Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 212
Текст из файла (страница 212)
Таким образом, потенциал действия распространяется как волна от исходной точки деполяризации по всей плазматической мембране, как показано на рис. 11.30. С потенциал-зависимыми К+-каналами в большинстве нервных клеток связан второй механизм быстрого снижения потенциала активированной плазматической мембраны до его исходного отрицательного значения, при котором возможна передача второго импульса.
Эти каналы открываются в ответ на деполяризацию мембраны почти так же, как 1Ча'-каналы, но с более медленной кинетикой; поэтому их называют медленными К'-каналамп. Как только К'-каналы переходят в открытое состояние, выходящий поток К' быстро компенсирует временный входящий поток 1Ча', и мембранный потенциал быстро приближается к равновесному потенциалу по К', хотя инактивация 1Ча'-каналов может еще не закончиться.
Как и 1Ча'-каналы, потенциал-зависимые К'-каналы автоматически инактивируются. Исследования мутантных потенциал-зависимых К'-каналов показали, что для быстрой инактивации необходимы 20 амннокислотных остатков Ы.конца канального белка; изменение этого участка влияет на инактивацию канала, а его удаление полностью ее блокирует. Удивительно, но, если цитоплазматическую поверхность плазматической мембраны подвергнуть действию искусственного пептнда, соответствующего отсутствующему 1Ч-концу, инактивация восстанавливается. Эти наблюдения указывают на то, что 1Ч-конец каждого К'-канала работает как «шарик на нитке», закрывающий и цитоплазматический конец поры вскоре после ее открытия, и инактивирующий канал (рис. 11.31). Предполагается, что сходный механизм действует при быстрой инактивации потенциал-зависимых Ыа'-каналов (которые мы обсудим позже), хотя там в этом участвует другой участок белка.
Электрохимический механизм потенциала действия бьш впервые сформулирован после знаменитой серии экспериментов, проведенной в 40 — 50-х гг. ХХ века. Поскольку на тот момент методов изучения электрических явлений в маленьких клетках еще не существовало, эксперименты проводили на гигантском нейроне кальмара.
Несмотря на технический прогресс, логика оригинального анализа до сих пор служит моделью для современных работ. В приложении 11.3 описаны некоторые аспекты оригинальных экспериментов. 11.3.8. йлиелиниэация увеличивает скорость и эффективность распространения потенциала действия по нервным клеткам У многих позвоночных миелиновые оболочки служат изоляцией аксонов. Она значительно увеличивает скорость проведения потенциала действия аксоном. Важность миелинизации ясно показывает заболевание рассеянный склероз, при котором иммунная система разрушает миелиновые оболочки в некоторых областях центральной нервной системы; в нарушенных участках проведение нервных импульсов значительно замедляется, что часто приводит к сокрушительным неврологическим последствиям.
Мнелин синтезируют специальные поддерживающие клетки, носящие название глиальных клеток. Шяанновскне (Яспч апп) клетки образуют миелиновые оболочки аксонов периферических нервов, а олигодендроцнты — в центральной нервной системе. Эти глиальные клетки плопюй спиралью наматывают слой ИЗ. Йз)нные каналы м вдеку)зицескнеее0Муаа е)ей)бран. "1643. распространени~ в) аремя, мс при) 0 распространение инактиви- Не каналы закрытые роаанные открытые закрытые мембрмче репопяриэация депопяриэация при) 1 мо состояние покоя распространение открытые закрытые закрытые инактиви- роаа нные мембране реполяриэоеана деполяризоаана в состоянии покоя Рис.
11.30. Распространение потенциала действия вдоль аксона. а) Внутриклеточные электроды, расположенные на равных интервалах вдоль аксона, записывают напряжение. б) Изменение На'-каналов и ток (оранжевые сглрелки) вызывают распространяющееся возмущение мембранного потенциала. Область аксона с деполяризоеан ной мембраной показана голубым.
Обратите внимание, что потенциал действия может двигаться только от точки деполяризации, поскольку и нанти зация На'-каналов препятствуетт его распространению в обратном направлении. 1 Ззгч -.~ гате~ циклов деисп~ж е~р» псмсщн в ~ ею еиннм~ м ен:р дав 11,3. Ионные каналы и электрические свойства мембран 1047 11З.9. Пэтч-кпамп укаэьгвает на то, что отдельные каналы открыва)отсн по принципу ивсе ипи ничего» Плазматическая мембрана нейронов и клеток скелезных мышц содержит гъюячи потенциал зависимых )ч)а' каналов. Ток через мембрану представляет собой сумму токов через все эти канавы.
При помощи внутриклеточного микроэлектрода можно зарегистрировать этот совокупный ток, как показано на рис. ! 1.30. Однако, как ни удивительно, можно измерить и ток через отдельные каналы. Метод пэтч-кламп (метод локальной фиксации потенциала), разработанный в 70 — 80 х гг., совершил переворот в изучении ионных каналов. Он позволил исследовать транспорт через единственную молекулу канального белка на маленьком участке мембраны на кон чике микропнпетки трпс. 11.33). При помогпи этого простого, но эффективного метода можно изучать свойства ионных каналов всех типов клеток. Такие ра(юты привели к открытии> того, что даже клетки, не обладающие электрической возбуди мостью, обычно несут в своей плазматической мембране множество разнообразных ионных каналов.
Многие из этих клеток. например клетки дрожжей. слишком малы для того, чтобы применять к ним традипионный электрофизиологический метод натыкания на внугриклеточный электрод. Пэтч кламп показал, что отдельные потенциал зависимые Ха' каналы откры ваются по принципу «все или ничего». Канал открывается и закрывается случай ным образом, но когда он открыт, его проводимость всегда одна и та же — около 1000 ионов в миллисекунду. Таким образом, совокупный ток через мембрану всей 1 мкм осторожное всвсыввние Рис. 11.33. Метод пзтч-клвмп. Благодаря очень плотному контакту между микропипеткой и мембраной, ток может войти в ми яро пипетку или покинуть ее только ээ счет прохождения через канал в лэтче (рэтсЬ -участков) мембраны, зажатом нэ кончике.
Термин кломл (с(эгпр — зажим) используют потому, что для поддержания, или «зэжимэния», мембранного потенциала определенной величины при измерении ионного тока через отдельные каналы применяют электронный прибор. Ток через эти каналы может быть измерен, когда пэтч все еще сообщается с остальной мембраной, как не (о), или отделен, как нэ (б). Преимущество отделенного пэтчэ состоит в том, что вэтом случае проще изменять состав раствора по обеим сторонам мембраны и изучать влияние различных растворенных веществ нэ поведение канала.
Отделенный пэтч также можно получить в обратной ориентации, т. е. тэк, чтобы цитоплэзмэтическэя поверхность мембраны нэходилэсь внутри пипетки. 104В Часть 1)г. Внутренняя организация ипетки клетки показывает не уровень открытия отдельного типичного канала, а оби(ее число 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 клетки в покое примерно на 50--100 мВ более отрицателен, чем погенциал окружения. Хотя такая разница потенциалов может показаться маленькой, она существует на мембране толщиной всего около 5 нм, что дает градиент напряжения порядка 100000 В см. Таким образом, белки в мембране подвергаются действию очень большого электрического поля, которое может значительно повлиять на их конформацию.
Эти белки, как и все остальные, несут множество заряженных групп и полярные связи между ра:иичными атомами. Это означает, 'гго электрическое поле а) — 40 мембранный потЕнциал, мн вв ток через пзтч„пА е) суммарный ток о 4О вв время, мс Рис. 11.34. Пэтч-кламп измерения отдельного потенциал-зависимого На'-канала, Маленький участок мембраны мышечной клетки крысиного эмбриона отделили, как на рис.
11 33. а) Мембрану деполяризовали путем быстрого изменения потенциала. б) Три записи токов, полученные а трех экспериментах на одном участке мембраны. каждая значительная «оупенька» потенциала соответствует открыванию и 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 а измерении тока являются большей частью результатом электрического шума в детекторе. Ток измеряется в пикоамперах (пА). Для удобства электрический потенциал снаружи клетки считается равным нулю. в) Измеряют сумму токов в 144 повторениях одного эксперимента. Сравнение (б) и (е) показывает, что временная зависимость совокупного тока отражает еероятносгь того, что каждый отдельный канал находится а открытом состоянии. Зта вероятность со временем уменьшается, по мере того как каналы в де поляризованной мембране переходят а ин акти ви рован ную конформацию. (Данные из 1 Рат!а(г апб Я. Ноги,л бел.
Рбуз1о(. 79: 333-351, 1982. С любезного разрешения издательства Тпе васке(ейег Оп!чегз!Цг Ргем.] 11.3. Ионные каналы и электрические свойства мембран 1049 накладывает силы на молекулярную структуру. Для многих мембранных белков эффект 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 )чаг ч К+- и Саз'-каналы, например, несут в одном из своих трансмембранных сегментов характерные положительно заряженные аминокислоты, отвечающие на деполяризацию движением наружу, что, в свою очередь, приводит к конформационным перестройкам, открывающим канал.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
