Структура іонних каналів цитоплазматичної мембрани

Перший крок у вивченні причин збудливості клітин зробив у своїй роботі “Теорія мембранного рівноваги” в 1924 р англійський фізіолог Донаньї. Він теоретично встановив, що різниця потенціалів всередині клітини і поза нею, тобто потенціалу спокою або МП, близька до калієвому рівноважного потенціалу. Це потенціал, що утворюється на напівпроникною мембрані розділяє розчини з різною концентрацією іонів калію, один з яких містить великі непроникаючі аніони. Його розрахунки уточнив Нернст. Він вивів рівняння дифузійного потенціалу.

Експериментально механізми виникнення різниці потенціалів між позаклітинної рідиною і цитоплазмою, а також збудження клітин встановили в 1939 році в Кембриджі Ходжкин і Хакслі. Вони досліджували гігантське нервове волокно (аксон) кальмара і виявили, що внутрішньоклітинна рідина нейрона містить 400 мМ калію, 50 мМ натрію, 100 мМ хлору і дуже мало кальцію. Під позаклітинної рідині містилося всього 10 мМ калію, 440 мМ натрію, 560 мМ хлору і 10 мМ кальцію. Таким чином, усередині клітин є надлишок калію, а поза ними натрію і кальцію. Це обумовлено тим, що в клітинну мембрану вбудовані іонні канали, що регулюють проникність мембрани для іонів натрію, калію, кальцію і хлору.
Всі іонні канали поділяються на такі групи:
1. За вибірковості:
а) Селективні, тобто специфічні. Ці канали проникні для суворо визначених іонів.
б) Малоселектівние, неспецифічні, що не мають визначеної іонної вибірковості. Їх в мембрані невелика кількість.
2. За характером пропускаються іонів:
а) калієві
б) натрієві
в) кальцієві
г) хлорні
3. За швидкістю інактивації, тобто закривання:
а) бистроінактівірующіеся, тобто швидко переходять у закритий стан. Вони забезпечують швидко наростаюче зниження МП і таке ж швидке відновлення.
б) медленноінактірующіеся. Їх відкривання викликає повільне зниження МП і повільне його відновлення.
4. За механізмів відкривання:
а) потенціалзалежні, тобто ті, які відкриваються при певному рівні потенціалу мембрани.
б) хемозавісімие, що відкриваються при впливі на хеморецептори мембрани клітини фізіологічно активних речовин (нейромедіаторів, гормонів і т. д).
В даний час встановлено, що іонні канали мають наступну будову:
1. Селективний фільтр, розташований в гирлі каналу. Він забезпечує проходження через канал суворо визначених іонів.
2. Активаційні ворота, які відкриваються при певному рівні мембранного потенціалу або дії відповідного ФАВ. Активаційні ворота потенціалзавісімих каналів мається сенсор, який відкриває їх на певному рівні МП.
3. Інактіваціонние ворота, що забезпечують закривання каналу і припинення проведення іонів по каналу на певному рівні МП.
Неспецифічні іонні канали не мають воріт.
Селективні іонні канали можуть перебувати в трьох станах, які визначаються положенням активаційних (м) і інактіваціонних (h) воріт (рис):
1. Закритому, коли активаційні закриті, а інактіваціонние відкриті.
2. активована, і ті й інші ворота відкриті.
3. інактивована, активаційні ворота відкриті, а інактіваціонние закриті.
Сумарна провідність для того чи іншого іона визначається числом одночасно відкритих відповідних каналів. У стані спокою відкриті тільки калієві канали, що забезпечують підтримку певного мембранного потенціалу і закриті натрієві. Тому мембрана вибірково проникна для калію і дуже мало для іонів натрію і кальцію, за рахунок наявних неспецифічних каналів. Співвідношення проникності мембрани для калію і натрію в стані спокою становить 1: 0,04. Іони калію надходять у цитоплазму і накопичуються в ній. Коли їх кількість сягає певної межі, вони по градієнту концентрації починають виходити через відкриті калієві канали з клітки. Однак піти від зовнішньої поверхні клітинної мембрани вони не можуть. Там їх утримує електричне поле негативно заряджених аніонів, що знаходяться на внутрішній поверхні. Це сульфат, фосфат і нітрат аніони, аніонні групи амінокислот, для яких мембрани не проникна. Тому на зовнішній поверхні мембрани накопичуються позитивно заряджені катіони калію, а на внутрішній негативно заряджені аніони. Виникає трансмембранная різницю потенціалів.
Вихід іонів калію з клітини відбувається до тих пір, поки що виник потенціал з позитивним знаком зовні не врівноважує концентраційний градієнт калію, спрямований з клітки. Тобто накопичилися на зовнішній стороні мембрани іони калію НЕ БУДУТЬ відштовхувати всередину такі ж іони. Виникає певний потенціал мембрани, рівень якого визначається провідністю мембрани для іонів калію і натрію в стані спокою. В середньому, величина потенціалу спокою близька до калієвому рівноважного потенціалу Нернста. Наприклад, МП нервових клітин становить 55-70 мВ, поперечно-смугастих – 90-100 мВ, гладких м’язів – 40-60 мВ, залізистих клітин – 20-45 мВ. Менша реальна величина МП клітин, пояснюється тим, що його величину зменшують іони натрію, для яких мембрана незначно проникна і вони можуть входити в цитоплазму. З іншого боку, негативні іони хлору, що надходять в клітину, трохи збільшують МП.
Так як мембрана в стані спокою незначно проникна для іонів натрію, необхідний механізм виведення цих іонів з клітки. Це пов’язано з тим, що поступове накопичення натрію в клітині призвело б до нейтралізації мембранного потенціалу і зникнення збудливості. Цей механізм називається натрій-калієвих насосом. Він забезпечує підтримання різниці концентрацій калію і натрію по обидві сторони мембрани. Натрій-калієвий насос – це фермент натрій-калієва АТФ-аза. Його білкові молекули вбудовані в мембрану. Він розщеплює АТФ і використовує вивільняється енергію для протівоградіентного виведення натрію з клітини і закачування калію в неї. За один цикл кожна молекула натрій-калієвої АТФ-ази виводить 3 іона натрію і вносить 2 іона калію. Так як в клітку надходить менше позитивно заряджених іонів, ніж виводиться з неї, натрій-калієва АТФ-аза на 5-10 мВ збільшує мембранний потенціал.
У мембрані є наступні механізми трансмембранного транспорту іонів та інших речовин:
1. Активний транспорт. Він здійснюється за допомогою енергії АТФ. До цієї групи транспортних систем відносяться натрій-калієвий насос, кальцієвий насос, хлорний насос.
2. Пасивний транспорт. Пересування іонів здійснюється за градієнтом концентрації без витрат енергії. Наприклад, вхід калію в клітину і вихід з неї по калієвим каналам.
3. Сполучений транспорт. Протівоградіентний перенесення іонів без витрат енергії. Наприклад таким чином відбувається натрій-натрієвий, натрій-кальцієвий, калій – калієвий обмін іонів. Він відбувається за рахунок різниці концентрації інших іонів.
Мембранний потенціал реєструється за допомогою Мікроелектродние методу. Для цього через мембрану, в цитоплазму клітини вводиться тонкий, діаметром менше 1 мкМ скляний мікроелектрод. Він заповнюється сольовим розчином. Другий електрод поміщається в рідину, що омиває клітини. Від електродів сигнал надходить на підсилювач біопотенціалів, а від нього на осцилограф і самописець.
Подальші дослідження Ходжкіна і Хакслі показали, що при порушенні аксона кальмара виникає швидке коливання мембранного потенціалу, яке на екрані осцилографа мало форму піка (spike). Вони назвали це коливання потенціалом дії (ПД). Так як електричний струм для збудливих мембран є адекватним подразником, ПД можна викликати, помістивши на зовнішню поверхню мембрани негативний електрод – катод, а внутрішню позитивний – анод. Це призведе до зниження величини заряду мембрани – її деполяризації. При дії слабкого допорогового струму відбувається пасивна деполяризація, тобто виникає кателектротон (рис). Якщо силу струму збільшити до певної межі, то в кінці періоду його впливу на плато кателектротон з’явиться невеликий мимовільний підйом – місцевий або локальний відповідь. Він є наслідком відкривання невеликої частини натрієвих каналів, що знаходяться під катодом. При струмі порогової сили МП знижується до критичного рівня деполяризації (КУД), при якому починається генерація потенціалу дії. Він знаходиться для нейронів приблизно на рівні – 50 мВ.
На кривій потенціалу дії виділяють наступні фази:
1. Локальний відповідь (місцева деполяризація), що передує розвитку ПД.
2. Фаза деполяризації. Під час цієї фази МП швидко зменшується і досягає нульового рівня. Рівень деполяризації росте вище 0. Тому мембрана набуває протилежний заряд – всередині вона стає позитивною, а зовні негативною. Явище зміни заряду мембрани називається реверсією мембранного потенціалу. Тривалість цієї фази у нервових і м’язових клітин 1-2 мсек.
3. Фаза реполяризації. Вона починається при досягненні певного рівня МП (приблизно +20 мВ). Мембранний потенціал починає швидко повертатися до потенціалу спокою. Тривалість фази 3-5 мсек.
4. Фаза слідової деполяризації або слідового негативного потенціалу. Період, коли повернення МП до потенціалу спокою тимчасово затримується. Він триває 15-30 мсек.
5. Фаза слідової гіперполяризації або слідового позитивного потенціалу. У цю фазу, МП на деякий час стає вище вихідного рівня ПП. Її тривалість 250-300 мсек.
Амплітуда потенціалу дії скелетних м’язів в середньому 120-130 мВ, нейронів 80-90 мВ, гладком’язових клітин 40-50 мВ. При порушенні нейронів ПД виникає в початковому сегменті аксона – Аксоплазматичний горбик.
Виникнення ПД обумовлено зміною іонної проникності мембрани при збудженні. У період локального відповіді відкриваються повільні натрієві канали, а швидкі залишаються закритими, виникає тимчасова мимовільна деполяризація. Коли МП досягає критичного рівня, закриті активаційні ворота натрієвих каналів відкриваються і іони натрію лавиноподібно спрямовуються в клітку, викликаючи наростаючу деполяризацію. У цю фазу відкриваються і швидкі і повільні натрієві канали. Тобто натрієва проникність мембрани різко зростає. Причому від чутливості активаційних залежить величина критичного рівня деполяризації: чим вона вища, тим нижче КУД і навпаки.
Коли величина деполяризація наближається до рівноважного потенціалу для іонів натрію (+20 мВ), сила концентраційного градієнта натрію значно зменшується. Одночасно починається процес інактивації швидких натрієвих каналів і зниження натрієвої провідності мембрани. Деполяризація припиняється. Різко посилюється вихід іонів калію, тобто калієвий виходить струм. У деяких клітинах це відбувається через активації спеціальних каналів калієвого вихідного струму. Цей струм, спрямований з клітки, служить для швидкого зміщення МП до рівня потенціалу спокою. Тобто починається фаза реполяризації. Зростання МП призводить до закривання і активаційних воріт натрієвих каналів, що ще більше знижує натрієву проникність мембрани і прискорює реполяризацію.
Виникнення фази слідової деполяризації пояснюється тим, що невелика частина повільних натрієвих каналів залишається відкритою.
Следовая гиперполяризация пов’язана з підвищеною, після ПД, калієвої провідністю мембрани і тим, що більш активно працює натрій-калієвий насос, що виносить ввійшли в клітку під час ПД іони натрію.
Змінюючи провідність швидких натрієвих і калієвих каналів можна впливати на генерацію ПД, а отже на збудження клітин. При повній блокаді натрієвих каналів, наприклад отрутою риби тетродонта – тетродотоксином, клітина стає невозбудимой. Це використовується в клініці. Такі місцеві анестетики, як новокаїн, дикаин, лідокаїн гальмують перехід натрієвих каналів нервових волокон у відкритий стан. Тому проведення нервових імпульсів по чутливих нервах припиняється, настає знеболювання (анестезія) органу. При блокаді калієвих каналів утруднюється вихід іонів калію з цитоплазми на зовнішню поверхню мембрани, тобто відновлення МП. Тому подовжується фаза реполяризації. Цей ефект блокаторів калієвих каналів також використовується в клінічній практиці. Наприклад, один з них хінідин, подовжуючи фазу реполяризації кардіоміоцитів, урежает серцеві скорочення і нормалізує серцевий ритм.
Також слід зазначити, що чим вище швидкість поширення ПД по мембрані клітини, тканини, тим вище її провідність.

Посилання на основну публікацію