Часть 3 (1129751), страница 63
Текст из файла (страница 63)
Аквапоринов особенно много в клетках, которымнеобходимо быстро транспортировать воду, например в эпителиальных клеткахи клетках почек.1156Часть IV. Внутренняя организация клеткиАквапорины решают обратную стоящей перед ионными каналами задачу.Для того чтобы не нарушать ионные градиенты через мембрану, они должны быстро пропускать молекулы воды, но полностью блокировать прохождение ионов.Кристаллическая структура аквапоринов позволила понять, как они достигают такойудивительной селективности.
В каналах располагается узкая пора, позволяющаямолекулам воды пересекать мембрану друг за другом вдоль цепочки карбонильныхкислородов, выстилающих одну сторону поры (рис. 11.27, а и б). Другую сторонупоры выстилают гидрофобные аминокислоты. Пора слишком узка для входа гидратированных ионов, а на дегидратацию потребовалось бы слишком много энергии,Рис. 11.27. Структура аквапоринов. (а) Ленточная диаграмма мономера аквапорина. В мембранеаквапорины объединяются в тетрамеры, каждый мономер которых имеет пору в центре (не показано).
(б) Пространственная модель мономера разрезанного и открытого как книга аквапорина. Виднавнутренняя пора. Гидрофильные аминокислоты, выстилающие пору, окрашены красным и синим,гидрофобные — желтым. Аминокислоты, не участвующие в образовании поры, показаны зеленым.Обратите внимание, что одна сторона поры состоит преимущественно из гидрофильных аминокислот,образующих короткоживущие водородные связи с молекулами воды; эти связи способствуют ориентации и выстраиванию в один ряд транспортируемых через мембрану молекул воды. С другой стороны,сторона поры, лишенная таких аминокислот, создает гидрофобный желоб, не допускающий образованияводородных связей. (в и г) Модель, объясняющая, почему аквапорины непроницаемы для H+.
(в) В водеH+ очень быстро диффундирует, переходя с одной молекулы воды на другую. (г) Два стратегически расположенных в центре каждой аквапориновой поры аспарагина способствуют замедлению движенияцентральной молекулы воды таким образом, что обе валентности ее кислорода становятся занятыми.В результате H+ не способен к ней присоединиться. (а и б, адаптировано из R. M. Stroud et al., Curr. Opin.Struct. Biol. 13: 424–431, 2003.
С любезного разрешения издательства Elsevier.)Глава 11. Мембранный транспорт малых молекул 1157поскольку гидрофобная стенка поры не может взаимодействовать с дегидратированным ионом и компенсировать потерю воды. Такое строение канала объясняет,почему аквапорины не проводят ионы K+, Na+, Ca2+ или Cl. Чтобы понять, почемуэти каналы также непроницаемы для H+, вспомним, что большинство протоновв клетке присутствуют в форме H3O+. Они очень быстро диффундируют через воду,используя молекулярный эстафетный механизм, требующий разрушения и созданияводородных связей между соседними молекулами воды (рис. 11.27, в). У аквапориновесть два стратегически расположенных аспарагина, которые связываются с атомомкислорода центральной молекулы воды в проходящей через пору цепочке водныхмолекул.
Поскольку обе валентности этого кислорода недоступны для образованияводородных связей, центральная молекула воды не может участвовать в протоннойэстафете, и, таким образом, пора непроницаема для H+ (рис. 11.27, в и г).Некоторые сходные с аквапоринами бактериальные водные каналы такжепроводят глицерин и малые сахара, которые взаимодействуют со сходным образомрасположенными в стенке поры карбонильными кислородами. Такие временныеконтакты, возникающие между растворенными веществами и стенками поры, делаюттранспорт высокоспецифичным, почти не влияя при этом на скорость прохождениямолекул. Каждый отдельный аквапориновый канал пропускает примерно 109 молекул воды в секунду.Наиболее эффективно каналы используют нейроны.
Прежде чем обсуждать,как они это делают, кратко опишем строение типичного нейрона.11.3.6. В основе функционирования нейронов лежит их вытянутаяформаФундаментальной задачей нейрона, или нервной клетки, является получение,проведение и передача сигналов. Для выполнения этих функций нейроны частоимеют очень большую длину. Длина единственного нейрона человека, тянущегося,например, от спинного мозга до мышцы стопы, может составлять 1 метр.
Каждыйнейрон состоит из тела (содержащего ядро) и нескольких отходящих от него отростков. Обычно, один длинный аксон передает сигналы от тела нейрона к отдаленным клеткам-мишеням, а несколько более коротких дендритов выходят из телаклетки как антенны, увеличивая площадь поверхности для получения сигналов отаксонов других нейронов (рис. 11.28). Тело клетки само по себе также принимаетсигналы. Типичный аксон на своем дальнем конце разветвляется, передавая сигнал одновременно на множество клеток-мишеней.
Дендриты также могут сильноветвиться, в некоторых случаях настолько, что способны принимать до 100 000входящих сигналов на единственный нейрон.Несмотря на то что разные классы нейронов передают разные по важностисигналы, форма сигнала всегда одна и та же — это изменение электрическогопотенциала плазматической мембраны нейрона. Сигнал распространяется за счетвозникающего в одной части клетки электрического возмущения, охватывающегодругие части. Однако если нейрон не будет затрачивать энергию на распространениевозмущения, оно со временем ослабнет. На коротких расстояниях такое затуханиене имеет большого значения; в самом деле, многие небольшие нейроны передаютсигналы пассивно, без усиления. Но для передачи на большие расстояния пассивноераспространение не работает.
Таким образом, более крупные нейроны используютактивный механизм сигнализации, который можно назвать их наиболее удивительным свойством. Электрический стимул, превышающий некоторую пороговую1158Часть IV. Внутренняя организация клеткиРис. 11.28. Типичный нейрон позвоночных. Стрелками показано направление распространения сигнала. Единственный аксон проводит сигналы от тела клетки, тогда как многочисленные дендриты (и телонейрона) принимают сигналы от аксонов других нейронов. Нервные окончания располагаются на дендритах или теле клетки других нейронов или на клетках других типов, например мышечных клеткахили клетках желез.амплитуду, запускает взрыв электрической активности, быстро распространяющийсявдоль плазматической мембраны нейрона. Он автоматически поддерживается механизмами усиления.
Такая бегущая волна электрического возбуждения, известнаякак потенциал действия, или нервный импульс, может передавать сигнал без затухания от одного конца нейрона на другой со скоростью до 100 метров в секундуи даже быстрее. Потенциалы действия напрямую вытекают из свойств потенциалзависимых катионных каналов, которые мы сейчас рассмотрим.11.3.7. Потенциал-зависимые катионные каналы генерируют потенциал действия в электрически возбудимых клеткахПлазматическая мембрана всех электрически возбудимых клеток — не только нейронов, но и эндокринных и мышечных клеток и яйцеклеток, — содержитпотенциал-зависимые катионные каналы, отвечающие за генерацию потенциаладействия.
Потенциал действия начинается с деполяризации плазматической мембраны, когда мембранный потенциал становится внутри менее отрицательным. (Позжемы увидим, как нейромедиаторы вызывают деполяризацию.) В нервных клеткахи клетках скелетных мышц стимул, вызывающий достаточную деполяризацию,быстро приводит к открыванию потенциал-зависимых Na+-каналов, что позволяетнебольшому количеству Na+ войти в клетку по его электрохимическому градиенту.Входящий ток положительных зарядов еще сильнее деполяризует мембрану, чтоприводит к дальнейшему открыванию Na+-каналов, еще больше Na+ входит в клетку и происходит дальнейшая деполяризация.
Этот самоусиливающийся процесс(пример положительной обратной связи, обсуждаемой в главе 15) продолжаетсядо тех пор, пока, за долю миллисекунды, величина электрического потенциалана ограниченном участке мембраны не меняется со значения покоя, равного примерно –70 мВ, до равновесного значения по Na+, равного примерно +50 мВ (см.приложение 11.2, стр. 670). В момент, когда суммарная электрическая сила переноса Na+ почти равна нулю, если бы открытая конформация Na+-каналов былаГлава 11. Мембранный транспорт малых молекул 1159стабильной, клетка могла бы перейти в новое состояние покоя, в котором все ееNa+-каналы были бы постоянно открыты.
Два дополняющих друг друга механизмазащищают клетку от такого постоянного электрического спазма: инактивация Na+каналов и открывание потенциал-зависимых K+-каналов.У Na+-каналов есть механизм автоматической инактивации, приводящийк быстрому закрыванию каналов, даже если мембрана остается деполяризованной.Na+-каналы остаются в инактивированном состоянии и не могут заново открытьсядо тех пор, пока мембранный потенциал не вернется к своему исходному отрицательному значению. Весь цикл от начального стимула до возвращения в исходноесостояние покоя протекает за миллисекунды и меньше. Таким образом, Na+-каналымогут находиться в трех состояниях: закрытом, открытом и инактивированном.На рис.
11.29 показано, как переходы между этими состояниями влияют на возникновение и затухание потенциала действия.Рис. 11.29. Потенциал действия. (а) Потенциал действия инициируется коротким импульсом электрического тока, который (б) частично деполяризует мембрану, как показано на графике зависимостимембранного потенциала от времени. Зеленая кривая показывает, как мембранный потенциал вернулсябы к своему значению покоя после исходного деполяризующего стимула, если бы в мембране не былопотенциал-зависимых Na+-каналов. Такое относительно медленное уменьшение мембранного потенциала до его исходного значения –70 мВ в отсутствие Na+-каналов происходит за счет выхода K+ из клеткичерез потенциал-зависимые K+-каналы, которые открываются в ответ на деполяризацию мембраныи восстанавливают равновесный потенциал по K+.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
