel mai important proprietățile canalului al lor a-subunitate. Această subunitate participă la formarea găurii selective de ioni, mecanismul senzor al diferenței de potențial transmembranar - poarta canalului și are locuri de legare pentru liganzii exogeni și endogeni. Alte subunități incluse în structura canalelor ionice joacă un rol auxiliar, modulând proprietățile canalelor (Fig. 2).
Molecula de proteină care formează canale este reprezentată de bucle de aminoacizi extramembranare și regiuni de domeniu elicoidal intramembranar care formează subunitățile canalelor ionice. Molecula de proteină se pliază în planul membranei astfel încât canalul ionic însuși se formează între domeniile în contact unele cu altele (vezi Fig. 2, dreapta jos).
Molecula de proteină care formează canale este situată în membrana citoplasmatică, astfel încât structura sa spațială tridimensională formează gurile canalului îndreptate spre părțile exterioare și interioare ale membranei, un por umplut cu apă și o „poartă”. Acestea din urmă sunt formate dintr-o secțiune a lanțului peptidic care își poate schimba cu ușurință conformația și poate determina starea deschisă sau închisă a canalului. Selectivitatea și permeabilitatea canalului ionic depind de dimensiunea porului și de sarcina acestuia. Permeabilitatea unui canal pentru un ion dat este, de asemenea, determinată de dimensiunea, sarcina și învelișul de hidratare.
Orez. 2. Structura canalului ionic Na+ al membranei celulare: a - structura bidimensională a unității α a canalului ionic al membranei celulare; b - în stânga - un canal de sodiu, format dintr-o subunitate a și două subunități P (vedere laterală); in dreapta este canalul de sodiu de sus. În numerele I. II. III. IV domeniile marcate ale subunității a
Tipuri de canale ionice
Au fost descrise peste 100 de tipuri de canale ionice și sunt folosite diverse abordări pentru a le clasifica. Una dintre ele se bazează pe luarea în considerare a diferențelor în structura canalelor și a mecanismelor de funcționare. În acest caz, canalele ionice pot fi împărțite în mai multe tipuri:
- canale ionice pasive sau canale de repaus;
- canale de contact slot;
- canale, a căror stare (deschisă sau închisă) este controlată de influența asupra mecanismului de poartă a unor factori mecanici (canale mecanosensibile), diferențe de potențial pe membrană (canale dependente de tensiune) sau liganzi care se leagă de proteina care formează canalele pe partea exterioară sau interioară a membranei (canale dependente de ligand).
Canale pasive
O caracteristică distinctivă a acestor canale este că ele pot fi deschise (active) în celulele de repaus, de exemplu. în absenţa oricărei influenţe. Acest lucru predetermina al doilea lor nume - canale pasive. Nu sunt strict selectivi, iar prin ele membrana celulară poate „scurge” mai mulți ioni, de exemplu K+ și CI+ K+ și Na+. Prin urmare, aceste canale sunt uneori numite canale de scurgere. Datorită proprietăților enumerate, canalele de repaus joacă un rol important în apariția și menținerea potențialului membranei de repaus pe membrana citoplasmatică a celulei, ale căror mecanisme și semnificație sunt discutate mai jos. Canalele pasive sunt prezente în membranele citoplasmatice ale fibrelor nervoase și terminațiile acestora, celulele striate, mușchii netezi, miocard și alte țesuturi.
Canale mecanosensibile
Starea de permeabilitate a acestor canale se modifică sub influențele mecanice asupra membranei, provocând perturbarea împachetarii structurale a moleculelor din membrană și întinderea acesteia. Aceste canale sunt larg reprezentate în mecanoreceptorii vaselor de sânge, organelor interne, pielii, mușchilor striați și miocitelor netede.
Canale dependente de tensiune
Starea acestor canale este controlată de forțele câmpului electric creat de mărimea diferenței de potențial de-a lungul membranei. Canalele dependente de tensiune pot fi în stări inactiv (închis), activ (deschis) și inactivat, care sunt controlate de poziția porților de activare și de inactivare, în funcție de diferența de potențial de-a lungul membranei.
Într-o celulă de repaus, un canal dependent de tensiune este de obicei într-o stare închisă, din care poate fi deschis sau activat. Probabilitatea deschiderii sale independente este scăzută, iar în repaus doar un număr mic dintre aceste canale din membrană sunt deschise. O scădere a diferenței de potențial transmembranar (depolarizarea membranei) determină activarea canalului, crescând probabilitatea deschiderii acestuia. Se presupune că funcția porții de activare este îndeplinită de o grupare de aminoacizi încărcată electric care închide intrarea în gura canalului. Acești aminoacizi sunt un senzor al diferenței de potențial de pe membrană; când este atins un anumit nivel (critic) de depolarizare a membranei, partea încărcată a moleculei senzor se deplasează către micromediul lipidic al moleculei care formează canale și poarta deschide intrarea în gura canalului (Fig. 3).
Canalul devine deschis (activ) pentru ca ionii să se deplaseze prin el. Viteza de deschidere a porții de activare poate fi mică sau foarte mare. Conform acestui indicator, canalele ionice dependente de voltaj sunt împărțite în rapide (de exemplu, canale de sodiu dependente de tensiune rapide) și lente (de exemplu, canale de calciu dependente de tensiune lente). Canalele rapide se deschid instantaneu (μs) și rămân deschise în medie 1 ms. Activarea lor este însoțită de o creștere rapidă, asemănătoare unei avalanșe, a permeabilității canalului pentru anumiți ioni.
O altă parte a lanțului peptidic, care este o secvență de aminoacizi sub forma unei bile dense (minge) pe un fir, situată la ieșirea celeilalte guri a canalului, are capacitatea de a-și schimba conformația. Când semnul sarcinii de pe membrană se schimbă, mingea închide ieșirea din gură, iar canalul devine impenetrabil (inactivat) pentru ion. Inactivarea canalelor ionice dependente de tensiune poate fi realizată prin alte mecanisme. Inactivarea este însoțită de încetarea mișcării ionilor prin canal și poate apărea la fel de repede ca activarea sau lent - pe o perioadă de secunde sau chiar minute.
Orez. 3. Mecanismul de poartă a canalelor de sodiu (sus) și potasiu (de jos) dependente de tensiune
Pentru a restabili proprietățile originale ale canalelor ionice după inactivarea lor, este necesar să se returneze conformația spațială inițială a proteinei care formează canalele și poziția porții. Acest lucru se realizează prin restabilirea diferenței de potențial membranei (repolarizare) la un nivel caracteristic stării de repaus a celulei sau la ceva timp după inactivare cu un efect puternic asupra membranei. Trecerea de la starea de inactivare la starea originală (închisă) se numește reactivare a canalului. Odată reactivat, canalul ionic revine la o stare de pregătire pentru redeschiderea sa. Reactivarea canalelor membranare dependente de tensiune poate fi, de asemenea, rapidă sau lentă.
Canalele ionice dependente de tensiune sunt de obicei foarte selective și joacă un rol crucial în apariția excitației (generarea potențialelor de acțiune), transmiterea informațiilor de-a lungul fibrelor nervoase sub formă de semnale electrice și inițierea și reglarea contracției musculare. Aceste canale sunt larg reprezentate în membranele fibrelor nervoase aferente și eferente, în membranele miocitelor striate și netede.
Canalele ionice dependente de potențial sunt construite în membrana terminațiilor nervoase ale nervilor senzoriali (dendrite) care inervează pulpa dentară și mucoasa bucală, unde deschiderea lor asigură conversia potențialului receptor într-un impuls nervos și transmiterea lui ulterioară de-a lungul nervului aferent. fibră. Cu ajutorul acestor impulsuri, informații despre toate tipurile de senzații senzoriale pe care o persoană le experimentează în cavitatea bucală (gust, temperatură, presiune mecanică, durere) sunt transmise sistemului nervos central. Astfel de canale asigură apariția impulsurilor nervoase pe membrana dealului axonal al neuronilor și transmiterea lor de-a lungul fibrelor nervoase eferente, conversia potențialelor postsinaptice în potențiale de acțiune ale celulelor efectoare postsinaptice. Un exemplu de astfel de procese este generarea de impulsuri nervoase în neuronii motori ai nucleului nervului trigemen, care sunt apoi transmise de-a lungul fibrelor sale eferente către mușchii masticatori și asigură inițierea și reglarea mișcărilor de mestecat ale maxilarului inferior.
La studierea mecanismelor subtile de funcționare a canalelor ionice dependente de tensiune, s-a dezvăluit că există substanțe care pot bloca funcționarea acestor canale. Una dintre primele care au fost descrise a fost substanța tetrodotoxina, o otravă puternică produsă în corpul peștilor puffer. Sub influența sa, în experiment a fost observată blocarea canalelor de sodiu dependente de tensiune, iar când a fost introdus în corpul animalelor, s-au observat pierderi de sensibilitate, relaxare musculară, imobilitate, stop respirator și moarte. Astfel de substanțe se numesc blocante ale canalelor ionice. Printre ei lidocaina, novocaina, procaina - substanțele, atunci când sunt introduse în organism în doze mici, se dezvoltă blocarea canalelor de sodiu dependente de tensiune ale fibrelor nervoase și este blocată transmiterea semnalelor de la receptorii durerii la sistemul nervos central. Aceste substanțe sunt utilizate pe scară largă în practica medicală ca anestezice locale.
Mișcarea ionilor prin canalele ionice nu este doar baza pentru redistribuirea sarcinilor pe membrane și formarea potențialelor electrice, dar poate influența și cursul multor procese intracelulare. Acest efect asupra expresiei genelor care controlează sinteza proteinelor care formează canale nu este limitat doar la celulele țesuturilor excitabile, ci apare în toate celulele corpului. A fost identificat un grup mare de boli, a căror cauză este o încălcare a structurii și funcției canalelor ionice. Asemenea boli sunt clasificate ca „canalepatii”. Evident, cunoașterea structurii și funcțiilor canalelor ionice este necesară pentru a înțelege natura „canalelor” și pentru a căuta terapia specifică a acestora.
Canale ionice dependente de ligand
Ele sunt de obicei formate din macromolecule proteice care pot servi simultan ca canale ionice și funcții de receptor pentru anumiți liganzi. Deoarece aceeași macromoleculă poate îndeplini simultan aceste două funcții, li s-au atribuit nume diferite - de exemplu, receptor sinaptic sau canal dependent de ligand.
Spre deosebire de un canal ionic dependent de tensiune, care se deschide atunci când conformația porții de activare se modifică în condițiile unei scăderi a diferenței de potențial transmembranar, canalele ionice dependente de ligand se deschid (se activează) la interacțiunea lanțului peptidic (receptor) al unei proteine. moleculă cu un ligand, substanță pentru care receptorul are o afinitate mare ( Fig. 4).
Orez. 4. Canal ionic dependent de ligand (receptor de acetilcolină sensibil la nicotină - n-ChR): un inactiv; 6 - activat
Canalele ionice dependente de ligand sunt de obicei localizate în membranele postsinaptice ale celulelor nervoase și procesele lor, precum și în fibrele musculare. Exemple tipice de canale ionice dependente de ligand sunt canalele membranare postsinaptice activate de acetilcolină (vezi Fig. 4), glutamat, aspartat, acid gamma-aminobutiric, glicină și alți neurotransmițători sinaptici. De obicei, numele canalului (receptor) reflectă tipul de neurotransmițător care este ligandul său în condiții naturale. Deci, dacă acestea sunt canale ale sinapsei neuromusculare în care este utilizat neurotransmițătorul acetilcolină, atunci se folosește termenul „receptor de acetilcolină”, iar dacă este și sensibil la nicotină, atunci se numește sensibil la nicotină sau pur și simplu n-acetilcolină. receptor (receptor n- colinergic).
De obicei, receptorii (canalele) postsinaptici se leagă selectiv doar la un singur tip de neurotransmițător. În funcție de tipul și proprietățile receptorului și neurotransmițătorului care interacționează, canalele își schimbă selectiv permeabilitatea la ionii minerali, dar nu sunt canale strict selective. De exemplu, canalele dependente de ligand pot modifica permeabilitatea la cationii Na+ și K+ sau la anionii K+ și CI+. Această selectivitate a legării ligandului și modificările permeabilității ionice sunt fixate genetic în structura spațială a macromoleculei.
Dacă interacțiunea dintre mediator și partea receptorului a macromoleculei care formează canalul ionic este însoțită direct de o modificare a permeabilității canalului, atunci în câteva milisecunde aceasta duce la o schimbare a permeabilității membranei postsinaptice pentru minerale. ionii şi valoarea potenţialului postsinaptic. Astfel de canale sunt numite rapide și sunt localizate, de exemplu, în membrana postsinaptică a sinapselor excitatoare axo-dendritice și a sinapselor inhibitoare axosomatice.
Există canale ionice lentă dependente de liganzi. Spre deosebire de canalele rapide, deschiderea lor este mediată nu de interacțiunea directă a neurotransmițătorului cu macromolecula receptorului, ci de un lanț de evenimente incluzând activarea proteinei G, interacțiunea acesteia cu GTP, o creștere a nivelului de mesageri secundari în transmiterea intracelulară. a semnalului neurotransmițătorului, care, prin fosforilarea canalului ionic, duc la o modificare a permeabilității acestuia pentru ionii minerali și o modificare corespunzătoare a valorii potențialului postsinaptic. Întregul lanț de evenimente descris are loc în câteva sute de milisecunde. Vom întâlni astfel de canale ionice lente dependente de liganzi atunci când studiem mecanismele de reglare a inimii și a mușchilor netezi.
Un tip special sunt canalele localizate în membranele reticulului endoplasmatic al celulelor musculare netede. Ligandul lor este al doilea mesager al transducției semnalului intracelular, inozitol trifosfat-IFZ.
Sunt descrise canale ionice care sunt caracterizate de anumite proprietăți structurale și funcționale inerente atât canalelor ionice dependente de tensiune, cât și de ligand. Sunt canale ionice insensibile la tensiune, a căror stare mecanismul de poartă este controlată de nucleotidele ciclice (cAMP și cGMP). În acest caz, nucleotidele ciclice se leagă de terminalul COOH intracelular al moleculei de proteină care formează canale și activează canalul.
Aceste canale se caracterizează printr-o selectivitate mai mică a permeabilității pentru cationi și capacitatea acestora din urmă de a influența reciproc permeabilitatea. Astfel, ionii de Ca 2+, care intră prin canale activate din mediul extracelular, blochează permeabilitatea canalelor pentru ionii de Na 2+. Un exemplu de astfel de canale sunt canalele ionice ale retinei, a căror permeabilitate la ionii de Ca 2+ și Na 2+ este determinată de nivelul de cGMP.
Canalele ionice dependente de ligand sunt larg reprezentate în structurile membranei care asigură transmiterea sinaptică a semnalelor de la un număr de receptori senzoriali din sistemul nervos central; transmiterea semnalelor la sinapsele sistemului nervos; transmiterea semnalelor sistemului nervos către celulele efectoare.
S-a remarcat deja că transmiterea directă a comenzilor de la sistemul nervos către multe organe efectoare se realizează cu ajutorul neurotransmițătorilor care activează canalele ionice dependente de ligand în membranele postsinaptice. Totuşi, liganzii lor (agonişti sau antagonişti) pot fi şi substanţe de natură exogenă, care în unele cazuri sunt folosite ca substanţe medicinale.
De exemplu, după introducerea substanței diplacină în organism, care este similară ca structură cu neurotransmițătorul apetilcolinei, va exista o deschidere prelungită a canalelor ionice dependente de ligand la sinapsele neuromusculare, care nu mai transmit impulsurile nervoase de la fibrele nervoase la mușchi. . Are loc relaxarea mușchilor scheletici ai corpului, care poate fi necesară în timpul operațiilor chirurgicale complexe. Diplacina și alte substanțe care pot modifica starea canalelor ionice dependente de liganzi și pot bloca transmiterea semnalului la sinapsele neuromusculare sunt numite relaxanți musculari.
Orez. 5. Canalele de joncțiune între două celule în contact strâns
În practica medicală, se folosesc multe alte substanțe medicinale care afectează starea canalelor ionice dependente de ligand ale celulelor diferitelor țesuturi.
Canale de joncțiune (strânse) decalaj celular
Canalele de joncțiune interzisă se formează în zona de contact între două celule învecinate care sunt foarte apropiate una de cealaltă. În membrana fiecărei celule în contact, șase subunități proteice, numite conexine, formează o structură hexagonală, în centrul căreia se formează un por sau un canal ionic - un conexon (Fig. 5).
O structură de oglindă se formează în punctul de contact în membrana unei celule adiacente, iar canalul ionic dintre ele devine comun. Prin astfel de canale ionice, diverși ioni minerali, inclusiv ioni de Ca 2+, precum și substanțe organice cu greutate moleculară mică, se pot deplasa de la celulă la celulă. Canalele de joncțiuni lacunare ale celulelor asigură transferul de informații între celulele miocardului, mușchii netezi, retină și sistemul nervos.
Canalele de sodiu
Canalele de sodiu dependente de tensiune, independente de tensiune (dependente de ligand, mecanosensibile, pasive etc.) sunt larg reprezentate în celulele corpului.
Canale de sodiu dependente de tensiune
Ele constau dintr-o subunitate α, care formează canalul și două subunități β, care modulează permeabilitatea ionilor și cinetica de inactivare a canalelor de sodiu (Fig. 6).
Orez. 6. Structura bidimensională a subunității α a canalului de sodiu voltaj. Descrierea in text
După cum se poate observa din fig. 6, subunitatea a este reprezentată de patru domenii de același tip, constând din șase segmente transmembranare elicoidale conectate prin bucle de aminoacizi. Buclele care conectează segmentele 5 și 6 înconjoară porul canalului, iar al 4-lea segment conține aminoacizi încărcați pozitiv, care sunt senzori ai diferenței de potențial pe membrană și controlează poziția mecanismului de poartă în timpul schimbărilor potențialului transmembranar.
În canalele de sodiu dependente de tensiune există două mecanisme de poartă, unul dintre ele - activarea (cu participarea celui de-al 4-lea segment) asigură deschiderea (activarea) canalului la depolarizarea membranei, iar al doilea (cu participarea buclei intracelulare). între domeniul 3 și 4) - inactivarea acesteia la reîncărcarea membranei. Deoarece ambele mecanisme schimbă rapid poziția porții canalului, canalele de sodiu dependente de tensiune sunt canale ionice rapide și sunt critice pentru generarea potențialelor de acțiune în țesuturile excitabile și pentru conducerea acestora prin membranele fibrelor nervoase și musculare.
Aceste canale sunt localizate în membranele citoplasmatice ale dealului axonal al neuronilor, în dendrite și axoni, în membrana regiunii perisinaptice a sinapsei neuromusculare, în sarcolema fibrelor mușchilor striați și a miocardului contractil. Densitatea de distribuție a canalelor de sodiu în aceste structuri este diferită. În fibrele nervoase mielinice sunt concentrate în principal în zona nodurilor lui Ranvier, unde densitatea lor ajunge la aproximativ 10.000 de canale pe micron pătrat de zonă, iar în fibrele nemielinice canalele sunt distribuite mai uniform, cu o densitate de aproximativ 20 de canale pe pătrat. microni de suprafață. Aceste canale sunt practic absente în structura membranelor corpului celulei nervoase, în membrana terminațiilor nervoase care formează direct receptorii senzoriali și în membranele postsinaptice ale celulelor efectoare.
Dintre canalele de sodiu dependente de tensiune, se disting deja peste nouă subtipuri, care diferă în proprietățile subunităților α, având o afiliere specifică de țesut și diferă în sensibilitate diferită la acțiunea blocanților. De exemplu, un subtip de canal format dintr-o proteină care formează canale, a cărei sinteză este controlată de gena SCN4A, este prezent în sarcolema mușchilor scheletici complet diferențiați și inervați, iar blocanții săi sunt tetrodotoxina, saxitoxina și c-conotoxinele. În cele mai multe cazuri, subunitățile α sunt sensibile la acțiunea tetrodotoxinei, care în concentrații micromolare blochează porii și, prin urmare, intrarea în canalele de sodiu.
Toxinele din canalele de sodiu sunt cunoscute că încetinesc rata de inactivare a acestora. De exemplu, toxina anemonă de mare (ATX) și a-toxina scorpionului (ScTX) provoacă o întârziere a inactivării prin legarea la resturile de aminoacizi ale buclei S3-S4 a segmentului 4.
Substanțe numite anestezice (novocaină, dicaină, lidocaină, sovcaină, procaină si etc.). Anestezia atunci când blochează canalele de sodiu se realizează prin eliminarea posibilității de a genera impulsuri nervoase în fibrele nervoase aferente și prin aceasta blocând transmiterea semnalelor de la receptorii senzoriali ai durerii către sistemul nervos central.
S-a descoperit că modificările în structura canalelor de sodiu pot duce la dezvoltarea unui număr de boli. De exemplu, o modificare a structurii canalului controlat de gena SCNlb duce la dezvoltarea unor forme generalizate de epilepsie și convulsii cu creșterea temperaturii corpului (crize febrile).
Multe microorganisme formează toxine în corpul uman - substanțe care blochează canalele ionice în celulele afectate, care pot fi însoțite de un dezechilibru în echilibrul ionic și moartea celulelor. Alte microorganisme, dimpotrivă, își folosesc toxinele (perforinele) pentru a forma canale ionice în membrana celulară. În special, toxina bacilului antrax, care provoacă o infecție deosebit de periculoasă la om, atacă celula și formează noi pori (canale) în membrana acesteia prin care alte toxine pătrund în celulă. Acțiunea acestor toxine provoacă moartea celulelor atacate și mortalitate ridicată în această boală. Oamenii de știință au sintetizat o substanță β-ciclodextrină, care este apropiată ca structură spațială de forma canalului rezultat. Această substanță blochează canalele formate de toxina microorganismului, previne intrarea toxinelor în celule și salvează de la moarte animalele de experiment infectate cu antrax.
Canale de sodiu independente de tensiune
Canale de sodiu dependente de ligand. Structura și proprietățile lor generale sunt discutate mai sus în descrierea canalelor ionice dependente de ligand. Acest tip de canale de sodiu este larg reprezentat în organism de canalele de sodiu ale receptorului colinergic sensibil la nicotină al membranei postsinaptice a sinapsei neuromusculare, sinapsele interneuronice ale sistemului nervos central și sistemul nervos autonom (neuroni preganglionari și ganglionari). Canalele de sodiu dependente de ligand sunt localizate în membranele postsinaptice ale altor sinapse excitatorii (glutamat și aspartatergice) ale sistemului nervos central. Ele joacă un rol crucial în generarea potențialului postsinaptic excitator la sinapse și transmiterea semnalelor între neuroni și între neuroni și celule efectoare.
Canalele de sodiu dependente de ligand ale membranei postsinaptice nu sunt strict selective și pot fi permeabile simultan la mai mulți ioni: sodiu și potasiu, sodiu și calciu.
Canale de sodiu independente de tensiune, prinse de mesageri secundi. Starea acestor canale de sodiu poate fi controlată de cGMP (fotoreceptori), cAMP (receptori olfactiv) și de subunitățile proteinei G (miocard).
Canale de sodiu mecanosensibile. Prezenți în mecanoreceptorii pereților vaselor de sânge, inimă, organe interne goale, proprioceptori ai mușchilor striați și membrana miocitelor netede. Odată cu participarea lor la receptorii senzoriali, energia acțiunii mecanice este transformată într-o oscilație a diferenței de potențial - potențialul receptorului.
Corzi de sodiu pasive. Conținut în membranele citoplasmatice ale celulelor excitabile. Permeabilitatea acestor canale pentru ionii de Na+ este mică, dar prin ele ionii de Na difuzează de-a lungul unui gradient de concentrație din spațiile extracelulare în celule și depolarizează oarecum membrana. Canalele de sodiu ale membranei citoplasmatice a miocitelor netede sunt mai permeabile. Ele o depolarizează cu o cantitate mai mare (potențial de repaus aproximativ 50 mV) decât membrana miocitelor mușchilor striați (potențial de repaus aproximativ 90 mV). Astfel, canalele pasive de sodiu sunt implicate în formarea potențialului membranar de repaus.
Schimbătoare de sodiu. Schimbătorul sodiu-calciu, sau schimbătorul sodiu-calciu, a fost descris anterior și joacă un rol important în îndepărtarea ionilor de calciu din cardiomiocitele contractile.
Schimbător de protoni de sodiu. Este un tip special de proteină care formează canale care elimină protonii de hidrogen din spațiile intracelulare în schimbul pătrunderii ionilor de sodiu în celulă. Îndepărtarea protonilor este activată atunci când pH-ul din celulă scade.
Sinteza proteinelor care formează canalele de schimb de sodiu este controlată de cinci gene, denumite NAH1 -NAH5.
Canale de potasiu
Există canale de potasiu dependente de tensiune și insensibile la tensiune. Dintre acestea din urmă, se disting canalele de potasiu pasive, dependente de liganzi și alte tipuri. De regulă, canalele de potasiu se găsesc în membranele acelorași celule și țesuturi care conțin canale de sodiu. Unul dintre motivele pentru un astfel de paralelism în aranjarea acestor canale ionice este că ionii Na+ și K+ sunt cei mai importanți cationi, natura distribuției și mișcării cărora determină apariția și schimbarea potențialelor electrice ca una dintre cele mai importante forme. de transmitere a semnalului informaţional în organism.
Există o întreagă superfamilie de canale ionice de potasiu, care sunt împărțite în funcție de caracteristicile structurale, localizarea și proprietățile canalelor în familii, tipuri și subtipuri separate. Au fost descrise mai mult de trei duzini de canale de potasiu și nu este posibil să se prezinte caracteristicile detaliate ale acestora. Prin urmare, ca exemple, vor fi date descrieri ale acelor familii și tipuri de canale ionice care sunt în principal legate de căile de semnalizare și mecanismele de control ale proceselor nervoase și musculare.
Canale pasive de potasiu
Se știe că în starea de repaus, membranele celulelor excitabile sunt relativ permeabile la ionii K și slab permeabile la ionii Na+. Deoarece purtătorii curenților electrici transmembranari sunt ioni, prin măsurarea curentului electric care curge prin membrana celulară, se poate judeca starea canalelor ionice. S-a dovedit că curentul electric transmembranar, cauzat de difuzia ionilor de K de-a lungul gradientului de concentrație din celulă, este de aproximativ doi picoamperi și are un caracter pulsatoriu, iar durata medie a pulsației este de câteva milisecunde. Din această observație, s-a ajuns la concluzia că canalele de potasiu dintr-o celulă în repaus se pot deschide și închide spontan, oferind condiții pentru difuzia ionilor de K prin ele din celulă și formarea unui potențial de repaus pe membrană.
Canale de potasiu dependente de tensiune
Existența canalelor de potasiu dependente de tensiune în membranele celulare ale țesuturilor excitabile a devenit cunoscută după ce s-a constatat că cinetica de activare a acestora diferă de cea a canalelor de sodiu dependente de tensiune și, în plus, sunt blocate selectiv de alți blocanți. Canalele de potasiu sunt activate în același mod ca și canalele de sodiu, atunci când membrana celulară este depolarizată la un nivel critic, dar, în același timp, rata de ieșire a ionilor K+ din celulă crește mult mai lent decât rata de intrare a Na+. ioni în celulă.
Filtrul selectiv al canalului de potasiu este situat în interiorul gurii porilor, spre deosebire de locația externă a unui filtru similar în canalele de sodiu (Fig. 7). Existența selectivității acestor canale în raport cu cationii Na+ și K+ și cu diverși blocanți specifici - tetrodotoxina (pentru sodiu) și tetraetilamoniu (pentru potasiu) - indică structura diferită a acestor canale.
Canalele de potasiu dependente de tensiune sunt tetrameri și constau din patru subunități care formează un por în centru.
Canalele de potasiu dependente de tensiune sunt localizate în membranele atât ale celulelor excitabile, cât și ale celulelor neexcitabile. Ele joacă un rol important în rata de recuperare (repolarizare) a potențialului de membrană după depolarizarea acestuia și, astfel, în controlul formei și frecvenței de generare a potențialelor de acțiune. Canalele lente de potasiu sunt blocate de traetilamoniu, 4-aminopiridină, fenciclidină și 9-aminoacridină.
Orez. 7. Canal de potasiu: a - stânga - structura bidimensională a subunității a; în dreapta este o diagramă a canalului; b — diagrama de difracție a electronilor a canalelor de potasiu din membrana citoplasmatică.
În plus față de canalele lente de potasiu, au fost descrise canale rapide de potasiu dependente de voltaj, a căror cinetică de deschidere este similară cu cea a canalelor de sodiu dependente de voltaj rapid. Aceste canale de potasiu se deschid rapid la depolarizare, apoi sunt complet inactivate, iar reactivarea lor necesită nu numai repolarizarea membranei, ci hiperpolarizarea pentru o perioadă.
În conformitate cu numele genelor care codifică sinteza și asamblarea moleculelor care formează canale, se disting șase tipuri KCN cu subtipurile KCN A, B, C, E și o familie de canale ionice KCNQ. Canalele acestei din urmă familii sunt exprimate în miocard.
Canale de potasiu dependente de ligand
Ele sunt reprezentate de un număr mare de canale sensibile la acțiunea diverșilor liganzi.
Un tip de numeroase canale de potasiu dependente de liganzi este canalul asociat receptorului de acetilcolină sensibil la muscarină. Aceste canale sunt activate de acetilcolină. Canalele pot fi blocate de bradikinină și ionii de bariu. Există două subtipuri ale acestor canale: cele inactivate de muscarină și cele activate de aceasta. Acesta din urmă este localizat în celulele stimulatoare cardiace ale inimii.
Proprietățile unui canal de potasiu dependent de ligand sunt posedate de canale de cationi neselective independente de tensiune care combină caracteristicile canalelor și receptorilor de acetilcolină sensibili la nicotină ai membranei postsinaptice a sinapsei neuromusculare. Când proteina care formează canale interacționează cu acetilcolina, acest canal neselectiv se deschide, prin care ionii Na+ intră în celula musculară, iar ionii K ies din ea. Ratele diferite de mișcare ale acestor ioni asigură apariția depolarizării membranei postsinaptice, care nu se dezvoltă într-un potențial de acțiune direct asupra acestei membrane.
Au fost identificate canalele de potasiu sensibile la ATP, care sunt inhibate și activate prin acțiunea ATP.
O familie separată de canale de potasiu constă din așa-numitele canale de potasiu de redresare de intrare (porți) sau redresoare de intrare (spre interiorrectificarea; spre interiorredresor). Nu există senzor de tensiune în mecanismul de redresare a canalului de potasiu. Semnificația funcțională a acestor canale constă în influența lor asupra excitabilității celulelor stimulatoare cardiace, a celulelor musculare și a neuronilor.
Familia de canale de potasiu de intrare, în funcție de numele genelor care le codifică, este împărțită în mai mult de 15 tipuri. Un exemplu de semnificație specifică a redresării canalelor de potasiu de intrare și, în special, a canalelor KCNJ 3, 5, 6 și 9 (o altă denumire canale Kir) poate fi rolul lor specific în reglarea ritmului cardiac prin asocierea acestor canale cu G. receptorii de acetilcolină sensibili la proteine și la muscarină ai celulelor - stimulatoare cardiace.
Sunt cunoscute canale de potasiu activate de sodiu insensibile la tensiune.
Sunt descrise canale speciale de potasiu insensibile la tensiune, sensibile la modificările pH-ului, care sunt prezente în celulele β ale insulelor pancreatice și acționează ca un senzor de glucoză în ele. Canalele de potasiu sunt, de asemenea, cunoscute a fi sensibile la modificările volumului celular.
Canale de calciu
Familia canalelor de calciu este larg reprezentată în celulele țesutului nervos și muscular. Principalele locuri de localizare a acestora sunt membranele terminalelor presinaptice ale reticulului sarcoplasmatic și endoplasmatic al mușchilor, sarcolema cardiomiocitelor și membranele celulelor altor țesuturi.
Pe baza metodelor de control al permeabilității, canalele de calciu sunt împărțite în dependente de tensiune, pasive, dependente de liganzi, mecanosensibile etc.
Canalele de calciu sunt împărțite în funcție de rata de inactivare în canale de tip T ( tranzitoriu- tranzitorie), de tip L (lent). În funcție de afilierea țesutului și de sensibilitatea la toxine, se disting canalele de tip B (creier- creier), de tip N (neuronală- neuronale), de tip P (purkinjecelulă- Celula Purkinje) și de tip R (rezistentă la toxine).
Canale de calciu dependente de tensiune
Ele sunt formate dintr-o proteină oligomeră, constând de obicei din cinci subunități a1, a2, β, y și δ. Canalul ionic în sine este format din subunitatea α, care are un grad ridicat de similitudine în compoziția și structura aminoacizilor cu o subunitate similară de canale de sodiu și potasiu dependente de tensiune (vezi Fig. 6, Fig. 7).
Canalul de calciu dependent de tensiune este selectiv permeabil la ionii de Ca2+. Selectivitatea este asigurată de prezența unui por care formează un filtru selectiv.
Este timpul format din segmente ale subunității a 1, prin urmare, având în vedere similaritatea structurii sale cu cea a canalelor de cationi monovalente, ne-am aștepta ca canalul de calciu să fie permeabil la ionii Na+ și K+. Această proprietate apare de fapt atunci când calciul este îndepărtat din mediul extracelular.
În condiții naturale, selectivitatea față de calciu este asigurată în canal prin prezența a două locuri de legare a calciului în porul canalului. Unul dintre ele este format dintr-un grup de reziduuri de glutamat, iar la o concentrație scăzută de calciu devine puternic legat de acest loc al porului canalului, iar canalul pentru calciu devine slab permeabil. Pe măsură ce concentrația de calciu crește, probabilitatea ca calciul să ocupe un al doilea loc de legare crește; forțele de repulsie electrostatică rezultate între ionii de Ca 2+ reduc foarte mult timpul de rezidență al ionilor la locurile de legare. Calciul eliberat difuzează prin canalul activat în celulă de-a lungul unui gradient electrochimic.
Canalele de calciu dependente de tensiune diferă în ceea ce privește valorile de prag ale diferenței de potențial la care sunt activate. Canalele de tip T sunt activate de mici schimbări de tensiune pe membrană, tipurile L și P sunt caracterizate prin praguri de schimbare a tensiunii înalte care provoacă activarea lor.
Canalele de calciu dependente de tensiune joacă un rol important într-o serie de procese vitale din organism. Activarea lor și intrarea calciului în terminalul presinaptic sunt necesare pentru transmiterea semnalului sinaptic.
Intrarea calciului prin canalele de calciu în celula stimulatorului cardiac este necesară pentru a genera potențiale de acțiune în celulele stimulatoare cardiace ale inimii și pentru a asigura contracția ritmică a acestuia. Canalele de calciu dependente de tensiune reglează fluxul de calciu în sarcoplasma fibrelor miocardice, mușchilor scheletici, miocitelor netede ale vaselor de sânge și organelor interne, controlând inițierea, viteza, puterea, durata contracției lor și, prin urmare, mișcarea, funcția de pompare a inima, tensiunea arterială, respirația și multe alte procese din organism.
Canale pasive de calciu
Se găsește în membranele citoplasmatice ale miocitelor netede. Ele sunt permeabile la calciu în repaus, iar calciul, împreună cu ionii K+ și Na+, este implicat în crearea diferenței de potențial transmembranar sau a potențialului de repaus al miocitelor netede. Calciul care intră în miocitul neted prin aceste canale este o sursă de completare a rezervelor sale în reticulul endoplasmatic și este folosit ca mesager secundar în transmiterea semnalelor intracelulare.
Calciul în repaus se poate muta de la celulă la celulă prin canalele de joncțiune interzisă. Aceste canale nu sunt selective pentru calciu, iar schimbul intercelular de alți ioni și substanțe organice cu greutate moleculară mică poate avea loc simultan prin ele. Calciul care intră în celule prin canalele de joncțiune internă joacă un rol important în apariția excitației, inițierea și sincronizarea contracțiilor miocardului, uterului, sfincterelor organelor interne și menținerea tonusului vascular.
Canale de calciu dependente de ligand
La studierea mecanismelor de declanșare și reglare a contracțiilor miocardice și ale mușchilor netezi, s-a dovedit că acestea depind de aportul de calciu către miocit atât din mediul extracelular, cât și din depozitele sale intracelulare. În acest caz, intrarea calciului în sarcoplasmă poate fi controlată prin modificarea diferenței de potențial pe sarcolemă și activarea canalelor de calciu dependente de tensiune și (sau) acțiunea unui număr de molecule de semnalizare asupra membranei reticulului sarcoplasmatic. .
Canalele de calciu dependente de ligand sunt localizate în membranele citoplasmatice ale miocitelor netede. Liganzii receptorilor lor pot fi hormoni: vasopresina, oxitocina, adrenalina; neurotransmițător norepinefrină; molecule de semnalizare: angiotensină 2, endoteliu 1 și alte substanțe. Legarea ligandului de receptor este însoțită de activarea canalului de calciu și de intrarea calciului în celulă din mediul extracelular.
În cardiomiocite, pentru a iniția contracția musculară, este necesar să se activeze inițial canalele de calciu de tip T, apoi de tip L, a căror deschidere asigură intrarea unei anumite cantități de ioni de Ca 2+ în celulă. . Calciul care intră în celulă activează receptorul de rianodină (RYR), o proteină care formează canale încorporată în membrana reticulului sarcoplasmatic al cardiomiocitului. Ca urmare a activării canalului, permeabilitatea acestuia la calciu crește, iar acesta din urmă difuzează în sarcoplasmă de-a lungul gradientului de concentrație. Astfel, ionii de Ca 2+ acționează ca un fel de liganzi care activează receptorii de rianodină și, prin urmare, canalele de calciu. Ca rezultat, calciul extracelular care intră în celulă acționează ca un declanșator pentru eliberarea calciului din principalul său depozit intracelular.
Canalele de calciu pot fi simultan sensibile la modificările diferențelor de potențial de-a lungul membranei citoplasmatice și la acțiunea liganzilor. De exemplu, canalele de calciu dependente de tensiune de tip L sunt sensibile la dihidropiridină (nifedipină), fenilalchilamine (verapamil) și benzotiazepine (diltiazem). Acest tip de canal este adesea numit receptor de dihidropiridină. Acest nume sugerează că canalul L-calciu este legat de ligand, deși în realitate este un canal dependent de tensiune.
Canalele de tip P sunt rezistente la acțiunea conogoxinelor și a medicamentelor la care sunt sensibile alte tipuri de canale de calciu.
Proprietățile funcționale ale subunităților α1 ale canalelor de calciu dependente de tensiune pot fi modulate prin fosforilarea lor și, astfel, starea de permeabilitate ionică a canalelor de calciu, de exemplu, în miocard, poate fi reglată.
Un tip special de canale ionice de calciu dependente de ligand sunt canalele localizate în membranele reticulului endoplasmatic al celulelor musculare netede, a căror stare de permeabilitate este controlată de nivelul intracelular al mesagerului secundar - IPG. Folosind aceste canale ca exemplu, întâlnim un caz în care o moleculă-agonist de semnalizare extracelulară, activând receptorul membranei plasmatice a celulei musculare netede țintă, activează calea fosfatului de inozitol de transmitere a semnalului intracelular, care la rândul său, prin acțiunea IPE, activează următoarea proteină care formează canalele din membrana organelelor celulare. Acest întreg lanț de evenimente de transmisie a semnalului se încheie cu eliberarea de ioni de Ca 2+ din depozitele intracelulare, care declanșează și controlează mecanismul molecular de contracție a celulelor musculare netede.
Canale de calciu mecanosensibile
Ele sunt localizate în membrana plasmatică a miocitelor netede ale pereților vaselor de sânge, mioita organelor interne, endoteliul vascular și epiteliul bronșic. Aceste canale pot fi asociate cu mecanoreceptorii glicoproteici. Ca răspuns la stresul mecanic (de exemplu, întinderea peretelui vasului de către tensiunea arterială), permeabilitatea la ionii de Ca 2+ crește. Canalele mecanosensibile nu au selectivitate mare și își modifică permeabilitatea simultan pentru un număr de cationi. Intrarea calciului și a sodiului într-o celulă musculară netedă determină depolarizarea membranei acesteia, deschiderea canalelor de calciu dependente de tensiune, creșterea intrării calciului și contracția miocitului neted.
Aceste evenimente fac parte din mecanismul de adaptare a tonusului vascular și de reglare a fluxului sanguin la valorile variabile ale tensiunii arteriale în vas și ale vitezei fluxului sanguin (reglare miogenă). În plus, canalele de calciu mecanosensibile sunt implicate în implementarea mecanismelor de relaxare a stresului vascular în timpul creșterilor prelungite ale tensiunii arteriale.
Canale de clor
Canalele de clorură sunt prezente în membranele plasmatice ale majorității celulelor. Ele joacă un rol important în menținerea diferenței de potențial transmembranar într-o celulă în repaus și în schimbarea lor atunci când activitatea funcțională a celulelor se modifică. Canalele de clorură sunt implicate în reglarea volumului celular, transportul transepitelial al substanțelor și secreția fluidă de către celulele secretoare.
În conformitate cu mecanismele de activare, se disting trei superfamilii de canale de clor: canale de clor dependente de tensiune, dependente de ligand și alte canale de clor insensibile la tensiune.
Potenţiale canale de clor dependente. Localizat în membranele celulelor excitabile și epiteliale. Starea de permeabilitate a acestor canale este controlată de mărimea diferenței de potențial transmembranar.
Permeabilitatea dependentă potențială a canalelor de clorură variază în diferite țesuturi. Astfel, în membrana axonală, dependența permeabilității canalelor de clor de diferența de potențial este nesemnificativă și nu afectează semnificativ modificarea mărimii potențialului de acțiune în timpul excitației, iar în mușchii scheletici această dependență a permeabilității canalelor de clor. este mai mare.
Canalul CLC1 este un reprezentant tipic al canalelor de clorură ale fibrei musculare sarcolemale a mușchiului scheletic. Canalul prezintă permeabilitate pe întreaga gamă de modificări ale tensiunii transmembranare în repaus, este activat la depolarizare și inactivat la hiperpolarizarea membranei.
Canale de clorură dependente de ligand. Exprimată predominant în țesutul nervos. Starea de permeabilitate a acestor canale de clorură este controlată în primul rând de liganzi extracelulari, dar pot fi sensibili la concentrațiile intracelulare de calciu și activați de proteinele G și cAMP. Canalele de acest tip sunt distribuite pe scară largă în membranele postsinaptice și sunt utilizate pentru a efectua inhibarea postsinaptică. Starea de permeabilitate a canalelor este controlată prin activarea canalelor cu liganzi - neurotransmițători inhibitori (acid y-aminobutiric și glicină).
Canale de clor insensibile la tensiune. Include canale de clorură pasive, canale sensibile la ATP și regulator de conductanță transmembranară a fibrozei interstițiale (chisticefibrozătransmembranarconductantaregulator- CFTR).
CFTR constă aparent din canalul de clor însuși și un canal de reglementare reprezentat de un domeniu de reglementare special (domeniul P). Reglarea conductanței ionice a acestor canale este realizată prin fosforilarea domeniului de reglare de către protein kinaza dependentă de cAMP. Încălcarea structurii și funcției acestui canal duce la dezvoltarea unei boli grave însoțite de disfuncția multor țesuturi - fibroza interstițială.
Acvaporine
Acvaporine(din lat. acva- apă, greacă porus- canal, por) - proteine care formează canale de apă și asigură transferul transmembranar al apei. Acvaporinele sunt proteine membranare integrale, tetramerice, al căror monomer are o masă de aproximativ 30 kDa. Astfel, fiecare acvaporină formează patru canale de apă (Fig. 8).
O caracteristică specială a acestor canale este că moleculele de apă din ele se pot mișca în condiții izosmotice, de exemplu. când nu sunt afectate de forţele gradientului osmotic. Abrevierea AQP este folosită pentru a se referi la acvaporine. Au fost izolate și descrise o serie de tipuri de acvaporine: AQP1 - în membranele epiteliale ale tubilor renali proximali, membrul descendent al ansei lui Henle; în membranele endoteliului și miocitele netede ale vaselor de sânge, în structurile corpului vitros; AQP2 - în membranele epiteliului canalelor colectoare. S-a constatat că această acvaporină este sensibilă la acțiunea hormonului antidiuretic și, pe această bază, poate fi considerată un canal de apă legat de ligand. Expresia genei care controlează sinteza acestei acvaporine este reglată de hormonul antidiuretic; AQP3 se găsește în membranele celulelor corneene; AQP4 - în celulele creierului.
Orez. 8. Structura canalului de apă AQP1: a - lanțuri peptidice care formează canalul; b — canal asamblat: A, B, C, D, E — secțiuni ale lanțului proteic
S-a dovedit că AQP1 și AQP4 joacă un rol important în formarea și circulația lichidului cefalorahidian. Acvaporinele se găsesc în epiteliul tractului gastrointestinal: AQP4 - în stomac și intestinul subțire; AQP5 - în glandele salivare; AQP6 - în intestinul subțire și pancreas; AQP7 - în intestinul subțire; AQP8, AQP9 - în ficat. Unele acvaporine transportă nu numai molecule de apă, ci și substanțe organice solubile în ea (oxigen, glicerol, uree). Astfel, acvaporinele joacă un rol important în metabolismul apei în organism, iar întreruperea funcției lor poate fi unul dintre motivele formării edemului cerebral și pulmonar și dezvoltării insuficienței renale și cardiace.
Cunoașterea mecanismelor de transport ionic prin membrane și a metodelor de influențare a acestui transport este o condiție indispensabilă nu numai pentru înțelegerea mecanismelor de reglare a funcțiilor vitale, ci și pentru alegerea corectă a medicamentelor în tratamentul unui număr mare de boli (hipertensiune arterială). , astm bronșic, aritmii cardiace, tulburări de schimb apă-sare etc.).
Pentru a înțelege mecanismele de reglare a proceselor fiziologice din organism, este necesar să se cunoască nu numai structura și permeabilitatea membranelor celulare pentru diferite substanțe, ci și structura și permeabilitatea formațiunilor structurale mai complexe situate între sânge și țesuturi ale diferitelor substanțe. organe.
De ce o persoană este șocată și se electrizează?
Șoc electric: consecințe, acțiuni necesare și măsuri corecte De ce primește o persoană șoc electric?
Diversitatea și proprietățile canalelor ionice
Prezentare pe tema „modelare pe computer”
Cele mai puternice supercalculatoare din lume Cel mai puternic supercomputer
Inteligență artificială și neuroni și rețele
Omul care a prezis totul: Ray Kurzweil despre viitorul tehnologiei