Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 209
Текст из файла (страница 209)
Внутренняя организация клетки ствующие в практически всех животных клетках, формируют и1елевые контакты между соседними клетками; обе плазматические мембраны вносят равный вклад в образование канала, соединяющего цитоплазмы клеток. Эти каналы обсуждаются в главе 19, и здесь мы их рассматривать не будем. Щелевые контакты и порины, каналообразуюшие белки внешней мембраны бактерий, митохондрий и хлоропластов (см. ~лаву 10), обладают относительно широкими и доступными порами, что было бы смертельно для клетки, если бы они напрямую соединяли цитозоль с внеклеточным пространством. В самом деле, многие бактериальные токсины именно так убивают другие клетки (см. главу 24).
С другой стороны, большинство канальных белков плазматической мембраны животных и растительных клеток, соединяющих цитозоль со внешней средой клетки, по необходимости обладают узкими, высокоселективными порами, которые могут быстро открываться и закрываться. Поскольку эти белки специфически связаны с транспортом неорганических ионов, их называют ионньпчи каналами. Ионные каналы более аффективно транспортируют молекулы, чем белки-переносчики.
Через открытый канал за одну секунду может пройти 100 миллионов ионов — это в 1Оз раз больше, чем скорость самого быстрого из известных белков-переносчиков. Однако каналы не могут быть сопряжены с каким-либо источником энергии, что необходимо для активного транспорта. Поэтому они опосредуют только пассивный (по градиенту) транспорт. Таким образом, функция ионных каналов состоит в том, чтобы позволить неорганическим ионам — !Ча', К', Са2' или С1 — быстро диффундировать через липидный бислой по их электрохимическому градиенту. Как мы увидим, способность регулировать ионные потоки через эти каналы лежит в основе многих клеточных функций.
Нервные клетки (нейроны) особенно эффективно используют ионные каналы, и мы рассмотрим, какую роль различные каналы играют в получении, проведении и передаче сигналов. 11.3.1. Ионные каналы ион-селективны и флуктуируют между открытым и закрытым состояниями Ионные каналы обладают двумя важными свойствами, отличающими их от простых заполненных водой пор. Во-первых, они обладают ионной селективностью, пропуская одни ионы, но не позволяя проходить другим.
Это указывает на то, что их поры должны быть местами достаточно узкими, чтобы проходящие ионы входили в плотный контакт со стенками канала. Это необходимо для того, чтобы канал пропускал только ионы подходящего размера и заряда. Чтобы пройти, часто одной цепочкой, самую узкую часть канала, так называемый селективный фильтр, ионы должны лишиться почти всех связанных с ними молекул воды (рнс. 11.20); это ограничивает скорость их транспорта. Таким образом, при увеличении концентрации ионов поток ионов через канал пропорционально увеличивается до тех пор, пока не достигает некоего максимального уровня (насыщения).
Вторым важным отличием ионных камалов от простых заполненных водой пор является то, что ионные каналы открыты не всегда. У них есть так называемые «ворота», которые позволяют им открываться на короткий промежуток времени и затем снова закрываться (рис.
11.21). Более того, при продолжительной (химической нли электрической) стимуляции большинство каналов переходят в закрытое «невосприимчивое», или «инактивированное», состояние, в результате чего они перестают открываться до тех пор, пока стимул не прекращается, это мы обсудим позже. Основными типами стимулов, которые вызывают открывание ионных каналов, 1030 Часть 1Ч. Внутренняя органиэация клетки механизмом регуляции и концентрацией и локализацией в клетке.
Ионные каналы отвечают за электрическую возбудимость мышечных клеток, и они опосредуют большинство видов электрических сигналов в нервной системе. Отдельный нейрон может в норме нести 10 и более типов ионных каналов, располагающихся в различных доменах его плазматической мембраны.
Но ионные каналы свойственны не только электрически возбудимым клеткам. Они присутствуют во всех животных клетках и встречаются в растительных клетках и микроорганизмах: например, они участвуют в процессе закрывания листьев мимозы и позволяют одноклеточному Рагаглесшт менять направление движения после столкновения. Возможно, наиболее распространенными ионными каналами являются каналы, проницаемые в основном для К'.
Они располагаются в плазматической мембране практически всех животных клеток. Важный подвид К'-каналов открывается даже в не стимулируемой или «покоящейся» клетке, и поэтому эти каналы иногда называют каналами утечки К+. Несмотря на то что этот термин, в зависимости от типа клетки, применяется ко многим различным К'-каналам, те выполняют одинаковую функцию. Делая плазматическую мембрану более проницаемой для К', чем для других ионов, они играют ключевую роль в поддержании мембранного потенциала. 11.3.2.
Мембранный потенциал животных клеток зависит в основном от каналов утечки К' и градиента К' через плазматическую мембрану Мембраннъгй потенциал возникает, ко~да заряды на двух сторонах мембраны не равны за счет небольшого избытка положительных ионов относительно отрицательных с одной стороны и небольшого дефицита с другой. Такая разница зарядов может возникать в результате работы электрогенных насосов (см.
равд. 11.2.6) или за счет пассивной диффузии ионов. Как мы обсудим в главе 14, электрогенные Н'-насосы во внутренней мембране митохондрий создают ббльшую часть мембранного потенциала через эту мембрану. Электрогенные насосы также генерируют ббльшую часть электрического потенциала плазматической мембраны растений и грибов.
Однако в типичных животных клетках основной вклад в электрический потенциал плазматической мембраны вносит пассивное движение ионов. Как описано выше, 1ча'/К'-насос способствует поддержанию осмотического равновесия через клеточную мембрану животных клеток за счет уменьшения концентрации внутриклеточного Ыа'. Поскольку Ха' внутри клетки мало, других катионов должно бьггь много для уравновешивания зарядов фиксированных анионов клетки — отрицательно заряженных органических молекул, всегда присутствующих в клетке. Эту роль, в основном, выполняет К', который активно закачивается внутрь клетки )ча+~'К'-насосом и также может свободно проникать в клетку и выходить из нее через каналы утечки, расположенные в плазматической мембране.
Благодаря этим каналам К' находится почти в равновесии, когда электрическая сила, создаваемая избыточными притягивающими К' в клетку отрицательными зарядами, компенсируется утечкой К+ по его концентрационному градиенту. Мембранный потенциал является проявлением этой электрической силы, и мы может рассчитать его равновесное значение из наклона градиента концентрации К'. Следующие рассуждения прояснят это утверждение. Предположим, что исходно градиент напряжения через мембрану отсутствует (мембранный потенциал равен нулю), но концентрация К' велика внутри клетки 11.3. Ионные каналы и электрические свойства мембран 1031 и мала снаружи.
К" будет стремиться покинуть клетку через каналы утечки за счет градиента концентрации, К' начинает двигаться из клетки, и каждый ион оставляет неуравновешенный отрицательный заряд, что создает электрическое поле, или мембранный потенциал, который будет препятствовать дальнейшему выходу К'. Суммарный ток К' прекращается, когда мембранный потенциач достигает значения, при котором электрическая сила, действующая на К', точно уравновешивается влиянием концентрационного градиента, т. е, когда электрохимический градиент К' становится равным нулю. Несмотря на то что ионы С! также находятся в равновесии, мембранный потенциал не позволяет большинству из них войти в клетку, поскольку они заряжены отрицательно. Условие равновесия, при котором суммарный ток ионов через плазматическую мембрану отсутствует, определяет потенциал покоя мембраны такой идеализированной клетки.
Простая, но очень важная формула — уравнение Нернста — количественно описывает условие равновесия и, как объяснено в приложении 11.2, позволяет рассчитать теоретический потенциал покоя мембраны при известных концентрациях ионов внутри и снаружи клетки. Однако поскольку плазматическая мембрана реальной клетки проницаема не только для К' и С1, реальный потенциал покоя обычно немного отличается от предсказанного уравнением Нернста для ионов К' и С!. 11.3.3. Потенциал покоя медленно убывает после остановки й1а'/К"-насоса Дчя установления мембранного потенциала через плазматическую мембрану должно двигаться небольшое число ионов. Таким образом, можно считать, что мембранный потенциал возникает благодаря движению зарядов, практически не влияющему на концентрации ионов. В результате с двух сторон мембраны разница в числе положительных и отрицательных зарядов невелика (рис. 11.22).
Более того, перенос ионов происходит очень быстро, обычно за миллисекунды или быстрее. Рассмотрим изменение мембранного потенциала реальной клетки после внезапной инактнвации Ха'ГК'-насоса. Сразу происходит неболыпое падение мембранного потенциала, поскольку насос электрогенен н в активном состоянии напрямую вносит небольшой вклад в мембранный потенциал, откачивая три иона Ха' и закачивая два иона К . Однако отключение насоса не влияет на ббльшую составляющую потенциала покоя, создаваемую механизмом равновесия К', описанным выше. Эта составляющая мембранного потенциала сохраняется до тех пор, пока концентрация Ха~ внутри клетки остается низкой, а концентрация К' — высокой, как правило, в течение многих минут.
Но плазматическая мембрана в той или иной степени проницаема для всех малых ионов, включая На". Следовательно, без Ха'~'К'-насоса создаваемые им ионные градиенты в конце концов исчезнут, и мембранный потенциал, нарвщенный за счет диффузии через каналы утечки К', также упадет. При входе Ха" нарушается осмотическое равновесие, и вода начинает проникать в клетку (см. приложение 11.1, стр. 1022). В результате клетка через какое-то время приходит к новому состоянию покоя, при котором ионы На', К" и С! находятся в равновесии с обеих сторон мембраны.
Мембранный потенциал в этом состоянии значительно ниже, чем у нормальной клетки с активным Ха','К'-насосом. Потенциал покоя животной клетки изменяется от — 20 мВ до — 120 мВ в зависимости от организма и типа клетки. Несмотря на то что градиент К' всегда вносит 1034 Часть 1Ч. Внутренняя организация клетки проводимости несовместима с наличием у канала селективных сайтов связывания К' с высоким сродством, потому что связывание ионов К' с такими сайтами значительно замедлило бы их перенос. Тайну разгадали, когда с помощью рентгеноструктурного анализа расшифровали структуру бактериального К"-канала. Канал состоит из четырех одинаковых транс- мембранных субъединиц, которые вместе образуют пору в мембране (рис. 11.23). Отрицательно заряженные аминокислоты, расположенные на цитоплазматическом отверстии поры, притягивают катионы и отталкивают анионы, что делает канал катион-селективным.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
