10936 (Элементы физиологии клетки), страница 2

Среди интегральных белков плазматической мембраны имеется несколько семейств, выполняющих функции ионных каналов. Некоторые из них являются высокоизбирательными для определенных ионов, их относят к классу селективных (например, для иона натрия или калия). Другие способны переносить только или катионы, или анионы (ионы хлора). Ионные каналы могут находиться в открытом или закрытом состоянии, в зависимости от способа активации и общего заряда клеточной мембраны. Перемещение катионов и анионов через поры каналов происходит по градиенту их концентрации (концентрационному градиенту) или по градиенту потенциала (электрохимическому градиенту).

По способу активации выделяют:

• потенциал-активируемые ионные каналы (переход из закрытого в открытое состояние и обратно осуществляется конформацией белковой молекулы при изменении потенциала мембраны). Примером может служить потенциал-зависимый натриевый канал, определяющий деполяризацию клетки при генерации потенциала действия.

• механочувствительные ионные каналы (открываются при воздействии на мембрану клетки механического стимула, например, при активации механорецепторов кожи).

• лиганд-активируемые ионные каналы. По способу активации они подразделены на две группы (экстраклеточные и внутриклеточные) в зависимости от того, с какой стороны мембраны воздействует лиганд. Если стимул (например, ацетилхолин) при осуществлении синаптической передачи возбуждения в нервно-мышечном синапсе действует на рецептор (в данном примере холинорецептор, представляющий собой одну из нескольких белковых субъединиц ионного канала), расположенный на внешней поверхности мембраны мышечной клетки, откроется ионный канал, проницаемый для катионов. Если лиганд-активируемые каналы зависят от вторичных посредников в клетке, их переход в открытое состояние осуществляется при изменении концентрации определенных ионов в цитоплазме. Примером может служить кальций-активируемый калиевый канал, активирующийся при увеличении концентрации ионов кальция в клетке. Такие каналы принимают участие в реполяризации мембраны при завершении потенциала действия.

Существование мембранных белков – ионных каналов доказано биохимическими, биофизическими и электрофизиологическими методами. Для многих из них расшифрована структура, определена аминокислотная последовательность и локализация в клеточной мембране. Существование ионных каналов предопределяет электрогенез возбудимых клеток.

Условия и причины существования потенциала покоя.

Расчеты и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что все клетки организма в состоянии «оперативного» покоя характеризуются определенной степенью поляризации. Плазмолемма каждой клетки заряжена, и в покое на ее внутренней поверхности поддерживается отрицательный относительно межклеточной среды потенциал. Трансмембранная разность потенциалов в разных клетках различна, но всюду достигает нескольких десятков милливольт. С помощью микроэлектродной техники удалось в эксперименте прямо измерить реальную разность потенциалов по обе стороны клеточной мембраны.

Потенциал покоя (ПП) гигантского аксона кальмара приближается к -85 мВ, нервные и мышечные волокна других животных имеют примерно такой же (около -90 мВ) потенциал покоя.

Какие ионы и ионные каналы обеспечивают биоэлектрогенез? К настоящему времени известно, что основной вклад в потенциал покоя и потенциал действия вносят четыре иона. Na+ K+ Ca++ Cl- способны проникать (или не проникать) в определенных условиях через соответствующие ионные каналы.

Для того, чтобы определенный ион (имеющий заряд) мог проникнуть через мембрану, необходимо, чтобы для этого имелись условия:

1.Наличие концентрационного градиента (создается работой ионных насосов)

2.Наличие электрохимического градиента (создается суммой концентраций заряженных частиц и свойствами ионных каналов разобщать катионы и анионы по обе стороны мембраны).

3.Наличие подходящих каналов в открытом состоянии.

При потенциале покоя внутренняя сторона клеточной мембраны имеет заряд, знак которого (отрицательность) определяется наличием в цитоплазме органических анионов (белков и аминокислот), неспособных проникать через ионные каналы, и дефицитом их противоионов – катионов калия, способных проникать через калиевые ионные каналы, вследствие чего в клетке создается избыток отрицательных ионов, а в интерстиции –избыток положительного заряда. Величину отрицательного заряда в клетке и положительного заряда в межклеточном пространстве удается предсказывать математически, но только для относительно простых случаев, например, для гигантского аксона кальмара.

Величина потенциала покоя описывается с известным приближением уравнением постоянного поля, предложенным Ходжкиным, Гольдманом и Кацем.

Vм=RT/zFln {(pk[K+]о+pNa [Na+]o +pCl [Cl-]i)/ (pk[K+]i+pNa [Na+]i +pCl [Cl-]i)}

Не следует путать понятия мембранный потенциал, равновесный потенциал и потенциал покоя.

Мембранный потенциал задается суммой действующих по обе стороны мембраны зарядов, определяющей способность определенных ионов проникать через ионные каналы.

Равновесный потенциал – это такой потенциал плазмолеммы клетки, при котором суммарный ток определенного иона через мембрану равен нулю, несмотря на возможность отдельных ионов проникать через открытые каналы в обмен на такие же ионы, следующие в противоположном направлении. Определяется уравнением Нернста.

Равновесный потенциал для иона калия

Ек=RT/ZF ln([K+]o/[K+]i)

Источником электромагнитной энергии в любой клетке служит концентрационный элемент, образованный растворами солей, которые неравновесно распределены между цитоплазмой и межклетогной жидкостью, разделенными плазматической мембраной, обладающей неодинаковой проницаемостью для катионов и анионов, на которые диссоциируют эти соли (определение В.О.Самойлова)

С другой стороны, сравнение ПП и равновесного потенциала для конкретного иона позволяет понять и предсказать, куда будет перемещаться этот ион при данном ПП и его изменении (конкретном мембранном потенциале).

Ток иона натрия

iNa=gNa(Vm-ENa)

Расчеты показывают, что равновесный потенциал при физиологических значениях концентраций ионов по обе стороны плазматической мембраны для важнейших электрогенных ионов в большинстве клеток приблизительно соответствуют

Ек=-75 мВ

ЕNa=+55 мВ

ЕCa=+150 мВ

ЕCl=-80 мВ

В состоянии покоя величина мембранного потенциала примерно на 50% зависит от распределения относительно мембраны ионов К+. С точки зрения биофизики это означает, что равновесный калиевый потенциал Ек по своей величине и знаку ближе всего соответствует мембранному ПП. Вместе с тем свой вклад в ПП различных возбудимых клеток вносит натриевая и хлорная проводимость, а также Na+-K+ ионный насос.

Функции мембранного потенциала покоя:

1. Поляризация мембраны является условием для возбуждения и торможения.

2.Поляризация определяет объем выделения медиатора из пресинаптического окончания.

3. ПП создает условия для нахождения потенциалзависимых каналов в закрытом состоянии (поляризация мембраны создает условия для формирования потенциала действия).

Механизмы потенциала действия

При генерации потенциала действия (ПД) решающий вклад в этот процесс вносит поток ионов натрия (в гигантском аксоне кальмара) или натрия и кальция (в нейронах и кардиомиоцитах, гладких миоцитах), направленный внутрь клетки.

Методом фиксации мембранного потенциала удалось измерить токи, текущие через плазмолемму аксона (аксолемму) кальмара и убедиться в том, что в покое ток катионов (К+) направлен из цитоплазмы в интерстиций, а при возбуждении доминирует ток катионов (Na+) в клетку. В состоянии «покоя» плазмолемма почти непроницаема для ионов, находящихся в межклеточном пространстве(Na+ С1- и НСОз-,).

При возбуждении проницаемость для ионов натрия на время, равное нескольким миллисекундам, резко возрастает, а затем снова падает. В результате катионы (ионы Na+) и анионы (С1-, НСОз) разобщаются на плазмолемме: Na+ входит в цитоплазму, а анионы нет. Поток положительных зарядов в цитоплазму не только компенсирует потенциал покоя, но и превышает его. Возникает так называемый «овершут» (или инверсия мембранного потенциала). Входящий поток натрия — результат его пассивного движения по открывшимся мембранным каналам по концентрационному и электрическому градиентам. Выходящий поток этого катиона обеспечивается калий-натриевой помпой.

По данным учебника В.О.Самойлова, в аксолемме активность Na-K-активируемой АТФазы довольно высока. Так, на 1 мкм2 мембраны нервного волокна, входящего в состав блуждающего нерва кролика, приходится около 750 молекул этого фермента. В покое встречные потоки натрия уравновешены, тогда как при возбуждении (в течение существования ПД) система активного транспорта натрия оказывается неспособной моментально компенсировать резкое усиление входящего потока. Она делает это с некоторым запаздыванием. Из сказанного следует, что мембранные потенциалы (ПП и ПД) являются не равновесными, а стационарными, поскольку поддерживаются в условиях существования встречных ионных потоков через плазматическую мембрану. Сдвиги мембранного потенциала связаны с нарушением установившегося стационарного режима, причем возбуждение сопровождается усилением и входящего, и выходящего потоков натрия. Значит, возбуждение не выключает систему активного транспорта натрия, а, напротив, активизирует ее. Однако даже при максимальной активизации калий-натриевая помпа не может воспрепятствовать кратковременному накоплению небольшого количества Na+ в цитоплазме.

Но в опыте было зафиксировано и другое. После кратковременного повышения натриевой проводимости величина мембранного потенциала довольно быстро восстанавливается на уровне потенциала покоя. Оказалось, что в этом процессе существенна роль калиевых каналов, которые обеспечивают реполяризацию мембраны за счет выхода из клетки какого-то количества ионов К+ как носителей положительного заряда. В разных возбудимых тканях механизм потенциала действия обеспечивается вкладом и других катионов, в частности, кальция. ПД миоцитов связан с входящим в цитоплазму из интерстиция потоком не только Na+-, но и Са++. В скелетных мышцах вклад Са++ в ПД невелик, в миокарде он больше, а в гладких мышцах доминирует.

Повышение проницаемости мембраны для внеклеточных катионов, приводящее к генерации потенциала действия, обеспечивается существованием потенциал-зависимых ионных каналов.

Потенциалзависимые натриевые каналы в плазматических мембранах различных клеток представлены несколькими типами. Это белковая молекула массой около 230 кДа, состоящая из 4 субъединиц и домена, несущего сильный положительный заряд.

В структуре ионного канала выделяют два основных функциональных элемента — селективный фильтр и воротный механизм (ворота).

Селективный фильтр канала предназначен для захвата только тех ионов, которые проводятся через канал. Степень селективности определяется стереометрией белковой молекулы и зарядом аминокислотных остатков. Ионная пора имеет размер, строго соответствующий проводимому иону с учетом гидратной оболочки. Вместе с тем степень избирательности ионной поры не абсолютна, через натриевый канал могут следовать, хоть и значительно хуже, и близкие по заряду и величине ионы натрия.

В последние годы в экспериментах выяснилось, что селективный фильтр обладает неизменяемой структурой, не способной изменять просвет в разных условиях. Переходы канала из открытого состояния в закрытое и обратно связаны с работой не селективного фильтра, а воротного механизма. Под воротными процессами, происходящими в той части ионного канала, которая называется «воротами», понимают такие изменения конформации белковых молекул, образующих канал, в результате которых его пора может сжиматься или расширяться. В первом случае «ворота» закрыты, а во втором — открыты. Следовательно, «воротами» принято называть те функциональные группы белковых молекул, которые обеспечивают воротные процессы. Важно, что «ворота» приводятся в движение физиологическими стимулами, т.е. такими, которые присутствуют в естественных условиях. Среди физиологических стимулов особую роль играют сдвиги мембранного потенциала,, что и предопределяет активацию потенциалзависимых ионных каналов.

Твердо установлено, что генерация ПД обеспечивается только потенциалзависимыми ионными каналами. В их структуре выделен участок, несущий заряд и способный выступать сенсором напряжения.

Сенсор напряжения натриевого канала способен реагировать на сдвиг мембранного потенциала от уровня потенциала покоя (примерно -90 мВ) до -55 мВ, т. е. порог активации (перевод канала из закрытого в открытое состояние) составляет около 35 мВ.

Современная функциональная модель натриевого потенциалзависимого канала, описанная во всех учебниках, предусматривает существование в нем двух типов ворот, работающих со сдвигом фаз. Они отличаются инерционными свойствами. Более подвижные (легкие) названы m-воротами, более инерционные (тяжелые) — h-воротами (использованы буквы m и h, обозначающие константы в дифференциальных уравнениях Ходжкина и Хаксли, описывающих ионные токи через мембрану). При потенциале покоя m-ворота открыты, h-ворота закрыты, и движение Na+ по каналу невозможно. При деполяризации плазмолеммы ворота обоих типов приходят в движение, но в силу неодинаковой инерции m-ворота успевают открыться раньше, чем закроются h-ворота. В этот миг натриевый канал открыт полностью и Na+ успевает на протяжении нескольких миллисекунд войти в клетку. Это и есть фаза деполяризации. Реполяризация начинается после закрытия тяжелых h-ворот, то есть после прекращения потока натрия, и обусловлена активностью калиевых каналов.

Потенциалзависимых калиевые каналы обеспечивающие реполяризацию мембраны, представлены более чем пятью типами, присутствуют не только в плазмолемме, но и на внутриклеточных мембранах. Активируются при деполяризации мембраны. Воротные процессы в калиевом канале весьма инертны. Он открывается примерно в 10 раз медленнее, чем закрываются h-ворота натриевого канала.