Часть 3 (1129751), страница 65
Текст из файла (страница 65)
11.30. Однако, как ниудивительно, можно измерить и ток через отдельные каналы. Метод пэтч-кламп(метод локальной фиксации потенциала), разработанный в 70–80-х гг., совершилпереворот в изучении ионных каналов. Он позволил исследовать транспорт черезединственную молекулу канального белка на маленьком участке мембраны на кончике микропипетки (рис. 11.33). При помощи этого простого, но эффективногометода можно изучать свойства ионных каналов всех типов клеток. Такие работыпривели к открытию того, что даже клетки, не обладающие электрической возбудимостью, обычно несут в своей плазматической мембране множество разнообразныхионных каналов.
Многие из этих клеток, например клетки дрожжей, слишком малыдля того, чтобы применять к ним традиционный электрофизиологический методнатыкания на внутриклеточный электрод.Пэтч-кламп показал, что отдельные потенциал-зависимые Na+-каналы открываются по принципу «все или ничего». Канал открывается и закрывается случайным образом, но когда он открыт, его проводимость всегда одна и та же — около1 000 ионов в миллисекунду. Таким образом, совокупный ток через мембрану всейклетки показывает не уровень открытия отдельного типичного канала, а общеечисло открытых каналов в мембране в данный момент времени (рис. 11.34).Простые физические принципы позволяют нам понять зависимость от потенциала.
Электрический потенциал внутренней среды нейрона или мышечной клеткив покое примерно на 50–100 мВ более отрицателен, чем потенциал окружения.Хотя такая разница потенциалов может показаться маленькой, она существуетна мембране толщиной всего около 5 нм, что дает градиент напряжения порядка100 000 В/см. Таким образом, белки в мембране подвергаются действию оченьбольшого электрического поля, которое может значительно повлиять на их конформацию. Эти белки, как и все остальные, несут множество заряженных группи полярные связи между различными атомами.
Это означает, что электрическое поленакладывает силы на молекулярную структуру. Для многих мембранных белковэффект изменений в электрическом поле мембраны, скорее всего, будет незначительным, но потенциал-зависимые ионные каналы способны принимать конформации, стабильность которых зависит от величины поля. Потенциал-зависимые Na+-,K+- и Ca2+-каналы, например, несут в одном из своих трансмембранных сегментовхарактерные положительно заряженные аминокислоты, отвечающие на деполяризацию движением наружу, что, в свою очередь, приводит к конформационнымперестройкам, открывающим канал. Каждая конформация может «переключиться» в другую при достаточном толчке со стороны случайных тепловых движенийокружения. Изменения мембранного потенциала влияют именно на относительнуюстабильность закрытых, открытых и инактивированных конформаций под действиемпереключения (см.
подпись к рис. 11.31).1166Часть IV. Внутренняя организация клеткиРис. 11.33. Метод пэтч-кламп. Благодаря очень плотному контакту между микропипеткой и мембраной, ток может войти в микропипетку или покинуть ее только за счет прохождения через канал в пэтче(patch – участок) мембраны, зажатом на кончике.
Термин кламп (clamp — зажим) используют потому,что для поддержания, или «зажимания», мембранного потенциала определенной величины при измерении ионного тока через отдельные каналы применяют электронный прибор. Ток через эти каналыможет быть измерен, когда пэтч все еще сообщается с остальной мембраной, как на (а), или отделен, какна (б). Преимущество отделенного пэтча состоит в том, что в этом случае проще изменять состав растворапо обеим сторонам мембраны и изучать влияние различных растворенных веществ на поведение канала.Отделенный пэтч также можно получить в обратной ориентации, т. е. так, чтобы цитоплазматическаяповерхность мембраны находилась внутри пипетки.11.3.10. Потенциал-зависимые катионные каналы эволюционнои структурно родственныNa+-каналы — не единственные потенциал-зависимые каналы, способные генерировать потенциал действия.
Потенциалы действия в некоторых мышцах, яйцеклетках и клетках желез, например, зависят от потенциал-зависимых Ca2+-каналов,а не от Na+-каналов.В пределах этих трех классов обнаружено удивительное структурное и функциональное разнообразие, создаваемое как множественными генами, так и альтернативным сплайсингом транскриптов РНК одного гена. Однако аминокислотныепоследовательности известных потенциал-зависимых Na+-, K+- и Ca2+-каналов оченьсхожи.
Это указывает на то, что они все принадлежат крупному суперсемействуэволюционно и структурно родственных белков и построены по одному принципу. Тогда как одноклеточные дрожжи S. cerevisiae содержат единственный ген,кодирующий потенциал-зависимый K+-канал, геном червя C. elegans содержит 68генов, кодирующих разные, но родственные K+-каналы. Эта сложность говорито том, что даже простая нервная система, состоящая из 302 нейронов, используетбольшое число различных ионных каналов для генерации ответа.Люди, наследующие мутантные гены, кодирующие различные ионные канальные белки, могут страдать от разнообразных заболеваний нервной системы, мышци сердца, в зависимости от того, в каких клетках в норме функционирует белок,Глава 11.
Мембранный транспорт малых молекул 1167Рис. 11.34. Пэтч-кламп измерения отдельного потенциал-зависимого Na+-канала. Маленький участокмембраны мышечной клетки крысиного эмбриона отделили, как на рис. 11.33. (а) Мембрану деполяризовали путем быстрого изменения потенциала. (б) Три записи токов, полученные в трех экспериментахна одном участке мембраны. Каждая значительная «ступенька» потенциала соответствует открываниюи закрыванию единственного канала. Сравнение трех измерений показывает, что, если продолжительность открывания и закрывания канала сильно изменяется, ток в открытом канале всегда почти постоянен. Небольшие флуктуации в измерении тока являются большей частью результатом электрическогошума в детекторе.
Ток измеряется в пикоамперах (пА). Для удобства электрический потенциал снаружиклетки считается равным нулю. (в) Измеряют сумму токов в 144 повторениях одного эксперимента. Сравнение (б) и (в) показывает, что временная зависимость совокупного тока отражает вероятность того, чтокаждый отдельный канал находится в открытом состоянии. Эта вероятность со временем уменьшается,по мере того как каналы в деполяризованной мембране переходят в инактивированную конформацию.(Данные из J. Patlak and R. Horn, J.
Gen. Physiol. 79: 333–351, 1982. С любезного разрешения издательстваThe Rockefeller University Press.)кодируемый мутантным геном. Например, мутации в генах потенциал-зависимыхNa+-каналов в клетках скелетных мышц могут вызывать миотонию, заболевание,при котором после произвольного сокращения мышц расслабление происходитс задержкой, что вызывает болезненные мышечные спазмы. В некоторых случаяхэто происходит потому, что патологические каналы не способны нормально инактивироваться; в результате Na+ продолжает входить в клетку после окончания потенциала действия и происходят повторная деполяризация и сокращение мышцы.Точно так же мутации, затрагивающие Na+- или K+-каналы мозга, могут приводитьк эпилепсии, при которой избыточные синхронные сигналы крупных групп нейроноввызывают эпилептические припадки (судороги, или конвульсии).1168Часть IV.
Внутренняя организация клетки11.3.11. Медиатор-зависимые ионные каналы в химических синапсах переводят химические сигналы в электрическиеНервные сигналы передаются от клетки к клетке в специализированных контактах, известных как синапсы. Обычный механизм передачи является непрямым.Клетки электрически изолированы друг от друга, т. е. пресинаптическая клеткаотделена от постсинаптической клетки узкой синаптической щелью. Изменениеэлектрического потенциала в пресинаптической клетке запускает высвобождениенебольших сигнальных молекул, известных как нейромедиаторы, которые хранятся в замкнутых мембранных синаптических пузырьках и высвобождаются путемэкзоцитоза.
Нейромедиатор быстро диффундирует через синаптическую щельи вызывает электрические изменения в постсинаптической клетке, связываясьс медиатор-зависимыми ионными каналами (рис. 11.35) и открывая их. Послесекреции нейромедиатора он быстро удаляется: его либо уничтожают специализированные ферменты синаптической щели, либо он захватывается выделившимего нервом или глиальными клетками. Обратный захват опосредуется различнымиNa+-зависимыми транспортерами нейромедиаторов; так, нейромедиаторы перерабатываются, что позволяет клеткам справляться с высокими скоростями их высвобождения.
Быстрое удаление обеспечивает пространственную и временную точностьсигнализации в синапсе. Оно уменьшает шансы того, что нейромедиатор повлияетна соседние клетки. Синаптическая щель должна быть свободна от нейромедиаторадо следующего выброса, чтобы временная последовательность повторного быстрого сигнального события могла быть точно передана в постсинаптическую клетку.Как мы увидим, сигнализация посредством таких химических синапсов являетсяболее гибкой и адаптивной, чем прямое электрическое сопряжение через щелевыеконтакты в электрических синапсах (обсуждаемых в главе 19), которые такжеиспользуются нейронами, но в меньших масштабах.Медиатор-зависимые ионные каналы специализируются на быстром переводевнеклеточных химических сигналов в электрические сигналы в химических синапсах.Каналы концентрируются в плазматической мембране постсинаптической клеткив области синапса и открываются в ответ на связывание молекул нейромедиатора,создавая краткое изменение проницаемости мембраны (см.
рис. 11.35, а). В отличие от потенциал-зависимых каналов, ответственных за потенциалы действия,медиатор-зависимые каналы относительно нечувствительны к мембранному потенциалу и поэтому сами по себе не способны генерировать самоусиливающеесявозбуждение. Вместо этого, они создают локальные изменения проницаемости и,следовательно, мембранного потенциала, которые зависят от количества нейромедиатора, высвобожденного в синапсе, и времени его нахождения там. Потенциалдействия в этом участке может быть запущен только тогда, когда локальный мембранный потенциал достаточно деполяризуется для открытия соответствующегочисла близлежащих потенциал-зависимых катионных каналов, присутствующихв той же мембране-мишени.11.3.12. Химические синапсы могут быть возбуждающими или тормознымиМедиатор-зависимые ионные каналы отличаются друг от друга по несколькимважным признакам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
