Скільки типів хлорних каналів відоме. Різноманітність та властивості іонних каналів. Фізіологія збудливих тканин
Будова та функції іонних каналів. Іони Na + , K + , Са 2+ , Сl - проникають усередину клітини і виходять назовні через спеціальні, заповнені рідиною канали. Розмір каналів досить малий (діаметр 05-07 нм). Розрахунки показують, що сумарна площа каналів займає незначну частину поверхні клітинної мембрани.
Функцію іонних каналів вивчають у різний спосіб. Найбільш поширеним є метод фіксації напруги, або "voltage-clamp" (рис. 2.2). Сутність методу у тому, що з допомогою спеціальних електронних систем у процесі досвіду змінюють і фіксують певному рівні мембранний потенціал. При цьому вимірюють величину іонного струму, що протікає через мембрану. Якщо різниця потенціалів стала, то відповідно до закону Ома величина струму пропорційна провідності іонних каналів. У відповідь на ступінчасту деполяризацію відкриваються ті чи інші канали, відповідні іони входять у клітину електрохімічним градієнтом, тобто виникає іонний струм, який деполяризує клітину. Ця зміна реєструється за допомогою керуючого підсилювача і через мембрану пропускається електричний струм, що дорівнює за величиною, але протилежний у напрямку мембранного іонного струму. При цьому трансмембранна різниця потенціалів не змінюється. Спільне використання методу фіксації потенціалу та специфічних блокаторів іонних каналів призвело до відкриття різних типів іонних каналів у клітинній мембрані.
В даний час встановлено багато типів каналів для різних іонів (табл. 2.1). Одні їх дуже специфічні, другі, крім основного іона, можуть пропускати й інші іони.
Вивчення функції окремих каналів можливе методом локальної фіксації потенціалу path-clamp; Мал. 2.3, А). Скляний мікроелектрод (мікропіпетка) заповнюють сольовим розчином, притискають до поверхні мембрани та створюють невелике розрідження. При цьому частина мембрани підсмоктується до мікроелектрод. Якщо в зоні присмоктування виявляється іонний канал, реєструють активність одиночного каналу. Система подразнення та реєстрації активності каналу мало відрізняється від системи фіксації напруги.
Таблиця 2.1.Найважливіші іонні канали та іонні струми збудливих клітин
Примітка.ТЕА – тетраетиламмоній; ТТХ – тетродотоксин.
Зовнішня частина каналу порівняно доступна вивчення, вивчення внутрішньої частини становить значні труднощі. П. Г. Костюком було розроблено метод внутрішньоклітинного діалізу, який дозволяє вивчати функцію вхідних та вихідних структур іонних каналів без застосування мікроелектродів. Виявилося, що частина іонного каналу, відкрита у позаклітинний простір, за своїми функціональними властивостями відрізняється від частини каналу, зверненої у внутрішньоклітинне середовище.
Саме іонні канали забезпечують дві важливі властивості мембрани: селективність та провідність.
Селективність,або вибірковість,канал забезпечується його особливою білковою структурою. Більшість каналів є електрокерованими, тобто їхня здатність проводити іони залежить від величини мембранного потенціалу. Канал неоднорідний за своїми функціональними характеристиками, особливо це стосується білкових структур, що знаходяться біля входу в канал і його виходу (так звані воротні механізми).
5. Поняття про збудливість. Параметри збудливості нервово-м'язової системи: поріг подразнення (реобазу), корисний час (хронаксія). Залежність сили роздратування від часу дії (крива Гоорвега-Вейса). Рефрактерність.
Збудливість- Здатність клітини відповідати на роздратування формування ПД та специфічною реакцією.
1) фаза локальної відповіді – часткова деполяризація мембрани (входження Na + у клітину). Якщо нанести подразник невеликий, то відповідь сильніша.
Локальна деполяризація – фаза екзальтації.
2) фаза абсолютної рефрактерності – властивість збудливих тканин не формувати ПД ні за якого за силою подразника
3) фаза відносної рефрактерності.
4) фаза повільної реполяризації – роздратування – знову сильна відповідь
5) фаза гіперполяризації – збудливість менша (субнормальна), стимул має бути більшим.
Функціональна лабільність- Оцінка збудливості тканини через максимально можливу кількість ПД в одиницю часу.
Закони порушення:
1) закон сили – сила подразника має бути пороговою чи надпороговою (мінімальна величина сили, що викликає збудження). Чим сильніший подразник, тим сильніше збудження – лише об'єднань тканини (нервовий стовбур, м'яз, виняток – ГМК).
2) закон часу – тривалий діючий подразник має бути достатньою для виникнення збудження.
Між силою та часом назад пропорційна залежність у межах між мінімальним часом та мінімальною силою. Мінімальна сила – реобаза – сила, що викликає збудження і залежить від тривалості. Мінімальний час – корисний час. Хронаксія – збудливість тієї чи іншої тканини, час, у якому виникає збудження, дорівнює двом реобазам.
Чим більша сила, тим більша відповідь до певного значення.
Фактори, що створюють МПП:
1) різниця концентрацій натрію та калію
2) різна проникність для натрію та калію
3) робота Na-К насоса (3 Na+ виводиться, 2 К+ повертається).
Залежність між силою подразника і тривалістю його впливу, необхідного для виникнення мінімальної реакції реакції живої структури, дуже добре можна простежити на так званій кривій сили - часу (крива Гоорвега-Вейса-Лапіка).
З аналізу кривої випливає, що, хоч якою була велика сила подразника, при недостатній тривалості його впливу реакції у відповідь не буде (точки зліва від висхідної гілки гіперболи). Аналогічне явище спостерігається при тривалій дії подпорогових подразників. Мінімальна сила струму (або напруги), здатна викликати збудження, названа Лапиком реобазою (відрізок ординати ОА). Найменший проміжок часу, протягом якого струм, рівний за силою подвоєної реобази, викликає в тканині збудження, називають хронаксією (відрізок абсциси OF), яка є показником порогової тривалості подразнення. Хронаксія вимірюється у δ (тисячні частки секунди). За величиною хронаксії можна судити про швидкість виникнення збудження у тканині: що менше хронаксія, то швидше виникає збудження. Хронаксія нервових і м'язових волокон людини дорівнює тисячним і десятитисячним часткам секунди, а хронаксія про повільних тканин, наприклад м'язових волокон шлунка жаби, - сотим часткам секунди.
Визначення хронаксії збудливих тканин набуло широкого поширення у експерименті, а й у фізіології спорту, в клініці. Зокрема шляхом вимірювання хронаксії м'яза невропатолог може встановити наявність пошкодження рухового нерва. Необхідно відзначити, що подразник може бути досить сильним, мати граничну тривалість, але низьку швидкість наростання в часі до граничної величини, збудження в цьому випадку не виникає. Пристосування збудливої тканини до подразника, що повільно наростає, отримало назву акомодації. Акомодація зумовлена тим, що за час наростання сили подразника в тканині встигають розвинутися активні зміни, що підвищують поріг подразнення та перешкоджають розвитку збудження. Таким чином, швидкість наростання подразнення в часі, або градієнт подразнення, має важливе значення для виникнення збудження.
Закон градієнта роздратування. Реакція живої освіти на подразник залежить від градієнта подразнення, тобто від терміновості або крутості наростання подразника в часі: чим вищий градієнт подразнення, тим сильніша (до певних меж) реакція у відповідь збудливої освіти.
Отже закони подразнення відбивають складні взаємовідносини між подразником і збудливою структурою за її взаємодії. Для виникнення збудження подразник повинен мати граничну силу, мати граничну тривалість і мати певну швидкість наростання в часі.
6. Іонні насоси (АТФ-ази): K+-Na+-ева, Ca2+-ева (плазмолеми та саркоплазматичного ретикулуму), H+–K+-обмінник.
Згідно з сучасними уявленнями, в біологічних мембранах є іонні насоси, що працюють за рахунок вільної енергії гідролізу АТФ, - спеціальні системи інтегральних білків (транспортні АТФази).
В даний час відомі три типи електрогенних іонних насосів, що здійснюють активне перенесення іонів через мембрану (рис.13).
Перенесення іонів транспортними АТФазами відбувається внаслідок поєднання процесів перенесення з хімічними реакціями за рахунок енергії метаболізму клітин.
При роботі К+-Na+-АТФази за рахунок енергії, що звільняється при гідролізі кожної молекули АТФ, в клітину переноситься два іони калію і одночасно з клітини викачуються три іони натрію. Таким чином, створюється підвищена порівняно з міжклітинним середовищем концентрація в клітині іонів калію та знижена натрію, що має велике фізіологічне значення.
Ознаки «біонасосу»:
1. Рух проти градієнта електрохімічного потенціалу.
2. потік речовини сполучений з гідролізом АТФ (або іншого джерела енергії).
3. асиметрія транспортної машини.
4. насос in vitro здатний гідролізувати АТФ лише у присутності тих іонів, що він переносить in vivo.
5. при вбудовуванні насоса в штучне середовище він може зберігати селективність.
Молекулярний механізм роботи іонних АТФаз остаточно не вивчений. Проте простежуються основні етапи цього складного ферментативного процесу. У разі К+-Nа+-АТФази налічується сім етапів перенесення іонів, пов'язаних із гідролізом АТФ.
На схемі видно, що ключовими етапами роботи ферменту є:
1) утворення комплексу ферменту з АТФ на внутрішній поверхні мембрани (ця реакція активується іонами магнію);
2) зв'язування комплексом трьох іонів натрію;
3) фосфорилювання ферменту з утворенням аденозиндифосфату;
4) переворот (фліп-флоп) ферменту всередині мембрани;
5) реакція іонного обміну натрію на калій, що відбувається на зовнішній поверхні мембрани;
6) зворотний переворот ферментного комплексу з перенесенням іонів калію всередину клітини;
7) повернення ферменту у вихідний стан зі звільненням іонів калію та неорганічного фосфату (Р).
Таким чином, за повний цикл відбуваються викид із клітини трьох іонів натрію, збагачення цитоплазми двома іонами калію та гідроліз однієї молекули АТФ.
12. Іонні канали…
Іонний канал складається з декількох субодиниць, їх кількість в окремому іонному каналі становить від 3 до 12 субодиниць. За своєю організацією субодиниці, що входять до каналу, можуть бути гомологічними (однотипними), ряд каналів сформований різнотипними субодиницями.
Кожна із субодиниць складається з декількох (три і більше) трансмембранних сегментів (неполярні частини, закручені в α-спіралі), із поза- та внутрішньоклітинних петель та кінцевих ділянок доменів (представлені полярними областями молекул, що формують домен та виступають за межі біліпідного шару мембрани) .
Кожен із трансмембранних сегментів, поза- та внутрішньоклітинних петель та кінцевих ділянок доменів виконує свою функцію.
Так, трансмембранний сегмент 2, організований як α-спіралі, визначає селективність каналу.
Кінцеві ділянки домену виступають як сенсори до поза- і внутрішньоклітинних лігандів, а один з трансмембранних сегментів відіграє роль потенціалзалежного сенсора.
Треті трансмембранні сегменти у субодиниці відповідальні за роботу ворітної системи каналів тощо.
Іонні канали працюють за механізмом полегшеної дифузії. Рух за ними іонів при активації каналів йде градієнтом концентрації. Швидкість переміщення через мембрану становить 10 іонів на секунду.
Специфіка іонних каналів.
Більшість їх ставляться до селективним, тобто. каналів, що пропускають лише один вид іонів (натрієві канали, калієві канали, кальцієві канали, аніонні канали).
Селективність каналу.
Селективність каналу визначається наявністю вибіркового фільтра.
Його роль виконує початковий ділянку каналу, який має певний заряд, конфігурацію та розмір (діаметр), що дозволяє пройти в канал лише певному виду іонів.
Деякі з іонних каналів неселективні, наприклад канали витоку. Це такі канали мембрани, якими в стані спокою по градієнту концентрації з клітини виходять іони К + , проте по цих каналах в клітину в стані спокою по градієнту концентрації входить і невелика кількість іонів Na + .
Сенсор іонного каналу.
Сенсор іонного каналу - чутлива частина каналу, яка приймає сигнали, природа яких може бути різна.
На цій основі виділяють:
потенціалзалежні іонні канали;
рецептор керовані іонні канали;
лігандкеровані (лігандзалежні);
механокеровані (механозалежні).
Канали, що мають сенсор, називаються керованими. У деяких каналів сенсор відсутній. Такі канали називають некерованими.
Воротна система іонного каналу.
Канал має ворота, які закриті в стані спокою і відкриваються при впливі сигналу. У деяких каналів виділяють два види воріт: активаційні (m-ворота) та інактиваційні (h-ворота).
Виділяють три стани іонних каналів:
стан спокою, коли ворота закриті та канал недоступний для іонів;
стан активації, коли ворітна система відкрита та іони переміщається через мембрану по каналу;
стан інактивації, коли канал закритий і відповідає стимули.
Швидкість проведення (провідність).
Бувають швидкі та повільні канали. Канали "відпливу" - повільні, натрієві канали в нейронах - швидкі.
У мембрані будь-якої клітини є великий набір різноманітних (за швидкістю) іонних каналів, від активації яких залежить функціональний стан клітин.
Потенціалкеровані канали.
Потенціалкерований канал складається з:
селективного фільтра;
активаційних та інактиваційних воріт;
сенсор напруги.
пори, заповненої водою;
Діаметр каналу значно більший за діаметр іона, в зоні селективного фільтра він звужується до атомарних розмірів, це і забезпечує виконання даною ділянкою каналу функції селективного фільтра.
Відкриття та закриття комірного механізму виникає при зміні мембранного потенціалу, причому відкриваються ворота при одному значенні мембранного потенціалу, а закриваються за іншого рівня потенціалу мембрани.
Вважається, що зміна електричного поля мембрани сприймається спеціальною ділянкою стінки каналу, який отримав назву сенсор напруги.
Зміна його стану, обумовлена зміною рівня мембранного потенціалу, викликає конформацію білкових молекул, що формують канал, і, як наслідок, веде до відкриття або закриття воріт іонного каналу.
Канали (натрієві, кальцієві, калієві) має чотири гомологічні домени - субодиниці (I, II, III, IV). Домен (на прикладі натрієвих каналів) складається із шести трансмембранних сегментів, організованих у вигляді а-спіралей, кожен з яких відіграє свою роль.
Так, трансмембранний сегмент 5 грає роль пори, трансмембранний сегмент 4 сенсора, що реагує зміну потенціалу мембрани, інші трансмембранні сегменти відповідальні за активацію та інактивацію ворітної системи каналу. До кінця роль окремих трансмембранних сегментів та субодиниць не вивчена.
Натрієві канали (внутрішній діаметр 0,55 нм) є в клітинах збудливих тканин. Щільність на 1 мкм 2 у різних тканинах не однакова.
Так, у немієлінових нервових волокнах вона становить 50-200 каналів, а в мієлінових нервових волокнах (перехоплення Ранв'є) - 13000 на 1 мкм 2 площі мембрани. У стані спокою вони закриті. Мембранний потенціал складає 70-80 мВ.
Вплив подразника змінює мембранний потенціал та активує потенціалзалежний натрієвий канал.
Він активується при усуненні потенціалу мембрани від рівня потенціалу спокою у напрямку критичного рівня деполяризації.
Сильний натрієвий струм забезпечує усунення потенціалу мембрани до критичного рівня деполяризації (КУД).
Зміна мембранного потенціалу -50-40 мВ, тобто. до рівня критичного рівня деполяризації, викликає відкриття інших потенціалзалежних №+-каналів, через які здійснюється вхідний натрієвий струм, що формує "пік" потенціалу дії.
Іони натрію по градієнту концентрації і хімічному градієнту каналом переміщаються в клітину, формуючи так званий вхідний натрієвий струм, що призводить до подальшого швидкого розвитку процесу деполяризації.
Мембранний потенціал змінює знак протилежний +10-20 мв. Позитивний мембранний потенціал викликає закриття натрієвих каналів, їхню інактивацію.
Потенциалзависимые № + -канали грають провідну роль формуванні потенціалу дії, тобто. процесу збудження у клітині.
Іони кальцію ускладнюють відкриття потенціалзалежних натрієвих каналів, змінюючи параметри реагування.
До + -канали
Калієві канали (внутрішній діаметр 0,30 нм) є в цитоплазматичних мембранах, виявлено значну кількість каналів "витікання" калію з клітини.
У стані спокою вони відкриті. Через них у стані спокою відбувається "витік" калію з клітини за градієнтом концентрації та електрохімічним градієнтом.
Цей процес позначається як вихід калієвий струм, який призводить до формування потенціалу спокою мембрани (-70-80 мВ). Ці калієві канали можна лише умовно віднести до потенціалзалежних.
При зміні мембранного потенціалу у процесі деполяризації відбувається інактивація калієвого струму.
При реполяризації через потенціалзалежні канали формується вхідний К+струм, який отримав назву К+струм затриманого випрямлення.
Ще один тип потенціалзалежних К+-каналів. За ними виникає швидкий калієвий струм, що виходить, в підпороговій області мембранного потенціалу (позитивний слідовий потенціал). Інактивація каналу відбувається за рахунок гіперполяризації слідів.
Інший тип потенціалзалежних калієвих каналів активується тільки після попередньої гіперполяризації, він формує швидкий калієвий транзиторний струм, який швидко інактивується.
Іони кальцію полегшують відкриття потенціалзалежних калієвих каналів, змінюючи параметри реагування.
Са + -канали.
Потенціалкеровані канали роблять істотний внесок як у регуляцію входу кальцію в цитоплазму, так і в електрогенез.
Білки, що утворюють кальцієві канали, складаються з п'яти субодиниць (al, a2, b, g, d).
Головна субодиниця alformuje власне канал і містить місця зв'язування для різних модуляторів кальцієвих каналів.
Було виявлено кілька структурно різних альсубодиниць кальцієвих каналів у нервових клітинах ссавців (позначених як А, В, С, Dі Е).
Функціонально кальцієві канали різних типів відрізняються один від одного активацією, кінетикою, провідністю одиночного каналу та фармакологією.
У клітинах описано до шести типів потенціалкерованих кальцієвих каналів (Т - ,L - ,N - ,P - ,Q - ,R - канали).
Активність потенціалкерованих каналів плазмалеми регулюється різними внутрішньоклітинними вторинними посередниками та мембранно-пов'язаними G-білками.
Кальцієві потенціалзалежні канали виявлені у великій кількості в цитоплазматичних мембранах нейронів, міоцитах гладких, поперечно-смугастих та серцевих м'язів та в мембранах ендоплазматичного ретикулуму.
Са 2+ -канали СПР є олігомерними протеїнами, вбудованими в мембрану СПР.
Са 2+ -керовані Са 2+ -канали СПР.
Ці кальцієві канали були вперше виділені зі скелетних та серцевих м'язів.
Виявилося, що Са 2+ -канали СПР у цих м'язових тканинах мають молекулярні відмінності та кодуються різними генами.
Са 2+ -канали СПР у серцевих м'язах безпосередньо пов'язані з високопороговими Са 2+ -каналами плазмалеми (L-тип) через кальційзв'язуючі білки, утворюючи таким чином функціонально активну структуру - "тріаду".
У скелетних м'язах деполяризація плазмалеми прямо активує звільнення Са 2+ з ендоплазматичного ретикулуму завдяки тому, що Са 2+ -канали плазмалеми служать потенційночутливими передавачами активуючого сигналу безпосередньо Са 2+ -каналам СПР через зв'язуючі білки.
Таким чином, Са 2+ -депо скелетних м'язів мають механізм звільнення Са 2+ , що викликається деполяризацією (RyRl-тип).
На відміну від скелетних м'язів, ендоплазматичні Са 2+ -канали кардіоміоцитів не пов'язані з плазмалемою, і для стимуляції звільнення Са 2+ з депо потрібне збільшення концентрації цитозольного кальцію (RyR2-тип).
Крім цих двох типів Са 2+ -активованих Са 2ч -каналів, нещодавно був ідентифікований третій тип Са 2+ -каналів СПР (RyR3-тип), який ще вивчений мало.
Для всіх кальцієвих каналів характерна повільна активація та повільна інактивація порівняно з натрієвими каналами.
При деполяризації м'язової клітини (випинання цитоплазматичних мембран - Т-трубочки підходять до мембран ендоплазматичного ретикулуму) відбувається потенціалзалежне відкриття кальцієвих каналів мембран саркоплазматичного ретикулуму.
Оскільки, з одного боку, концентрація кальцію в СПР велика (депо кальцію), а концентрація кальцію в цитоплазмі низька, з другого - площа мембрани СПР і щільність кальцієвих каналів у ній великі, то рівень кальцію в цитоплазмі збільшується в 100 раз.
Таке збільшення концентрації кальцію ініціює процес скорочення міофібрил.
Кальцієві канали в кардіоміоцитах знаходяться в цитоплазматичній мембрані і належать до кальцієвих каналів L-типу.
Активуються при потенціалі мембрани +20-40 мВ, формують вхідний кальцієвий струм. Довго перебувають у активованому стані, формують "плато" потенціалу дії кардіоміоциту.
Аніонні канали.
Найбільше в мембрані клітини каналів для хлору. У клітині менше іонів хлору проти міжклітинним оточенням. Тому при відкритті каналів хлор входить у клітину за градієнтом концентрації та електрохімічним градієнтом.
Кількість каналів для НСО 3 не така велика, обсяг транспорту цього аніону через канали істотно менше.
Іонні обмінники.
У мембрані є іонні обмінники (білки-переносники), які здійснюють полегшену дифузію іонів, тобто. прискорене сполучення переміщення іонів через біомембрану по градієнту концентрації, такі процеси є АТФ-незалежними.
Найбільш відомі Na + -H + ,K + -H + ,Ca 2+ -H + обмінники, а також обмінники, що забезпечують обмін катіонів на аніони (Na +-Са 2+) або аніону на аніон (Сl-НСOз).
Рецепторкеровані іонні канали.
Лігандкеровані (лігандзалежні) іонні канали.
Ліганд керовані іонні канали є підвидом рецептор керованих каналів і завжди поєднані з рецептором до біологічно активної речовини (БАВ).
Рецептори каналів, що розглядаються, відносяться до іонотропного типу мембранних рецепторів, при взаємодії яких з БАВ (ліганди) виникають швидкопротікаючі реакції.
Лігандкерований іонний канал складається з:
пори, заповненої водою;
селективного фільтра;
активаційних воріт;
центру зв'язування ліганду (рецептор). Високоенергетично активне БАВ має високу
спорідненістю (афінітетом) до певного виду рецепторів. При активації іонних каналів відбувається переміщення певних іонів за градієнтом концентрації та електрохімічним градієнтом.
У рецепторі мембрани центр зв'язування ліганду може бути доступний для ліганду із зовнішньої поверхні мембрани.
В цьому випадку як ліганд виступають гормони і парагормони, іони.
Так, за активації N-холінорецепторів активуються натрієві канали.
Кальцієву проникність ініціюють нейрональні ацетилхолінкеровані, глютаматкеровані (NMDA та АМРА/каїнаттипи) рецептори та пурино-рецептори.
ГАМК А-рецептори пов'язані з іонними хлорними каналами, з хлорними каналами пов'язані і гліцинові рецептори.
У рецепторі мембрани центр зв'язування ліганду може бути доступний для лігандів із внутрішньої поверхні мембрани.
У цьому випадку як ліганд виступають протеїнкінази, активовані іншими посередниками, або самі другі посередники.
Так, протеїнкінази А, С, G, фосфорилуючи білки катіонних каналів, змінюють їхню проникність.
Механокеровані іонні канали.
Механокеровані іонні канали змінюють свою провідність для іонів або за рахунок зміни натягу шару біліпіду, або через цитоскелет клітини. Безліч механокерованих каналів пов'язане з механорецепторами, вони існують у слухових клітинах, м'язових веретенах, судинному ендотелії.
Всі механокеровані канали поділяються на дві групи:
що активуються при розтягуванні клітин (SAC);
що інактивуються при розтягуванні клітин (SIC).
У механокерованих каналів є всі основні канальні ознаки:
час, заповнений водою;
комірний механізм;
сенсор, що реагує на розтяг.
При активації каналу відбувається переміщення іонів по градієнту концентрації.
Натрій калієва АТФаза.
Натрій, калієва Атфаза (натрій-калієвий насос, натрій-калієва помпа).
Складається з чотирьох трансмембранних доменів: з двох α-субодиниць і двох β-субодиниць. α-субодиниця є великим доменом, а β-субодиниця - малим. У ході транспорту іонів фосфорилуються великі субодиниці і крізь них переміщуються іони.
Натрій, калієва АТФаза відіграє найважливішу роль у підтримці гомеостазу натрію та калію у внутрішньо- та позаклітинному середовищі:
підтримує високий рівень К+ та низький рівеньNa+ у клітині;
бере участь у формуванні мембранного потенціалу спокою, у генерації потенціалу дії;
забезпечує Na+ сполучений транспорт більшості органічних речовин через мембрану (вторинно-активний транспорт);
суттєво впливає на гомеостаз Н2О.
Натрій, калива АТФаза робить найбільш важливий внесок у формування іонної асиметрії у поза- та внутрішньоклітинних просторах.
Поетапна робота натрію, калієвого насоса забезпечує нееквівалентний обмін калію та натрію через мембрану.
Са + -АТФаза (Насос).
Існують два сімейства Са2+-насосів, відповідальних за усунення іонів Са2+ з цитоплазми: Са2+-насоси плазмалеми та Са2+-насоси ендоплазматичного ретикулуму.
Хоча вони відносяться до одного сімейства білків (так званого Р-класу АТФаз), ці насоси виявляють деякі відмінності у будові, функціональній активності та фармакології.
Знаходиться у великій кількості у цитоплазматичній мембрані. У цитоплазмі клітини у спокої концентрація кальцію становить 10-7 моль/л, а поза клітиною значно більше -10-3 моль/л.
Така значна різниця концентрацій підтримується за рахунок роботи цитоплазматичної Са++-АТФази.
Активність Са 2+ -насоса плазмалеми контролюється безпосередньо Са 2+: збільшення концентрації вільного кальцію в цитозолі активує Са 2+ -насос.
У спокої дифузія через іонні кальцієві канали майже не відбувається.
Са-АТФаза транспортує Са із клітини у позаклітинне середовище проти його концентраційного градієнта. За градієнтом Са+ надходить у клітину завдяки дифузії через іонні канали.
У мембрані ендоплазматичного ретикулуму також міститься велика кількість Са++-АТФази.
Кальцієвий насос ендоплазматичного ретикулуму (SERCA) забезпечує видалення кальцію з цитозолю в ендоплазматичний ретикулум - депо кальцію за рахунок первинно активного транспорту.
У депо кальцій зв'язується з кальційзв'язуючими білками (кальсеквестрином, кальретикуліном та ін.).
В даний час описано принаймні три різні ізоформи SERCA-насосів.
SERCA1-підтип зосереджений виключно у швидких кістякових м'язах, SERCA2-насоси широко поширені в інших тканинах. Значення SERCA3 - насосів менш ясна.
Білки SERCA2-наcocos поділяються на дві різні ізоформи: SERCA2a, характерні для кардіоміоцитів і гладких м'язів, і SERCA2b, характерні для тканин мозку.
Збільшення Са 2+ у цитозолі активує захоплення іонів кальцію в ендоплазматичний ретикулум, тоді як збільшення вільного кальцію всередині ендоплазматичного ретикулуму пригнічує насоси SERCA.
Н+К+-АТФаза (насос).
За допомогою цього насоса (в результаті гідролізу однієї молекули АТФ) в обкладальних (парієтальних) клітинах слизової оболонки шлунка відбувається транспорт двох іонів калію з позаклітинного простору в клітину і двох іонів Н+ з цитозолю в позаклітинний простір при гідролізі однієї молекули. Цей механізм лежить в основі утворення соляної кислоти у шлунку.
Іонний насос класF.
Мітохондріальна АТФаза. Каталізує кінцевий етап синтезу АТФ. Крипти мітохондрій містять АТФ-синтазу, що сполучає окислення в циклі Кребса та фосфорилювання АДФ до АТФ.
Іонний насос класуV.
Лізосомальні Н+-АТФази (лізосомальні протонні насоси) – протонні насоси, що забезпечують транспорт Н+ із цитозолю до ряду органел-лізосоми, апарат Гольджі, секреторні везикули. В результаті знижується значення рН, наприклад, у лізосомах до 5,0, що оптимізує діяльність цих структур.
Особливості іонного транспорту
1. Значний та асиметричний трансмембранний! градієнт для Na+ та К+ у спокої.
Натрію поза клітиною (145 ммоль/л) у 10 разів більше, ніж у клітині (14 ммоль/л).
Калію в клітині (140 ммоль/л) приблизно в 30 разів більше, ніж поза клітиною (4 ммоль/л).
Ця особливість розподілу іонів натрію та калію:
гомеостатується роботою Na+/K+-наcoca;
формує у спокої калійовий струм, що виходить (канал витоку);
формує потенціал спокою;
робота будь-яких калієвих каналів (потенціалзалежних, кальційзалежних, лігандзалежних) спрямована на формування калієвого струму, що виходить.
Це або повертає стан мембрани до вихідного рівня (активація потенціалзалежних каналів у фазу реполяризації), або гіперполяризує мембрану (кальційзалежні, лігандзалежні канали, у тому числі й активовані системами других посередників).
Слід мати на увазі, що:
переміщення калію через мембрану здійснюється шляхом пасивного транспорту;
формування збудження (потенціалу дії) завжди обумовлено вхідним натрієвим струмом;
активація будь-яких натрієвих каналів завжди викликає вхідний натрієвий струм;
переміщення натрію через мембрану здійснюється майже завжди шляхом пасивного транспорту;
в епітеліальних клітинах, що утворюють у тканинах стінку різних трубок, порожнин (тонкий кишечник, канальця нефрону та ін), у зовнішній мембрані завжди є велика кількість натрієвих каналів, що забезпечують при активації вхідний натрієвий струм, а в базальній мембрані - велика кількість натрій, калієвих насосів, що викачують натрій із клітини. Такий асиметричний розподіл цих транспортних систем натрію забезпечує його трансклітинний перенесення, тобто. із просвіту кишечника, ниркових канальців у внутрішнє середовище організму;
пасивний транспорт натрію в клітину електрохімічним градієнтом веде до накопичення енергії, яка використовується для вдруге активного транспорту багатьох речовин.
2. Низький рівень кальцію у цитозолі клітини.
У клітині спокій вміст кальцію (50 нмоль/л) у 5000 разів нижче, ніж поза клітиною (2,5 ммоль/л).
Такий низький рівень кальцію в цитозолі невипадковий, оскільки кальцій у концентраціях у 10-100 разів більше вихідної виступає як другий внутрішньоклітинний посередник у реалізації сигналу.
У таких умовах можливе швидке збільшення кальцію в цитозолі за рахунок активації кальцієвих каналів (полегшена дифузія), які у великій кількості є в цитоплазматичній мембрані та мембрані ендоплазматичного ретикулума (ендоплазматичний ретикулум - "депо" кальцію в клітці).
Формування потоків кальцію, що відбувається за рахунок відкриття каналів забезпечує фізіологічно значуще підвищення концентрації кальцію в цитозолі.
Низький рівень кальцію в цитозолі клітини підтримується Са2+-АТФазою,Nа+/Са2+-обмінниками, кальційзв'язуючими білками цитозолю.
Крім швидкого зв'язування цитозольного Са 2+ внутрішньоклітинними Са 2+ -зв'язуючими білками, іони кальцію, що потрапляють у цитозоль, можуть акумулюватися апаратом Гольджі або клітинним ядром, захоплюватися мітохондріальними Са 2+ -депо.
3. Низький рівень хлору у клітині.
У клітині спокій вміст хлору (8 ммоль/л) більш ніж 10 разів нижче, ніж поза клітини (110 ммоль/л).
Такий стан підтримується роботою К+/Сl-транспортер.
Зміна функціонального стану клітин пов'язана (або обумовлена) зі зміною проникності мембрани для хлору. При активації протенціал- і ліганду керованих хлорних каналів іон через канал шляхом пасивного транспорту входить в цитозоль.
Крім того, вхід хлору в цитозоль формується за рахунок №+/К+/2СГ-котранспортера та СГ-НСО3-обмінник.
Вхід хлору у клітину збільшує полярність мембрани аж до гіперполяризації.
Особливості іонного транспорту відіграють основну роль формуванні біоелектричних явищ в органах і тканинах, які кодують інформацію, визначають функціональний стан цих структур, їх перехід з одного функціонального стану в інший.
Останнє оновлення: 28/10/2013
Друга стаття із серії «Основи фізіології людини та тварин». Йтиметься про механізм формування потенціалу дії - основи будь-якого руху.
Збудливі клітини (якими в тій чи іншій мірі всі клітини організму тварини) у спокої мають надлишок негативного заряду, що формує . Якщо клітина піддається зовнішньому подразненню, вона перетворюється на збуджений стан і генерує інший потенціал - потенціал дії.
Реалізує цей процес система іонних каналів у мембрані клітини, що регулює концентрацію електрично заряджених частинок - іонів. Усі канали, незалежно від спеціалізації, керуються певними силами. Це може бути зміна потенціалу на клітинній мембрані – у разі потенціал-залежних каналів, підвищення концентрації певних активних речовин – для ліганд-залежних або розтягнення мембрани – для механічно керованих каналів.
Канали – це специфічні білки, вбудовані в мембрану. Кожен тип каналів пропускає певні іони. Це система пасивного транспорту: іони проходять через них завдяки дифузії, а канали просто контролюють концентрацію частинок, що проходять, регулюють для них проникність мембрани.
У формуванні потенціалу дії, як і потенціалу спокою, беруть участь головним чином іони натрію та калію.
Натрієві канали мають досить просту будову: це білок із трьох різних субодиниць, які утворюють структуру, схожу на пору - тобто трубку з внутрішнім просвітом. Канал може перебувати у трьох станах: закритому, відкритому та інактивованому (закритий і незбудливий). Це забезпечується локалізацією негативних та позитивних зарядів у самому білку; ці заряди притягуються до протилежних, що існують на мембрані, і таким чином канал при зміні стану мембрани відкривається та закривається. Коли він відкритий, іони натрію можуть безперешкодно проникати крізь нього клітину по градієнту концентрації. Це дуже короткий момент часу – буквально частки мілісекунди.
Калієві канали влаштовані ще простіше: це окремі субодиниці, що мають у розрізі трапецієподібну форму; вони розташовані майже впритул один до одного, але між ними завжди залишається зазор. Калієві канали не закриваються до кінця, у стані спокою калій вільно йде з цитоплазми (за градієнтом концентрації).
І натрієві, і калієві канали є потенціал-залежними – вони працюють залежно від змін електричного потенціалу мембрани.
p align="justify"> При формуванні потенціалу дії відбувається різка короткочасна перезарядка мембрани. Це забезпечується кількома послідовними процесами.
Спочатку під впливом зовнішнього подразнення (наприклад, електричного струму) мембрана деполяризується - тобто заряди з різних сторін змінюються на протилежні (всередині клітини заряд переходить у позитивний, зовні - в негативний). Це є сигналом до відкриття натрієвих каналів, яких на поверхні однієї мембрани величезна кількість – може бути до 12 тисяч. Момент, у який починають відкриватися канали, зветься критичного рівня деполяризації. Струм, який дає цю критичну деполяризацію, названий пороговим.
Цікаво, що підвищення сили струму після досягнення порогової величини не змінює характеристик, що отримується в результаті потенціалу дії. Значення для відкриття каналів має амплітуда струму, а отримане мембраною кількість енергії - «кількість електрики». Ця закономірність отримала назву «все чи нічого» - або є повноцінна відповідь на роздратування при його величині від порогової і вище, або немає взагалі, якщо роздратування порогової величини не досягло. При цьому значення порогової величини визначається тривалістю подразнення, що подається.
Справді цей закон, щоправда, лише у межах окремої клітини. Якщо брати, наприклад, нерв, складений великою кількістю різних аксонів, амплітуда теж матиме значення, тому що відповідь на роздратування ми побачимо лише тоді, коли канали активуються у всіх клітинах – тобто за більшого сумарного значення порогового струму.
Після відкриття каналів натрій починає надходити в клітину, і його струм значно перевищує струм калію, що виходить по градієнту. Це означає, що проникність мембрани для натрію стає більшою, ніж для калію. У певний момент відкриваються майже всі натрієві канали. Це відбувається лавиноподібно: від тієї точки, до якої прийшов стимул, обидві сторони. Таким чином, концентрація натрію у клітині різко підвищується.
Після цього концентрації іонів мають повернутися до вихідних. Це забезпечує таку загальну властивість каналів, як рефрактерність: канал, який спрацював, якийсь час після цього неактивний і не може збудитися під дією стимулу дратівливого.
Натрієві канали в момент максимальної відповіді на подразнення стають рефрактерними, проникність натрію різко падає. Калієві канали, навпаки, починають активно працювати, і струм калію з клітини зростає. Таким чином, з клітини йде надлишок позитивно заряджених іонів і відновлюється початковий потенціал спокою. Цей період, поки не відновляться натрієві канали і вихідний потенціал (це може займати близько мілісекунди), клітина не здатна збудитися.
Оскільки здатність клітин до збудження забезпечує роботу організму як цілого і можливість центрального контролю всіх клітин організму, отрути, що блокують канали, є одними з найнебезпечніших для людини та багатьох тварин.
Один із найстрашніших блокаторів каналів - тетродотоксин, речовина, що виробляється рибою фугу. Для нього значення LD50 (50% Level of Death - доза, від якої помруть 50 осіб зі ста) дорівнює 10 міліграм на кілограм ваги, тобто приблизно в тисячу разів менше, ніж для ціаніду. Його молекули зв'язуються міцним зв'язком з білком натрієвого каналу, коли він у закритому стані, та повністю блокують можливість виникнення потенціалу дії. Подібні токсини виробляють деякі водорості. Отрута скорпіона, навпаки, тримає всі канали постійно відкритому стані.
Ну гаразд скорпіон, а от навіщо така страшна зброя водоростям – загадка.
Є що сказати? Залишити коментар!
Іонні канали – інтегральні білки, які забезпечують пасивний транспорт іонів за градієнтом концентрації. Енергією для транспорту служить різниця концентрація іонів з обох боків мембрани (трансмембранний іонний градієнт).
Неселективні канали мають такі властивості:
· Пропускають всі типи іонів, але проникність для іонів K + значно вище, ніж для інших іонів;
- завжди знаходяться у відкритому стані.
Селективні канали мають такі властивості:
· Пропускають тільки один вид іонів; для кожного виду іонів є свій вид каналів;
- можуть бути в одному з 3 станів: закритому, активованому, інактивованому.
Виборча проникність селективного каналу забезпечується селективним фільтром,який утворений кільцем із негативно заряджених атомів кисню, яке знаходиться у найвужчому місці каналу.
Зміна стану каналу забезпечується роботою воротного механізму , який представлений двома білковими молекулами. Ці білкові молекули, т.зв. активаційні ворота та інативаційні ворота, змінюючи свою конформацію, можуть перекривати іонний канал.
У стані спокою активаційні ворота зачинені, інактиваційні ворота відчинені (канал закритий) (рис. 2.3). При дії на систему воріт сигналу активаційні ворота відкриваються і починається транспорт іонів через канал (канал активований). При значній деполяризації мембрани клітини інактиваційні ворота закриваються і транспорт іонів припиняється (інактивований канал). При відновленні рівня МП канал повертається у вихідний (закритий) стан.
Залежно від сигналу, що викликає відкриття активаційних воріт, селективні іонні канали поділяють на:
хемочутливі канали - сигналом до відкриття активаційних воріт є зміна конформації асоційованого з каналом білка-рецептора в результаті приєднання до нього ліганду.
- потенційночутливі канали – сигналом до відкриття активаційних воріт є зниження МП (деполяризація) клітинної мембрани до певного рівня, який називають критичним рівнем деполяризації (КУД);
За способом активації виділяють:
· потенціал-активовані іонні канали (перехід із закритого у відкритий стан і назад здійснюється конформацією білкової молекули за зміни потенціалу мембрани). Прикладом може бути потенціал-залежний натрієвий канал, що визначає деполяризацію клітини при генерації потенціалу дії.
· механочутливі іонні канали (відкриваються при вплив на мембрану клітини механічного стимулу, наприклад, при активації механорецепторів шкіри).
· ліганд-активовані іонні канали. За способом активації вони поділені на дві групи (екстраклітинні та внутрішньоклітинні) залежно від того, з якого боку мембрани впливає ліганд. Якщо стимул (наприклад, ацетилхолін) при здійсненні синаптичної передачі збудження в нервово-м'язовому синапсі діє на рецептор (в даному прикладі холінорецептор, що являє собою одну з декількох білкових субодиниць іонного каналу), розташований на зовнішній поверхні мембрани м'язової клітини, відкриється іонний канал, для катіонів. Якщо ліганд-активовані канали залежать від вторинних посередників у клітині, їх перехід у відкритий стан здійснюється за зміни концентрації певних іонів у цитоплазмі. Прикладом може бути кальцій-активований калієвий канал, що активується зі збільшенням концентрації іонів кальцію в клітині. Такі канали беруть участь у реполяризації мембрани після завершення потенціалу дії.
Поняття про мембранний потенціал, рівноважний іонний потенціал і потенціал спокою. Умови і причини сущ потен спокою. Урав постій поля.Функц мемб птенціалу.
Умови та причини існування потенціалу спокою.
Розрахунки та експериментальні дані свідчать про те, що всі клітини організму в стані «оперативного» спокою характеризуються певним ступенем поляризації. Плазмолемма кожної клітини заряджена, і у спокої її внутрішньої поверхні підтримується негативний щодо міжклітинної середовища потенціал. Трансмембранна різниця потенціалів у різних клітинах різна, але всюди досягає кількох десятків мілівольт. За допомогою мікроелектродної техніки вдалося в експерименті прямо виміряти реальну різницю потенціалів з обох боків клітинної мембрани.
Які іони та іонні канали забезпечують біоелектрогенез? До теперішнього часу відомо, що основний внесок у потенціал спокою та потенціал дії вносять чотири іони. Na+K+Ca++Cl - здатні проникати (або не проникати) у певних умовах через відповідні іонні канали.
Для того, щоб певний іон (має заряд) міг проникнути через мембрану, необхідно, щоб для цього були умови:
1.Наявність концентраційного градієнта (створюється роботою іонних насосів)
2.Наявність електрохімічного градієнта (створюється сумою концентрацій заряджених частинок та властивостями іонних каналів роз'єднувати катіони та аніони з обох боків мембрани).
3.Наявність відповідних каналів у відкритому стані.
При потенціалі спокоювнутрішня сторона клітинної мембрани має заряд, знак якого (негативність) визначається наявністю в цитоплазмі органічних аніонів(білків та амінокислот), нездатних проникати через іонні канали, та дефіцитомих протиіонів– катіонів калію, здатних проникати через калієві іонні канали, унаслідок чого у клітині створюється надлишок негативних іонів, а інтерстиции –надлишок позитивного заряду. Величину негативного заряду в клітині і позитивного заряду в міжклітинному просторі вдається передбачати математично, але тільки для простих випадків, наприклад, для гігантського аксона кальмара.
Розмір потенціалу спокою описується з відомим наближенням рівнянням постійного поля, запропонованим Ходжкіним, Гольдманом і Кацем.
Vм=RT/zFln ((pkо+pNa o +pCl i) / (pki+pNa i +pCl i))
Не слід плутати поняття мембранний потенціал, рівноважний потенціалі потенціал спокою.
Мембранний потенціал визначається сумою діючих по обидва боки мембрани зарядів, що визначає здатність певних іонів проникати через іонні канали.
Рівноважний потенціал – це такий потенціал плазмолеми клітини, при якому сумарний струм певного іону через мембрану дорівнює нулю, незважаючи на можливість окремих іонів проникати через відкриті канали в обмін на такі ж іони, що прямують у протилежному напрямку. Визначається рівнянням Нернста.
Функції мембранного потенціалу спокою:
1. Поляризація мембрани є умовою для збудження та гальмування.
2.Поляризація визначає обсяг виділення медіатора із пресинаптичного закінчення.
3. ПП створює умови для знаходження потенціалзалежних каналів у закритому стані (поляризація мембрани створює умови для формування потенціалу дії).
ЗАГАЛЬНА ФІЗІОЛОГІЯ НЕРВОВОЇ СИСТЕМИ
Концепція нервового центру.
Нервовий центр- Сукупність структур центральної нервової системи, координована діяльність яких забезпечує регуляцію окремих функцій організму або певний рефлекторний акт. Уявлення про структурно-функціональну основу нервового центру обумовлено історією розвитку вчення про локалізації функцій у центральній нервовій системі. Властивості нерв центрів:
2.Уповільнене проведення збудження по нейронних сукупностях ЦНС. Синаптична затримка T син одного міжклітинного контакту приблизно дорівнює 0,5-2 мс. Якщо є n нейронів у мережі, загальний латентний період проведення сигналу мозку відповідає n×T син і може бути дуже значним. Побічно, знаючи час проведення сигналу ЦНС (обчислюється з урахуванням загального часу рефлексу та часу, витраченого на проведення по нервових стовбурах), можна оцінити кількість синаптичних перемикань (n) в дузі конкретного рефлексу.
4. Односторонність проведення збудження, а також дивергенція та конвергенція синаптичних входів створюють морфологічний субстрат для циркуляції збудження (реверберації) по замкнутим нейронним ланцюгам. Вважається, що це явище є основою короткочасної пам'яті.
5.Для певних нейронів, асоційованих у ядра, характерна фонова активність. Вона визначається властивостями мембрани та залежить від спонтанної деполяризації. Інші нейрони є мовчазними і генерують ПД тільки при активації синаптичних входів.
6.Для нейронів і наявних на їх поверхні синапсів характерна чутливість для різних речовин, сигнальних молекул та метаболітів, що містяться у лікворі.
7. характерна стомлюваність, однією з причин якої є зменшення запасів наявного медіатора та низька швидкість його синтезу.
8. Пласичність. Полегшення, потенціація (тетанічна посттетанічна, довготривала), депресія визначаються властивостями рецепторів, слідовими процесами та появою нових синаптичних контактів або рецепторів на поверхні нейронів.
Для нервових мереж мозку характерно спрямоване, одностороннє (лінійне) проведення збудження. Якщо є ланцюжок нейронів, пов'язаних між собою синаптичними контактами, то через властивість хімічних синапсів виділяти медіатор із пресинаптичного закінчення в синаптичну щілину і рецептувати його рецептором, локалізованим на постсинаптичній мембрані, вектор поширення збудження в нейронній мережі спрямований у бік наступного постсинаптичного нейрона. Загальним прикладом цього принципу є закон Белла - Мажанді(аферентні волокна входять у спинний мозок через дорсальні, рухові волокна залишають спинний мозок через вентральні коріння).
Процеси конвергенціїполягають у сходження різних імпульсних потоків від декількох нервових клітин до одного і того ж нейрона (див. розділ 4.1.4). Процес конвергенції характерний як для однотипних нервових клітин. Наприклад, на мотонейронах спинного мозку, крім первинних аферентних волокон, конвергують волокна різних низхідних трактів від супраспінальних і власне спинальних центрів, а також від збуджувальних та гальмівних проміжних вставних нейронів. В результаті мотонейрони спинного мозку виконують функцію загального кінцевого шляху для численних нервових утворень, включаючи надсегментний апарат головного мозку, що мають відношення до регуляції рухової функції.
Дивергенцієюназивається здатність нервової клітини встановлювати численні синаптичні зв'язки з різними нервовими клітинами. Завдяки цьому одна нервова клітина може брати участь у кількох різних реакціях, передавати збудження значній кількості інших нейронів, які можуть порушити більшу кількість нейронів, забезпечуючи широку іррадіацію збудливого процесу в центральних нервових утвореннях.
Будова нейрона.
Функціонально нейрони спинного мозку можна розділити на 4 основні групи:
1) мотонейрони, або рухові, – клітини передніх рогів, аксони яких утворюють передні коріння;
2) інтернейрони - нейрони, які отримують інформацію від спінальних гангліїв і що знаходяться в задніх рогах. Ці нейрони реагують на болючі, температурні, тактильні, вібраційні, пропріоцептивні подразнення;
3) симпатичні, парасимпатичні нейрони розташовані переважно у бічних рогах. Аксони цих нейронів виходять із спинного мозку у складі передніх корінців;
4)) асоціативні клітини - нейрони власного апарату спинного мозку, що встановлюють зв'язки всередині та між сегментами.
Мотонейрони. Аксон мотонейрона своїми терміналями іннервує сотні м'язових волокон, утворюючи мотонейронну одиницю.
Інтернейрони. Ці проміжні нейрони, що генерують імпульси з частотою до 1000 за секунду, є фоновоактивними і мають на своїх дендритах до 500 синапсів. Функція інтернейронів полягає в організації зв'язків між структурами спинного мозку та забезпечення впливу висхідних та низхідних шляхів на клітини окремих сегментів спинного мозку. Дуже важливою функцією інтернейронів є гальмування активності нейронів, що забезпечує збереження спрямованості шляху збудження.
Нейрони симпатичного відділу автономної системи. Розташовані у бічних рогах сегментів грудного відділу спинного мозку. Ці нейрони є фоновоактивними, але мають рідкісну частоту імпульсації (3-5 за секунду).
Нейрони парасимпатичного відділу автономної системи. Локалізуються у сакральному відділі спинного мозку та є фоновоактивними.
Нейроглія, або глію, - сукупність клітинних елементів нервової тканини, утворена спеціалізованими клітинами різної форми. Клітини нейроглії заповнюють простору між нейронами, становлячи 40% обсягу мозку. Гліальні клітиниза розміром у 3-4 рази менше, ніж нервові; З віком у людини в мозку кількість нейронів зменшується, а кількість гліальних клітин збільшується. Класифікація:
Астроцити є багатовідростковими клітинами з ядрами овальної форми і невеликою кількістю хроматину. Розміри астроцитів – 7-25 мкм. розташовуються головним чином сірому речовині мозку. Ядра астроцитів містять ДНК, протоплазма має пластинчастий комплекс, центрисому, мітохондрії. астроцити є опорою нейронів, забезпечують репаративні процеси нервових стовбурів, ізолюють нервове волокно, беруть участь у метаболізмі нейронів. Відростки астроцитів утворюють «ніжки», що огортають капіляри, практично повністю покриваючи їх. У результаті між нейронами та капілярами розташовуються лише астроцити. Мабуть, вони забезпечують транспорт речовин із крові в нейрон та назад. Астроцити утворюють містки між капілярами та епендимою, що вистилає порожнини шлуночків мозку. Вважають, що таким чином забезпечується обмін між кров'ю та цереброспінальною рідиною шлуночків мозку, тобто астроцити виконують транспортну функцію.
Олігодендроцити - мала кількість відростків. Вони менші за розміром, ніж астроцити. У корі великого мозку кількість олігодендроцитів зростає від верхніх шарів до нижніх. У підкіркових структурах, у стовбурі мозку олігодендроцитів більше, ніж у корі. Олігодендроцити беруть участь у міє-нізації аксонів (тому їх більше в білій речовині мозку), у метаболізмі нейронів, а також трофіці нейронів.
Мікроглія представлена найдрібнішими багатовідростчастими клітинами глії, що належать до блукаючих клітин. Джерелом мікроглії є мезодерма. Мікрогліальні клітини здатні до фагоцитозу.
14. Сучасні ставлення до міжклітинних контактах.
Синапсами називають контакти, які встановлюють нейрони як самостійні освіти. Синапс є складною структурою і складається з пресинаптичної частини (закінчення аксона, що передає сигнал), синаптичної щілини і постсинаптичної частини (структура сприймає клітини).
Класифікація синапсів. Синапси класифікуються за місцезнаходженням, характером дії, способом передачі сигналу.
За місцем розташування виділяють нервово-м'язові, синапси та нейронейрональні, останні у свою чергу діляться на аксо-соматичні, аксоаксональні, аксодендритичні, дендросоматичні.
За характером на сприймаючу структуру синапси може бути збуджуючими і гальмуючими.
За допомогою передачі сигналу синапси діляться на електричні, хімічні, змішані.
Характер взаємодії нейронів. Визначається способом цієї взаємодії: дистантна, суміжна, контактна.
Дистантна взаємодія може бути забезпечена двома нейронами, розташованими у різних структурах організму. Наприклад, у клітинах низки структур мозку утворюються нейрогормони, нейропептиди, здатні впливати гуморалию на нейрони інших відділів.
Сумежна взаємодія нейронів здійснюється у разі, коли мембрани нейронів розділені лише міжклітинним простором. Зазвичай така взаємодія є там, де між мембранами нейронів немає глиальных клітин. Така суміжність характерна для аксонів нюхового нерва, паралельних волокон мозочка і т. д. Вважають, що суміжна взаємодія забезпечує участь сусідніх нейронів у виконанні єдиної функції. Це відбувається зокрема тому, що метаболіти, продукти активності нейрона, потрапляючи в міжклітинний простір, впливають на сусідні нейрони. Сумежна взаємодія може в ряді випадків забезпечувати передачу електричної інформації від нейрона до нейрона.
Для різних речовин і, зокрема, для мінеральних іонів має винятково важливе значення у життєдіяльності клітини і особливо у механізмах сприйняття, перетворення, передачі сигналів від клітини до клітини та на внутрішньоклітинні структури.
Визначальну роль у стані проникності мембран клітини мають їх іонні канали, що формуються каналоутворюючими білками. Відкриття та закриття цих каналів можуть контролюватись величиною різниці потенціалів між зовнішньою та внутрішньою поверхнями мембрани, безліччю сигнальних молекул (гормонів, нейромедіаторів, судиноактивних речовин) вторинними посередниками передачі внутрішньоклітинних сигналів, мінеральними іонами.
Іонний канал- кілька субодиниць (інтегральних мембранних білків, що містять трансмембранні сегменти, кожен з яких має аспіральну конфігурацію), що забезпечують перенесення іонів через мембрану.
Мал. 1. Класифікація іонних каналів
Сучасні уявлення про будову та функції іонних каналів стали можливими завдяки розробці методів реєстрації електричних струмів, що протікають через ізольовану ділянку мембрани, що містить одиночні іонні канали, а також завдяки виділенню та клонуванню окремих генів, що контролюють синтез білкових макромолекул, здатних формувати іонні канали. Це дозволило штучно модифікувати структуру таких молекул, вбудовувати їх у мембрани клітин та вивчати роль окремих пептидних ділянок для виконання функцій каналів. Виявилося, що каналоутворюючі білкові молекули всіх іонних каналів мають деякі загальні ознаки будови і зазвичай представлені великими трансмембранними білками з молекулярними масами понад 250 кД.
Вони складаються з кількох субодиниць. Зазвичай найважливіші властивості каналіввизначаються їх а-суб'єднаніший. Ця субодиниця бере участь у формуванні іоноселективної нори, сенсорного механізму трансмембранної різниці потенціалів – воріт каналу та має місця зв'язування для екзогенних та ендогенних лігандів. Інші субодиниці, що входять до структури іонних каналів, відіграють допоміжну роль, яка модулює властивості каналів (рис. 2).
Каналоутворююча білкова молекула представлена позанемембранними амінокислотними петлями і внутрішньомембранними спіралізованими ділянками-доменами, що утворюють субодиниці іонних каналів. Білкова молекула згортається в площині мембрани так, що між доменами, що контактують один з одним, і формується власне іонний канал (див. рис. 2, внизу праворуч).
Каналоутворююча молекула білка розташовується в цитоплазматичній мембрані так, що її тривимірна просторова структура формує гирла каналу, звернені до зовнішньої та внутрішньої сторін меморани, пору, заповнену водою, та «ворота». Останні утворюються ділянкою пептидного ланцюга, який може легко змінювати свою конформацію та визначати відкритий чи закритий стан каналу. Від розмірів пори та її заряду залежать селективність та проникність іонного каналу. Проникність каналу для даного іона визначається також його розмірами, величиною заряду та гідратною оболонкою.
Мал. 2. Будова Na+-іонного каналу клітинної мембрани: а - двомірна будова а-еуб'єдиниці іонного каналу клітинної.мембрани; б - ліворуч - натрієвий канал, що складається з а-субодинці і двох Р-субоднання (вид збоку); праворуч - вил натрієвого каналу зверху. Цифрами І. ІІ. ІІІ. IV відзначені домени а-субодиниці
Типи іонних каналів
Описано понад сто різновидів іонних каналів, для класифікації яких використовують різні підходи. Один із них заснований на обліку відмінностей у будові каналів та в механізмах функціонування. При цьому іонні канали можна розділити на кілька типів:
- пасивні іонні канали, чи канали спокою;
- канали щілинних контактів;
- канали, стан яких (відкритий або закритий) контролюється впливом на їх ворітний механізм механічних факторів (механочутливі канали), різниці потенціалів на мембрані (потенціалзалежні канали) або лігандів, що зв'язуються з каналоутворюючим білком на зовнішній або внутрішній стороні мембрани (лігандзалежні канали).
Пасивні канали
Відмінною особливістю цих каналів є те, що вони можуть бути відкритими (активними) у клітинах, що покоїться, тобто. відсутність будь-яких впливів. Це зумовлює їхню другу назву — пасивні канали. Вони не є строго селективними, і через них мембрана клітини може «протікати» для декількох іонів, наприклад, К+ і CI+, К+ і Na+. Тому ці канали іноді називають каналами витоку. Завдяки перерахованим властивостям канали спокою відіграють важливу роль у виникненні та підтримці на цитоплазматичній мембрані клітини мембранного потенціалу спокою, механізми та значення якого обговорюються далі. Пасивні канали представлені в цитоплазматичних мембранах нервових волокон та їх закінчень, клітин поперечно-смугастої, гладкої мускулатури, міокарда та інших тканин.
Механочутливі канали
Стан проникності цих каналів змінюється при механічних впливах на мембрану, що викликають порушення структурної упаковки молекул у мембрані та її розтягування. Ці канали широко представлені в механорецепторах судин, внутрішніх органів, шкіри, поперечно-смугастих м'язів, гладких міоцитів.
Потенціалзалежні канали
Стан цих каналів управляється силами електричного поля, створюваного величиною різниці потенціалів на мембрані. Потенціалзалежні канали можуть знаходитися в неактивному (закритому), активному (відкритому) та інактивованому станах, які контролюються положенням активаційних та інактиваційних воріт, що залежать від різниці потенціалів на мембрані.
У клітині, що покоїться, потенціалзалежний канал знаходиться зазвичай у закритому стані, з якого він може бути відкритий або активований. Імовірність його самостійного відкриття невисока, і в стані спокою лише невелика кількість цих каналів у мембрані відкрита. Зменшення трансмембранної різниці потенціалів (деполяризація мембрани) викликає активацію каналу, підвищуючи можливість його відкриття. Передбачається, що функцію активаційних воріт виконує електрично заряджена амінокислотна група, що закриває вхід у гирлі каналу. Ці амінокислоти є сенсором різниці потенціалів на мембрані; при досягненні певного (критичного) рівня деполяризації мембрани заряджена частина молекули сенсора зміщується у бік ліпідного мікрооточення каналоутворюючої молекули та ворота відкривають вхід у гирлі каналу (рис. 3).
Канал стає відкритим (активним) для переміщення через нього іонів. Швидкість відкриття активаційних воріт може бути низькою та дуже високою. За цим показником потенціалзалежні іонні канали ділять на швидкі (наприклад, швидкі потенціалзалежні натрієві канали) і повільні (наприклад, повільні потенціалзалежні кальцієві канали). Швидкі канали відкриваються миттєво (мкс) та залишаються відкритими в середньому протягом 1 мс. Їхня активація супроводжується швидким лавиноподібним зростанням проникності каналу для певних іонів.
Здатністю змінювати свою конформацію має інша частина пептидної ланцюга, що являє собою амінокислотну послідовність у вигляді щільної кульки (клубка) на нитки, що знаходиться біля виходу іншого гирла каналу. При зміні знака заряду на мембрані кулька закриває вихід з гирла, канал стає непроникним (інактивованим) для іона. Інактивація потенціалзалежних іонних каналів може здійснюватися за допомогою інших механізмів. Інактивація супроводжується припиненням переміщення іонів через канал і може протікати так само швидко, як активація, або повільно протягом секунд і навіть хвилин.
Мал. 3. Воротний механізм потенціалозалежних натрієвих (вгорі) та калієвих (внизу) каналів
Для відновлення вихідних властивостей іонних каналів після їх інактивації необхідно повернути вихідну просторову конформацію каналоутворюючого білка та положення воріт. Це досягається при відновленні різниці потенціалів мембрани (реполяризації) до рівня, характерного стану спокою клітини або через деякий час після інактивації при сильному впливі на мембрану. Перехід із стану інактивації у вихідний (закритий) стан отримав назву реактивації каналу. Будучи реактивованим, іонний канал знову повертається до готовності до його повторного відкриття. Реактивація потенціалзалежних каналів мембрани також може бути швидкою та повільною.
Потенціалзалежні іонні канали зазвичай є високоселективними і відіграють вирішальну роль у виникненні збудження (генерації потенціалів дії), передачі інформації з нервових волокон у вигляді електричних сигналів, ініціювання та регулювання скорочення м'язів. Ці канали широко представлені в мембранах аферентних, еферентних нервових волокон, мембранах поперечно-смугастих і гладких міоцитів.
Потенціапзалежні іонні канали вбудовані в мембрану нервових закінчень чутливих нервів (дендритів), що іннервують пульпу зуба, слизову оболонку ротової порожнини, де їх відкриття забезпечує перетворення рецепторного потенціалу в нервовий імпульс і його подальше проведення по аферентному нервовому волокну. За допомогою цих імпульсів у ЦНС передається інформація про всі види сенсорних відчуттів, що виникли у людини в ротовій порожнині (смак, температура, механічні тиски, біль). Подібні канали забезпечують виникнення нервових імпульсів на мембрані аксонного горбка нейронів та його проведення по еферентних нервових волокнах, перетворення постсинаптичних потенціалів на потенціали дії постсинаптичних ефекторних клітин. Прикладом таких процесів може бути генерація нервових імпульсів у моторних нейронах ядра трійчастого нерва, які потім передаються його еферентним волокнам до жувальних м'язів і забезпечують ініціювання і регуляцію жувальних рухів нижньої щелепи.
При дослідженні тонких механізмів функціонування потенціалзалежних іонних каналів було виявлено, що є речовини, здатні блокувати роботу цих каналів. Одним із перших серед них було описано речовину тетродотоксин - найсильніша отрута, що утворюється в організмі риби фугу. Під його дією спостерігалася блокада потенціалзалежних натрієвих каналів в експерименті, а при його введенні в організм тварин відзначалися втрата чутливості, розслаблення м'язів, знерухомленість, зупинка дихання та смерть. Такі речовини одержали назву блокаторів іонних каналів. Серед них лідокаїн, новокаїн, прокаїнречовини, при введенні яких в організм у невеликих дозах розвивається блокада потенціазалежних натрієвих каналів нервових волокон і блокується передача в ЦНС сигналів від больових рецепторів. Ці речовини широко використовуються в медичній практиці як місцеві знеболювальні засоби.
Переміщення іонів через іонні канали є основою перерозподілу зарядів на мембранах і формування електричних потенціалів, а й може впливати на перебіг багатьох внутрішньоклітинних процесів. Такий вплив на експресію генів, що контролюють синтез каналоутворюючих білків, не обмежений лише клітинами збудливих тканин, але має місце у всіх клітинах організму. Ідентифіковано велику групу захворювань, причиною яких є порушення структури та функції іонних каналів. Такі захворювання віднесено до групи "каналопатій". Очевидно, що знання будови та функцій іонних каналів необхідне для розуміння природи «каналопатій» та пошуку їхньої специфічної терапії.
Лігандзалежні іонні канали
Вони зазвичай формуються білковими макромолекулами, які можуть одночасно виконувати функцію іонних каналів та рецепторну функцію по відношенню до певних лігандів. Оскільки одна й та сама макромолекула може одночасно виконувати ці дві функції, то за ними закріпилися різні назви, наприклад, синаптичний рецептор або лігандзалежний канал.
На відміну від потенціалзалежного іонного каналу, відкриття якого здійснюється при зміні конформації активаційних воріт в умовах зниження трансмембранної різниці потенціалів, лігандзалежні іонні канали відкриваються (активуються) при взаємодії пептидного (рецепторного) ланцюга білкової молекули з лігандом - речовиною, до якої рецептор має високу спорідненість. 4).
Мал. 4. Лігандзалежний іонний канал (нікотинчутливий ацетилхоліновий рецептор - н-ХР): а неактивний; 6 - активований
Лігандзалежні іонні канали зазвичай локалізовані в постсинаптичних мембранах нервових клітин та їх відростків, а також м'язових волокон. Типовими прикладами лігандзалежних іонних каналів є канали постсинаптичних мембран, що активуються ацетилхоліном (див. рис. 4), глутаматом, аспартатом, гамма-аміномасляною кислотою, гліцином та іншими синаптичними нейромедіаторами. Зазвичай назва каналу (рецептора) відображає тип нейромедіатора, який у природних умовах є його лігандом. Так, якщо це канали нервово-м'язового синапсу, в якому використовується нейромедіатор ацетилхолін, то використовується термін «ацетилхоліновий рецептор», а якщо він є до того ж чутливим до нікотину, його називають нікотинчутливим, або просто н-ацетилхоліновим, рецептором (н- холінорецептор).
Зазвичай, постсинаптичні рецептори (канали) вибірково зв'язуються тільки з одним типом нейромедіатора. Залежно від типу та властивостей взаємодіючих рецепторів і нейромедіаторів канали вибірково змінюють свою проникність для мінеральних іонів, але при цьому вони не є строго селективними каналами. Наприклад, лигандзависимые канали можуть змінювати проникність для катіонів Na+ і К+ або К+ і аніонів СI+. Така вибірковість зв'язування ліганду та зміни іонної проникності генетично закріплена у просторовій структурі макромолекули.
Якщо взаємодія медіатора та рецепторної частини макромолекули, що формує іонний канал, безпосередньо супроводжується зміною проникності каналу, то протягом кількох мілісекунд це призводить до зміни проникності постсинаптичної мембрани для мінеральних іонів та величини постсинаптичного потенціалу. Такі канали названі швидкими та локалізуються, наприклад, у постсинаптичній мембрані аксо-дендритних збуджуючих синапсів та аксосоматичних гальмівних синапсів.
Існують повільні лігандзалежні іонні канали. На відміну від швидких каналів, їх відкриття опосередковано не прямою взаємодією нейромедіатора з макромолекулою-рецептором, а ланцюжком подій, що включають активацію G-білка, його взаємодію з GTP, підвищення рівня вторинних посередників у внутрішньоклітинній передачі сигналу нейромедіатора, які, фосфорилуючи іонний канал, зміни його проникності для мінеральних іонів та відповідної зміни величини постсинаптичного потенціалу. Весь описаний ланцюжок подій здійснюється вже за сотні мілісекунд. З такими повільними лігандзалежними іонними каналами ми зустрінемося щодо механізмів регуляції роботи серця, гладких м'язів.
Особливим типом є канали, локалізовані в мембранах ендоплазматичного ретикулуму гладком'язової клітини. Їх лігандом є вторинний посередник внутрішньоклітинної передачі сигналу інозитол-три-фосфат-ІФЗ.
Описані іонні канали, які характеризуються деякими структурними та функціональними властивостями, властивими як потенціалзалежним, так і лігандзалежним іонним каналам. Вони є потенційно чутливими іонними каналами, стан комірного механізму яких контролюється циклічними нуклеотидами (цАМФ та цГМФ). При цьому циклічні нуклеотиди зв'язуються з внутрішньоклітинної СООН-термінали каналоутворюючої молекули білка і активують канал.
Ці канали характеризуються меншою вибірковістю проникності для катіонів та здатністю останніх впливати на проникність один одного. Так, іони Са 2+ поступаючи через активовані канали з позаклітинного середовища, блокують проникність каналів для іонів Na 2+ . Одним із прикладів таких каналів є іонні канали паличок сітківки ока, проникність яких для іонів Са 2+ та Na 2+ визначається рівнем цГМФ.
Лігандзалежні іонні канали широко представлені в мембранних структурах, що забезпечують синаптичну передачу сигналів від ряду сенсорних рецепторів ЦНС; передачу сигналів у синапсах нервової системи; передачу сигналів нервової системи до ефекторних клітин.
Вже зазначалося, що безпосередня передача команд нервової системи до багатьох ефекторних органів здійснюється за допомогою нейромедіаторів, що активують ліганд залежні іонні канали постсинаптичних мембранах. Однак їх лігандами (агоністами або антагоністами) можуть бути речовини екзогенної природи, які в ряді випадків використовуються як лікарські речовини.
Наприклад, після введення в організм речовини диплацину, подібного за своєю структурою з нейромедіатором апетилхолін, піде тривале відкриття лігандзалежних іонних каналів нервово-м'язових синапсів, які перестають передавати нервові імпульси з нервових волокон до м'язів. Настає релаксація кістякових м'язів організму, яка може знадобитися під час проведення складних хірургічних операцій. Диплацин та інші речовини, здатні змінювати стан лігандзалежних іонних каналів та блокувати передачу сигналів у нервово-м'язових синапсах, отримали назву міорелаксантів.
Мал. 5. Канали щілинних контактів між двома щільно контактуючими клітинами
У медичній практиці використовуються багато інших лікарських речовин, що впливають на стан лігандзалежних іонних каналів клітин різних тканин.
Канали щілинних (щільних) контактів клітин
Канали щілинних контактів формуються області контакту двох сусідніх клітин, дуже близько прилеглих друг до друга. У мембрані кожної клітини, що контактує, шість білкових субодиниць, що отримали назву коннексини, формують гексагональну структуру, в центрі якої утворюється пора або іонний канал — коннексон (рис. 5).
Дзеркальна структура утворюється у місці контакту в мембрані сусідньої клітини, і іонний канал між ними стає загальним. Через такі іонні канали з клітини в клітину можуть переміщатися різні мінеральні іони, у тому числі іони Са 2+ і низькомолекулярні органічні речовини. Канали щілинних контактів клітин забезпечують передачу інформації між клітинами міокарда, гладких м'язів, сітківки ока, нервової системи.
Натрієві канали
У клітинах організму широко представлені потенціалзалежні, потенціалнезалежні (лігандзалежні, механочутливі, пасивні та ін) натрієві канали.
Потенціалзалежні натрієві канали
Вони складаються з однієї а-субодиниці, що формує канал, і двох β-субодиниць, що модулюють іонну проникність і кінетику інактивації натрієвих каналів (рис. 6).
Мал. 6. Двовимірна структура а-субодиниці потенціал-залежного натрієвого каналу. Опис у тексті
Як видно із рис. 6 а-субодиниця представлена чотирма однотипними доменами, що складаються з шести спіралізованих трансмембранних сегментів, з'єднаних амінокислотними петлями. Петлі, що з'єднують 5-й та 6-й сегменти, оточують пору каналу, а у складі 4-го сегмента містяться позитивно заряджені амінокислоти, які є сенсорами різниці потенціалів на мембрані та керують положенням комірного механізму при зсувах трансмембранного потенціалу.
У потенціалзалежних натрієвих каналах є два воротні механізми, один з них - активаційний (за участю 4-го сегмента) забезпечує відкриття (активацію) каналу при деполяризації мембрани, а другий (за участю внутрішньоклітинної петлі між 3-м і 4-м доменами) - його інактивацію при перезарядженні мембрани. Оскільки обидва ці механізми швидко змінюють положення воріт каналу, то потенціалзалежні натрієві канали є швидкими іонними каналами і мають визначальне значення для генерації потенціалів дії в тканинах збудливих і для їх проведення по мембранах нервових і м'язових волокон.
Ці канали локалізуються в цитоплазматичних мембранах аксонного горбка нейронів, у дендритах та аксонах, у мембрані навколосинаптичської області нервово-м'язового синапсу, у сарколеммі волокон поперечно-смугастих м'язів та скорочувального міокарда. Щільність розподілу натрієвих каналів у цих структурах різна. У мієлінізованих нервових волокнах вони зосереджені головним чином області перехоплень Ранв'є, де їх щільність досягає близько 10 000 каналів на квадратний мікрон площі, а в немиелинизированных волокнах канали розподілені більш рівномірно з щільністю близько 20 каналів на ту ж площу. Ці канали практично відсутні в структурі мембран тіла нервової клітини, в мембрані нервових закінчень, які безпосередньо формують сенсорні рецептори, і в постсинаптичних мембранах ефекторних клітин.
Серед потенційнозалежних натрієвих каналів розрізняють вже більше дев'яти підтипів, що відрізняються властивостями а-субодиниць, що мають певну тканинну приналежність і відрізняються різною чутливістю до дії блокаторів. Так, наприклад, підтип каналу, утвореного каналоутворюючим білком, синтез якого контролюється геном SCN4A, є в сарколеммі повністю диференційованих та іннервованих скелетних м'язів і його блокагор є тетродотоксин, сакситоксин і ц-конотоксини. У більшості випадків а-субодиниці чутливі до дії тетродотоксину, який у мікромолярних концентраціях блокує пори і тим самим вхід у натрієві канали.
Відомі токсини натрієвих каналів, що викликають уповільнення швидкості інактивації. Наприклад, токсин морської анемони (АТХ) та а-токсин скорпіону (ScTX) викликають уповільнення інактивації, зв'язуючись з амінокислотними залишками петлі S3-S4 4-го сегмента.
Синтезовані та широко використовуються в медицині для блокади швидких потенціалзалежних натрієвих каналів речовини, що отримали назву анестетиків (новокаїн, дикаїн, лідокаїн, совкаїн, прокаїн)та ін.). Анестезія при блокаді ними натрієвих каналів досягається за рахунок усунення можливості генерації нервових імпульсів в аферентних нервових волокнах і тим самим блокади проведення сигналів від сенсорних рецепторів больових в ЦНС.
Виявлено, що зміна структури натрієвих каналів може призвести до розвитку низки захворювань. Так, наприклад, зміна структури каналу, контрольованого геном SCNlb, веде до розвитку генералізованих форм епілепсії та судом при підвищенні температури тіла (фебрильних судом).
Багато мікроорганізмів утворюють в організмі людини токсини — речовини, під дією яких у клітинах, що уражаються, блокуються іонні канали, що може супроводжуватися порушенням іонного балансу і загибеллю клітини. Інші мікроорганізми, навпаки, своїми токсинами (перфоринами) формують у мембрані клітини іонні канали. Зокрема, токсин палички сибірки, що викликає у людини особливо небезпечну інфекцію, атакуючи клітину, утворює в її мембрані нові пори (канали), через які в клітину проникають інші токсини. Дія цих токсинів обумовлена загибель атакованих клітин і висока смертність при цьому захворюванні. Вченими синтезовано речовину β-циклодекстрин, близьку за просторовою структурою до форми каналу, що утворюється. Ця речовина блокує канали, що утворюються токсином мікроорганізму, запобігає надходженню токсинів у клітини та рятує від загибелі експериментальних тварин, заражених паличкою сибірки.
Потенціалнезалежні натрієві канали
Лігандзалежні натрієві канали.Їхня загальна будова та властивості розглянуті вище при описі лігандзалежних іонних каналів. Цей тип натрієвих каналів широко представлений в організмі натрієвими каналами нікотинчутливого холінорецептора постсинаптичної мембрани нервово-м'язового синапсу, міжнейронних синапсів ЦНС та автономної нервової системи (прегангліонарного та гангліонарного нейронів). Лігандзалежні натрієві канали локалізовані в постсинаптичних мембранах інших збудливих (глутамат-і аспартатергіческіх) синапсів ЦНС. Вони відіграють вирішальну роль у виникненні в синапсах збуджуючого постсинаптичного потенціалу та передачі сигналів між нейронами та між нейронами та ефекторними клітинами.
Лігандзалежні натрієві канали постсинаптичної мембрани не є строго селективними і можуть бути проникні одночасно для кількох іонів: натрію та калію, натрію та кальцію.
Потенціалнезалежні натрієві канали, керовані вторинними посередниками.Стан цих натрієвих каналів може керуватися за допомогою цГМФ (фоторецеітори), цАМФ (нюхові рецептори) та за допомогою субодиниць G-білка (міокард).
Механочутливі натрієві канали.Представлені в механорецепторах стінок судин, серця, порожнистих внутрішніх органів, пропріорсцепторах поперечно-смугастих м'язів, мембрані гладких міоцитів. З їх участю в сенсорних рецепторах здійснюється перетворення енергії механічного впливу на коливання різниці потенціалів - рецепторний потенціал.
Пасивні натрієві канати.Містяться в цитоплазматичних мембранах збудливих клітин. Проникність цих каналів для іонів Na+ невелика, але через них іони Na дифундують по градієнту концентрації з позаклітинних просторів клітини і деполяризують дещо мембрану. Більш суттєво проникні у косовище натрієві канали цитоплазматичної мембрани гладких міоцитів. Вони деполяризують її на більшу величину (потенціал спокою близько 50 мВ), ніж мембрану міоцитів поперечно-смугастої мускулатури (потенціал спокою близько 90 мВ). Таким чином, пасивні натрієві канали беруть участь у формуванні мембранного потенціалу спокою.
Натрієві обмінники.Раніше був описаний натрій-кальцієвий обмінний механізм або натрій-кальцієвий обмінник, який відіграє важливу роль у видаленні іонів кальцію зі скорочувальних кардіоміоцитів.
Натрій-протонний обмінник.Є особливим типом каналоутворюючого білка, який видаляє протони водню з внутрішньоклітинних просторів в обмін на надходження в клітину іонів натрію. Видалення протонів активується при зниженні клітини рН.
Синтез білків, що утворюють натрієві обмінні канали, контролюється п'ятьма генами, які позначаються як NAH1 -NAH5.
Калієві канали
Існують потенціалзалежні та потенційночутливі калієві канали. Серед останніх виділяють пасивні, лігандзалежні та інші типи калієвих каналів. Як правило, калієві канали є в мембранах тих же клітин та тканин, у яких містяться натрієві канали. Однією з причин такого паралелізму в розташуванні цих іонних каналів є те, що іони Na+ та К+ є найважливішими катіонами, від характеру розподілу та переміщення яких залежить виникнення та зміна електричних потенціалів як однієї з найважливіших форм передачі інформаційних сигналів в організмі.
Існує ціла суперсімейство калієвих іонних каналів, які поділяються на особливості структури, місце локалізації та властивості каналів на окремі сімейства, типи та підтипи. Описано більше трьох десятків калієвих каналів, і дати їх докладну характеристику неможливо. Тому як приклади будуть наведені описи тих сімейств і типів іонних каналів, які мають відношення насамперед до сигнальних шляхів та механізмів контролю нервових та м'язових процесів.
Пасивні калієві канали
Відомо, що в стані спокою мембрани збудливих клітин відносно добре проникні для іонів і погано для іонів Na +. Оскільки носіями трансмембранних електричних струмів є іони, вимірюючи електричний струм, що протікає через мембрану клітини, можна судити про стан іонних каналів. Виявилося, що трансмембранний електричний струм, обумовлений дифузією іонів К по градієнту концентрації з клітини, становить близько двох пікомпер і має пульсуючий характер, а середня тривалість пульсації становить кілька мілісекунд. З цього спостереження зроблено висновок, що калієві канали в клітині, що покоїться, можуть спонтанно відкриватися і закриватися, забезпечуючи умови для дифузії через них іонів К з клітини і формування на мембрані потенціалу спокою.
Потенціалзалежні калієві канали
Про існування потенціалзалежних калієвих каналів у мембранах клітин збудливих тканин стало відомо після того, як було встановлено, що їхня кінетика активації відрізняється від такої для потенціалзалежних натрієвих каналів і до того ж вони селективно блокуються іншими блокаторами. Калієві канали активуються так само, як і натрієві, при деполяризації мембрани клітини до критичного рівня, але при цьому швидкість виходу іонів К з клітини наростає значно повільніше, ніж швидкість входу іонів Na + в клітину.
Селективний фільтр калієвого каналу розташовується з внутрішньої сторони гирла пори на відміну зовнішнього розташування подібного фільтра натрієвих каналах (рис. 7). Існування селективності цих каналів стосовно катіонів Na+ і К+ та різних специфічних блокаторів — тетродотоксину (для натрію) та тетраетиламонію (для калію) — свідчить про різну будову цих каналів.
Потенціалзалежні калієві канали є тетрамерами і складаються з чотирьох субдидин, що утворюють пору в центрі.
Потенціалзалежні калієві канали локалізуються в мембранах як збуджуваних, так і незбудливих клітин. Вони відіграють важливу роль у швидкості відновлення (реполяризації) потенціалу на мембрані після її деполяризації і, таким чином, у контролі форми та частоти генерації потенціалів дії. Повільні калієві канали блокуються тстра-етиламмонієм, 4-амінопіридином, фенциклідином, 9-аміноакридином.
Мал. 7. Калієвий канал: а - зліва - двомірна структура а-субодиниці; праворуч - схема каналу; б - електроногра.мма калієвих каналів у цитопламатичній мембрані.
Крім повільних калієвих каналів описані швидкі потенціалзалежні калієві канали, кінетика відкриття яких подібна до такої для швидких потенціалзалежних натрієвих каналів. Ці калієві канали швидко відкриваються при деполяризації, потім повністю інактивуються, а для їхньої реактивації потрібно не просто реполяризувати мембрану, але на деякий час гіперполяризувати її.
Відповідно до назв кодують синтез і складання каналоутворюючих молекул генів виділяють шість KCN типів з підтипами KCN А, В, С, Е і одне сімейство KCNQ іонних каналів. Канали останнього сімейства експресовані у міокарді.
Лігандзалежні калієві канали
Представлені великою кількістю каналів, чутливих до дії різноманітних лігандів.
Одним із типів численних лігандзалежних калієвих каналів є канали, асоційовані з мускаринчутливими ацетилхоліновими рецепторами. Ці канали активуються ацетилхоліном. Канали можуть блокуватися брадикініном та іонами барію. Є два підтипи цих каналів: мускарином, що інактивуються і активуються ним. Останній локалізований у клітинах водія ритму серця.
Властивості лігандзалежного калієвого каналу мають неселективні потенціалнезалежні катіонні канали, що поєднують ознаки каналів і нікотинчутливих ацетил холінових рецепторів постсинаптичної мембрани нервово-м'язового синапсу. При взаємодії білка-каналоутворювача з ацетилхоліном відбувається відкриття цього неселективного каналу, через який іони Na+ входять до м'язової клітини, а іони До з неї виходять. Різна швидкість переміщення цих іонів забезпечує виникнення деполяризації постсинаптичної мембрани, яка не переростає у потенціал дії безпосередньо на цій мембрані.
Виділено АТФ-чутливі калієві канали, які інгібуються та активуються дією АТФ.
Окреме сімейство калієвих каналів складають так звані вхідні випрямляючі калієві канали (вентилі), або вхідні випрямлячі (inwardrectifying; inwardrectifier). У комірному механізмі каліїв, що випрямляють, немає сенсора напруги. Функціональне значення цих каналів полягає в їхньому впливі на збудливість клітин-водіїв ритму, м'язових клітин та нейронів.
Сімейство вхідних калієвих каналів, що випрямляють, відповідно до назвами генів, що їх кодують, підрозділяється більш ніж на 15 типів. Прикладом специфічного значення випрямляючих вхідних калієвих каналів і, зокрема каналів KCNJ 3, 5, 6 і 9 (інше позначення Kir-канали) може бути їх специфічна роль у регуляції частоти серцевих скорочень через асоціацію цих каналів з G-білком і мускаринчутливими ацетилхоліновими - Водіїв ритму серця.
Відомі потенційночутливі активовані натрієм калієві канали.
Описані особливі потенційночутливі калієві канали, чутливі до зміни рН, які є в р-клітинах острівців підшлункової залози і виконують роль сенсора глюкози. Відомі також калієві канали, чутливі до зміни об'єму клітин.
Кальцієві канали
Сімейство кальцієвих каналів широко представлене в клітинах нервової та м'язової тканин. Основними місцями їх локалізації є мембрани пресинаптичних терміналей саркоплазматичного та ендоплазматичного ретикулуму м'язів, сарколеми кардіоміоцитів та мембрани клітин інших тканин.
Кальцієві канали за способами управління проникністю поділяють на потенціалзалежні, пасивні, лігандзалежні, механочутливі та ін.
Кальцієві канали поділяють за швидкістю інактивації на канали Т-типу ( transient- швидкоплинний), L-типу (повільні). Залежно від тканинної приналежності та чутливості до дії токсинів виділяють канали В-типу (brain)- Мозок), N-типу (Neuronal- нейрональний), Р-типу (purkinjecell- Клітина Пуркіньє) і R-типу (резистентний до дії токсинів).
Потенціалзалежні кальцієві канали
Вони формуються олігомерним білком, що зазвичай складається з п'яти субодиниць а1, а2, β, у і δ. Власне іонний канал формує а-субодиниця, що має великий ступінь подібності амінокислотного складу та структури з аналогічною субодиницею потенціалзалежних натрієвих і калієвих каналів (див. рис. 6, рис. 7).
Потенціалзалежний кальцієвий канал має селективну проникність для іонів Са 2+ . Селективність забезпечується наявністю пори, що формує селективний фільтр.
Часутворена сегментами а 1 -субодиниці, тому, враховуючи подібність се будови з такою для каналів одновалентних катіонів, слід було б очікувати, що кальцієвий канал повинен бути проникним для іонів Na + і К +. Така його властивість дійсно має місце при усуненні кальцію із позаклітинного середовища.
У природних умовах селективність по відношенню до кальцію забезпечується в каналі наявністю в порі каналу двох місць зв'язування кальцію. Одне з них утворено групою залишків глутамату, і при низькій концентрації кальцію він виявляється сильно пов'язаним із цим місцем пори каналу і канал для кальцію стає проникним. При підвищенні концентрації кальцію зростає можливість заняття кальцієм другого місця зв'язування; сили електростатичного відштовхування, що виникають при цьому, між іонами Са 2+ сильно скорочують час перебування іонів на місцях зв'язування. кальцій, Що Вивільняється, дифундує через активований канал в клітину по електрохімічному градієнту.
Потенціалзалежні кальцієві канали відрізняються пороговими значеннями зрушень різниці потенціалів, при яких вони активуються. Канали Т-типу активуються малими зрушеннями напруги на мембрані, L-і Р-типів характеризуються високими порогами зрушень напругами, що викликають їхню активацію.
Потенціалзалежні кальцієві канали відіграють важливу роль у здійсненні низки життєво важливих процесів в організмі. Їх активація та надходження кальцію в пресинаптичну терміналь є необхідними для здійснення синаптичної передачі сигналів.
Вхід кальцію через кальцієві канали до пейсмекерної клітини необхідний для генерації потенціалів дії в клітинах водіях ритму серця та забезпечення його ритмічного скорочення. Потенціалзалежні кальцієві канали регулюють надходження кальцію в саркоплазму волокон міокарда, скелетної мускулатури, гладких міоцитів судин і внутрішніх органів, контролюючи ініціювання, швидкість, силу, тривалість їх скорочення і тим самим рухи, насосну функцію серця, артеріальний тиск крові. організм.
Пасивні кальцієві канали
Є у цитоплазматичних мембранах гладких міоцитів. Вони проникні для кальцію у стані спокою, і кальцій поряд з іонами К+ та Na+ бере участь у створенні трансмембранної різниці потенціалів або потенціалу спокою гладких міоцитів. Кальцій, що надходить цими каналами в гладкий міоцит, є джерелом поповнення його запасів в ендоплазматичному ретикулумі, використовується як вторинний посередник при передачі внутрішньоклітинних сигналів.
Кальцій може спокою може переміщатися з клітини в клітину через канали щілинних контактів. Ці канали не є селективними для кальцію і через них може одночасно здійснюватися міжклітинний обмін іншими іонами та органічними речовинами невеликої молекулярної маси. Кальцій, що надходить до клітин через канали щілинних контактів, відіграє важливу роль у виникненні збудження, ініціювання та синхронізації скорочень міокарда, матки, сфінктерів внутрішніх органів, підтримці тонусу судин.
Лігандзалежні кальцієві канали
При вивченні механізмів запуску та регуляції скорочень міокарда та гладких м'язів виявилося, що вони залежать від надходження до міоциту кальцію як із позаклітинного середовища, так і з його внутрішньоклітинних сховищ. При цьому надходження кальцію в саркоплазму може контролюватись зміною різниці потенціалів на сарколеммі та активацією потенціалзалежних кальцієвих каналів та (або) дією на мембрану саркоплазматичного ретикулуму ряду сигнальних молекул.
Лігандзалежні кальцієві канали локалізовані у цитоплазматичних мембранах гладких міоцитів. Лігандами їх рецепторів можуть бути гормони: вазопресин, окситоцин, адреналін; нейромедіатор норадреналіну; сигнальні молекули: ангіотензин 2, ендотелії 1 та інші речовини. Зв'язування ліганду з рецептором супроводжується активацією кальцієвого каналу та входом кальцію в клітину із позаклітинного середовища.
У кардіоміоцитах для ініціації м'язового скорочення необхідно спочатку активувати потенціалзалежні кальцієві канали Т-типу, потім L-типу, відкриття яких забезпечує надходження до клітини деякої кількості іонів Са 2+ . Кальцій, що увійшов до клітини, активує ріанодиновий рецептор (RYR) каналоутворюючого білка, вмонтованого в мембрані саркоплазматичного ретикулуму кардіоміоциту. В результаті активації каналу його проникність для кальцію зростає і останній за градієнтом концентрації дифундує в саркоплазму. Таким чином, іони Са 2+ виступають як своєрідні ліганди, що активують ріанодинові рецептори і тим самим кальцієві канали. В результаті позаклітинний кальцій, що входить в клітину, виконує роль тригера для виділення кальцію з його основного внутрішньоклітинного сховища.
Кальцієві канали можуть одночасно виявляти чутливість до змін різниці потенціалів на цитоплазматичній мембрані та до дії лігандів. Наприклад, L-тип потенціалзалежних кальцієвих каналів чутливий до дигідропіридину (ніфедипіну), фенілалкіламінів (верапамілу) і бензотіазепінів (дилтіазему). Цей тип каналів часто називають дигідропіридиновими рецепторами. Ця назва передбачає, що L-кальцієвий канал є лігандзалежним, хоча насправді він потенціалзалежний канал.
Р-тип каналів є стійким до дії коногоксинів та ліків, до яких чутливі інші типи кальцієвих каналів.
Функціональні властивості а1-субодиниць потенціалзалежних кальцієвих каналів можуть модулюватися при їх фосфорилюванні, і таким чином може регулюватися стан іонної проникності кальцієвих каналів, наприклад, в міокарді.
Особливим типом лігандзалежних іонних кальцієвих каналів є канали, локалізовані в мембранах ендоплазматичного ретикулуму гладком'язової клітини, стан проникності яких контролюється внутрішньоклітинним рівнем вторинного посередника - ІФЗ. На прикладі цих каналів ми зустрічаємося з випадком, коли позаклітинна сигнальна молекула-агоніст, активуючи рецептор плазматичної мембрани гладком'язової клітини-мішені, включає інозитолфосфатний шлях внутрішньоклітинної передачі сигналу, який у свою чергу через дію ІФЗ виходить на активацію наступного каналоутворюючого білка. Весь цей ланцюжок подій передачі сигналу завершується виходом із внутрішньоклітинних депо іонів Са 2+ , що запускають і контролюють молекулярний механізм скорочення гладком'язової клітини.
Механочутливі кальцієві канали
Локалізуються в плазматичній мембрані гладких міоцитів стінки судин, міоіїтів внутрішніх органів, ендотелію судин, епітелію бронхів. Ці канали можуть бути асоційовані з глікопротеїновими механорецепторами. У відповідь на механічну дію (наприклад, розтягнення стінки судини тиском крові) підвищується проникність іонів Са 2+ . Механочутливі канали не мають високої селективності і змінюють їх проникність одночасно для низки катіонів. Надходження в гладком'язову клітину кальцію та натрію викликає деполяризацію її мембрани, відкриття потенціалзалежних кальцієвих каналів, збільшення входу кальцію та скорочення гладкого міоциту.
Ці події становлять частину механізму пристосування тонусу судин і регуляції кровотоку до величин тиску крові, що змінюються в судині і швидкості кровотоку (міогенна регуляція). Крім того, механочутливі кальцієві канали беруть участь у реалізації механізмів стрес-релаксації судин за тривалого підвищення тиску крові.
Хлорні канали
Хлорні канали є у плазматичних мембранах більшості клітин. Вони відіграють важливу роль у підтримці в клітці, що покоїться, трансмембранної різниці потенціалів і їх зрушеннях при зміні функціональної активності клітин. Хлорні канали беруть участь у регуляції об'єму клітин, трансепітеліального перенесення речовин, секреції рідини секреторними клітинами.
Відповідно до механізмів активації виділяють три суперсемейсгва хлорних каналів: потенціалзалежні, лігандзалежні та інші потенційночутливі хлорні канали.
Потенціал – залежні хлорні канали.Локалізуються в мембранах збудливих та епітеліальних клітин. Стан проникності цих каналів управляється величиною трансмембранної різниці потенціалів.
Потенціал залежна проникність хлорних каналів неоднакова у різних тканинах. Так, у мембрані аксонів залежність проникності хлорних каналів від різниці потенціалів незначна і істотно не впливає на зміну величини потенціалу дії при збудженні, а в кістякових м'язах ця залежність проникності хлорних каналів вища.
Канал CLC1 є типовим представником хлорних каналів сарколеми м'язового волокна кістякового м'яза. Канал виявляє проникність у всьому діапазоні змін трансмембранних напрузі у стані спокою, активується при деполяризації та інактивується при гіперполяризації мембрани.
Лігандзалежні хлорні канали.Переважно експресуються у нервовій тканині. Стан проникності цих каналів для хлору управляється насамперед позаклітинними лігандами, але вони можуть бути чутливими до концентрації кальцію всередині клітини, активуватись G-білками та цАМФ. Канали цього типу широко поширені в пост-синаптичних мембранах і використовуються для здійснення постсинаптичного гальмування. Управління станом проникності каналу здійснюється шляхом активації каналів лігандами - гальмівними нейромедіаторами (у-аміномасляною кислотою та гліцином).
Потенційнонечутливі хлорні канали.Включають пасивні хлорні канали, АТФ-чутливі канали та трансмембранний регулятор провідності інтерстиціального фіброзу. (cysticfibrosistransmembraneconductanceregulator- CFTR).
CFTR, мабуть, складається з власне хлорного каналу та каналу-регулятора, представленого спеціальним регуляторним доменом (Р-доменом). Регуляція іонної провідності цих каналів здійснюється шляхом фосфорилювання регуляторного домену цАМФ-залежною протеїнкіназою. Порушення структури та функції цього каналу веде до розвитку тяжкого захворювання, що супроводжується порушенням функції багатьох тканин – інтерстиціального фіброзу.
Аквапорини
Аквапорини(Від лат. aqua- Вода, грец. porus- канал, пора) - білки, що утворюють водні канали і забезпечують трансмембранне перенесення води. Аквапорини представлені інтегральними тетрамерними білками мембран, мономер яких має масу близько 30 кДа. Таким чином, кожен аквапорин формує чотири водні канали (рис. 8).
Особливістю цих каналів і те, що водні молекули у яких можуть переміщатися в изоосмотических умовах, тобто. коли ними діють сили осмотичного градієнта. Для позначення аквапоринів використовується скорочення AQP. Виділено та описано ряд типів аквапоринів: AQP1 — у мембранах епітелію проксимальних ниркових канальців, низхідному відділі петлі Генле; у мембранах ендотелію та гладких міоцитів кровоносних судин, у структурах склоподібного тіла; AQP2 – у мембранах епітелію збірних трубок. Цей аквапорин виявився чутливим до дії антидіуретичного гормону, і на цій підставі його можна розглядати як лігандзалежний водний канал. Експресія гена, який контролює синтез цього аквапорину, регулюється антидіуретичним гормоном; AQP3 виявлено в мембранах клітин рогівки ока; AQP4 - у клітинах мозку.
Мал. 8. Структура водного каналу AQP1: а - пептидні ланцюги, що формують канал; б - канал у зібраному вигляді: A, В, С, D, Е - ділянки білкового ланцюга
Виявилося, що AQP1 та AQP4 відіграють важливу роль в утворенні та циркуляції цереброспінальної рідини. Аквапорини містяться в епітелії шлунково-кишкового тракту: AQP4 - у шлунку та тонкій кишці; AQP5 - у слинних залозах; AQP6 - у тонкій кишці та підшлунковій залозі; AQP7 - у тонкій кишці; AQP8, AQP9 – у печінці. Частина аквапоринів транспортує як молекули води, а й розчинні у ній речовини органічної природи (кисень, гліцерин, сечовина). Таким чином, аквапорини грають в організмі важливу роль в обміні води та порушення їх функції може бути однією з причин формування набряків мозку, легенів та розвитку ниркової та серцевої недостатності.
Знання механізмів транспорту іонів через мембрани та способів впливу на цей транспорт є неодмінною умовою не тільки для розуміння механізмів регуляції життєвих функцій, але і для правильного вибору лікарських препаратів при лікуванні великої кількості захворювань (гіпертонічної хвороби, бронхіальної астми, серцевих аритмій, порушень водно-сольового). обміну та ін).
Для розуміння механізмів регуляції фізіологічних процесів в організмі необхідне знання не тільки структури та проникності клітинних мембран для різних речовин, але й структури та проникності більш складних структурних утворень, що знаходяться між кров'ю та тканинами різних органів.
Як дізнатися, скільки інтернет трафіку залишилося: практичні поради
Збільшуємо гучність ноутбука
Створення образу операційної системи, його зберігання та розгортання
Карта зони покриття MTS Карта координати базових станцій МТС
Вибираємо додаток для перегляду ТБ на android-пристроях: SPB TV, PeersTV та РоТВ Телебачення spb tv
Всі способи, як перекинути гроші з "МТС" на "Мегафон"
Як відновити дані з MicroSD картки Відновлення картки пам'яті мікро сд