Biokhimia_T3_Strayer_L_1984 (1123304), страница 87
Текст из файла (страница 87)
Примерно через две миллисекунды мембранный потенциал становится+равным —75 мВ, т. е. равновесному К -потенциалу. Уровень покоя —60 мВ восстанавливается еще через несколько милли+секунд, когда проводимость К снижаетсядо величины, характеризующей нестимулированное состояние. Необходимо подчеркнуть, что во время потенциала действия через плазматическую мембрану проходит+очень малое количество ионов NaиК+ - примерно одна миллионная часть отсодержания этих ионов в нервной клетке.Другими словами, при одном нервном импульсе расходуется лишь ничтожно малая++часть (Na -K )-градиента. Из этого явствует, насколько эффективен потенциал37.
Возбудимые мембраныи сенсорные системы327Рис. 37.3.Избирательность натриевогоканала в отношении ионов частично определяется стерическими факторами. Ионы Na + иLi+ вместе с присоединеннойк ним молекулой воды, так жекак гидроксиламин и гидразин,соответствуют размерам канала. В отличие от этого К+с присоединенной молекулойводы оказывается слишкомбольшимдляканала.(Keynes R. D., Ion-channels inthenerve-cellmembrane,Scientific American, Inc., 1979.)действия как средство сигнализации набольшие расстояния.Na + -канал проводит Na + в 11 раз лучше,чем К + .
Как достигается такая избирательность? Окончательный ответ на этот вопросбудет получен только после анализа структуры канала при высоком разрешении. Однако электрофизиологические исследованияотносительной проницаемости канала дляразличных щелочных катионов и органических катионов все же дают определенныйключ к решению данного вопроса. Зависимость проницаемости от размера иона(табл. 37.1) указывает на то, что канал узок:через него не проходят ионы, диаметр которых превышает 5 А.
Однако проводимость определяется не только размерами.Так, метиламин (H3CNH3+) имеет почти такие же размеры, как гидразин (H 2 NNH 3 + )и гидроксиламин (HONH3+), но при этом несравненно хуже проходит через канал. Причина, по всей вероятности, кроется в том,что метильная группа метиламина в отличие от аминогруппы гидразина или гидрок328Часть V.Молекулярная физиологиясильной группы гидроксиламина не образует водородной связи с кислородныматомом канала. В результате метиламин непроходит по каналу.
Обнаружен еше одинважный факт: проводимость Na + -каналав отношении всех проникающих катионовзначительно уменьшается при снижении рН.По существу, относительная проницаемостьсоответствует кривой титрования кислотыс рK 5,2, что указывает на присутствие отрицательно заряженного карбоксилат-ионав активной форме канала. Таким образом,избирательность Nа + -канала в отношенииNa+ обусловлена наличием отрицательнозаряженного участка с малым радиусом.Ион К + , будучи крупнее, чем Na + , практически не может пройти через эту область(рис. 37.3).37.2. Тетродотоксин и сакситоксинблокируют натриевые каналы в мембранахаксонов нервных клетокТетродотоксин - сильнодействующийядрыбы иглобрюха - блокирует проведениенервных импульсов вдоль аксона и в возбудимых мембранах нервных волокон, что вызывает паралич дыхания. Летальная дозадля мыши составляет около 0,01 мкг.
В свяТаблица 37.1. Относительная проницаемость натриевогои калиевого каналов в мембранах аксонов+ИонNa + каналK каналLi+Na ++КRb +Cs++NH4+HONH3H 2 NNH 3 +H 3 CNH 3 +0,931,000,09<0,01<0,010,160,940,59<0,01<0,01<0,011,000,91<0,080,13<0,03<0,03<0,02Рис. 37.4.Блокаторы Na + -канала.зи с высокой специфичностью действия тетродотоксин с успехом используется приэкспериментальных исследованиях.
ОнИглобрюх, считающийся в Японии деликатесом.очень прочно (К 10-9 М) связывается сNa + -каналом и блокирует поток ионов натрия, не влияя при этом на К + -канал. Таким же действием обладает и сакситоксин,вырабатываемый одним из морских динофлагеллят. Моллюски, питающиеся динофлагеллятами, в особенности съедобныедвустворчатые моллюски и мидии, тожестановятся ядовитыми.
Так, одна мелкаямидия может содержать сакситоксин в дозе,достаточной чтобы убить 50 человек! Общая структурная особенность тетродотоксина и сакситоксина - наличие гуанидиновойгруппы (рис. 37.4). Эта положительно заряженная группа токсина взаимодействуетс отрицательно заряженным карбоксилатионом в устье канала на внеклеточной стороне мембраны.
В сущности, эти токсиныявляются конкурентными ингибиторамиNa + .Тетродотоксин и сакситоксины в силусвоей специфичности и высокого сродства к+Na -каналу оказались ценнейшими средствами анализа. Так, измерением связыва-н и я меченого тетродотоксина с высокойудельной радиоактивностью определялиплотность Nа + -каналов в различных возбудимых мембранах. Немиелинизированныенервные волокна, которые лишены изоляционного слоя миелина, обычно характеризуютсянизкойплотностьюNa+-ка2налов - порядка 20 на 1 мкм . В мембранахтаких аксонов Na + -каналы отделены другот друга расстоянием 2000 А.
Что касаетсямиелинизированных нервных волокон, тов специфических участках, называемых перехватами Ранвье, плотность Na+-каналов, напротив, достигает очень высоких значений - порядка 104 на 1 мкм2. ПерехватыРанвье, расположенные на аксоне с интервалом 2 мм,- это единственные участки, в которых мембрана аксона миелинизированного нерва соприкасается с внеклеточнойжидкостью. Участки мембраны между перехватами Ранвье содержат очень мало каналов и не участвуют в проведении. Потенциал действия перескакивает от перехватак перехвату, вследствие чего импульс проводится быстрее и эффективнее, чем в немиелинизированном волокне.
Наличие 104 ка2налов на 1 мкм в перехвате Ранвье означает, что значительная часть поверхностимембранывэтойобластизанята+Nа -каналами.Специфичность связывания тетродотоксина с Na + -каналами была использованатакже при их выделении и очистке. Для этого интегральные мембранные белки возбудимых мембран солюбилизировали с помощью детергента, после чего разделяли наионообмсннике. Связывание тетродоток+сина с солюбилизированным Na -каналомпозволило количественно определять каналв процессе очистки. Выделенный таким путем Na + -канал оказался белком массой230 кДа, состоящим из субъединиц различных типов.
Сложность устройства37. Возбудимые мембраныи сенсорные системы329Рис. 37.5.Электронная микрофотография миелинизированного аксона из спинного мозга. Миелиновая оболочка аксона («обертка», образованная многочисленными слоями мембран) выполняет роль изолятора. Скорость проведения в миелинизированных нервах намного выше, чем в лишенных миелиновой оболочки нервах того жедиаметра. (Печатается с любезного разрешения д-ра CedricRaine.)Na + -канала частично обусловлена, видимо,тем, что он является не только высокоизбирательной порой в мембране, но и содержитструктуру, воспринимающую напряжение(сенсор напряжения).
Заряженные группыэтой структуры реагируют на изменениемембранного потенциала во время потенциала действия и передают информацию нату часть канала, которая составляет порув мембране. Действительно, до начала потока натрия через мембрану выявляется потокчерез канал (так называемый воротный ток),обусловленный движением заряженныхгрупп в белке.зываемых синапсами (рис. 37.6). Нервныеимпульсы передаются через большинствосинапсов с помощью химических нейромедиаторов - небольших легко диффундирующих веществ, например ацетилхолина илинорадреналина. Ацетилхолин служит такжемедиатором в двигательных концевых пластинках (нервно-мышечных соединениях),являющихся участками контактов междунервом и поперечнополосатой мышцей.Пресинаптическая мембрана холинергического синапса (т.
е. синапса, в котором в качестве нейромедиатора используется ацетилхолин) отделена от постсинаптической мембранытакназываемойсинаптическойщелью шириной около 500 А. Окончаниепресинаптического аксона наполнено синаптическими пузырьками (везикулами), содержащими ацетилхолин. Пришедший к синапсу нервный импульс вызывает высвобождение ацетилхолина в синаптическую шель.Далее молекулы ацетилхолина диффундируют через щель и достигают постсинаптической мембраны, где связываются соспецифическими рецепторными молекулами. Это приводит к деполяризации постсинаптической мембраны, и далее волна деполяризации распространяется вдоль электрически возбудимой мембраны второй нервной клетки. Ацетилхолин гидролизуетсяацетилхолинэстеразой, и постсинаптическаямембрана поляризуется вновь.Ацетилхолин синтезируется вблизи пресинаптического окончания аксона путемпереноса ацетильной группы от ацетил-СоА37.3. Ацетилхолин является нейромедиаторомВзаимодействие между нервными клеткамиосуществляется в местах их соединения, на330Часть V.Молекулярная физиологияРис.
37.6.Схематическоеизображениехолинергического синапса.на холин. Фермент, катализирующий эту реакцию,- холин-ацетилтрансфераза(холинацетилаза). Далее часть образовавшегосяацетилхолина попадает в синаптическиепузырьки, а часть остается в цитозоле.В одном холинергическом синаптическомпузырьке (обычно 400 А диаметром) содержится около 10000 молекул ацетилхолина.трохимического градиента концентрацииNa+ по сравнению с К + .Две молекулы ацетилхолина связываютсяс молекулой рецептора, вызывая при этомтакие изменения конформации, которые открывают канал. Схематически кинетикупроцесса, согласующуюся с экспериментальными данными, можно описать уравнениемгде А - молекула ацетилхолина, R - закрытый канал, R* - открытый канал. За полупериод жизни открытого канала, равный всеголишь 1 мс, по нему проходит примерно 104ионов.
Продолжительное воздействие ацетилхолина на рецептор приводит к его десенсибилизации: канал закрывается и реакция на ацетилхолин исчезает на длительныйпромежуток времени.37.5. Ацетилхолин высвобождаетсяквантамиИзучению синаптической функции значительно способствовало выделение синаптосом из гомогената нервной ткани.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
