Ионные каналы мембраны 1 Обзор ионных каналов мембраны

Ионные каналы мембраны 1. Обзор ионных каналов мембраны 2. Определение понятия "ионные каналы", их строение, свойства, функции, функциональные состояния 3. Функциональная классификация

Назначение ионных каналов: 1. обмен клетки с окружающей средой веществом, энергией и информацией 2. обеспечение процессов возбуждения и торможения в нервной системе и мышцах 3. вместе c другими молекулярными рецепторами обеспечивают восприятие клеткой внешних сигналов 4. почти все важнейшие физиологические процессы в организме начинаются с ионных каналов и поддерживаются ими

Ионные каналы (ИК) - это мембранные молекулярные структуры, образованные интегральными (трансмембранными) белками, пронизывающими клеточную мембрану поперёк в виде нескольких петель и образующими в мембране сквозной канал (пору)

Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются дополнительные молекулярные системы: открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции. ИК могут иметь не один, а несколько участков (сайтов) для связывания с управляющими веществами (лигандами)

Ионные каналы - это транспортный механизм, обеспечивающий перемещение ионов K+, Na+, H+, Ca 2+, Cl-, а также воды между цитоплазмой клетки и наружной средой, способный изменять свою проницаемость В мембране существуют также неионные каналы.

Аквапорины - водные неионные каналы мембраны специальные каналы, пропускающие через себя воду относятся также к мембранным каналам пространственная структура канального белка-аквапорина представляет собой цилиндрический канал, по которому движутся только молекулы воды (до млрд/сек)

За открытие аквапоринов Питер Эгр (амер. , профессор, врач, молекулярный биолог получил в 2003 году Нобелевскую премию по химии

Родерик Маккиннон (1956) В 2003 ему вместе с 2003 П. Эгром присуждена Нобелевская премия «за открытия, связанные с ионными каналами в клеточных мембранах: за изучение структуры и механизма действия ионных каналов» .

Сегодня известно около 200 разновидностей белков водных каналов у растений и животных, в том числе 13 - у человека. Благодаря аквапоринам клетки не только регулируют свой объём и внутреннее давление, но и выполняют такие важные функции, как всасывание воды в почках животных и корешках растений.

Создав белковые поры, пропускающие сквозь клеточную мембрану чистую воду, природа позаботилась и о том, чтобы обеспечить каналы для переноса компонентов растворенных в воде солей, прежде всего ионов натрия и калия. Транспорт этих заряженных частиц позволяет клетке генерировать и передавать электрические сигналы.

Строение ионных каналов

ИК состоят из белков сложной структуры (белковканалоформеров) белки "вшиты" в липидный слой мембраны канальный белковый комплекс может состоять либо из одной белковой молекулы, либо из нескольких белковых субъединиц, одинаковых или разных по строению

Домены - это отдельные компактно оформленные части канального белка или субъединиц Сегменты - это части белка каналоформера, свёрнутые спирально и прошивающие мембрану Концевые домены белкаканалоформера (N- и С-терминальные домены) могут торчать из мембраны как наружу, так и внутрь клетки

Практически все ИК имеют в составе своих субъединиц регуляторные домены, способные связываться с различными управляющими веществами (регуляторными молекулами) и за счёт этого менять состояние или свойства канала

В потенциал-активируемых ИК один из потенциал-активируемых трансмембранных сегментов содержит трансмембранных сегментов специальный набор аминокислот с положительными зарядами и работает как положительными зарядами сенсор (датчик, преобразователь) электрического потенциала мембраны При изменении потенциала такой сенсор меняет состояние канала с открытого на закрытое или наоборот

Свойства ионных каналов 1. Селективность 2. Управляемая проницаемость 3. Инактивация 4. Блокировка 5. Пластичность

Селективность - это избирательная повышенная проницаемость ИК для определённых ионов. Для других ионов проницаемость понижена. Такая избирательность определяется селективным фильтром - самым узким местом канальной поры.

Фильтр, кроме узких размеров, может Фильтр иметь также локальный электрический заряд. Например, катион-селективные каналы обычно имеют в области своего селективного фильтра отрицательно заряженные остатки аминокислот в составе белковой молекулы, которые составе белковой молекулы притягивают положительные катионы и отталкивают отрицательные анионы, не пропуская их через пору.

Управляемая проницаемость - это способность ИК открываться или закрываться при определённых управляющих воздействиях на канал. По этому свойству ИК можно классифицировать в зависимости от способов их открытия: например, потенциал-активируемые, лигандактивируемые и т. д.

Инактивация - это способность ИК через некоторое время после своего открытия автоматически понижать свою проницаемость даже в том случае, когда открывший их активирующий фактор продолжает действовать. Различают: • быструю инактивацию • медленную инактивацию

Блокировка - это способность ИК под действием веществ-блокаторов фиксировать какое-то одно своё состояние и не реагировать на обычные управляющие воздействия. Блокировку вызывают веществаблокаторы, которые могут называться антагонистами, блокаторами или литиками

Антагонисты - это вещества, препятствующие активирующему действию других веществ на ИК. Способны хорошо связываться с рецепторным участком ИК. Не способны изменить состояние канала, вызвать его ответную реакцию. Могут действовать более слабо и лишь ингибировать (угнетать) работу канала, но не прекращать её полностью.

Агонисты-антагонисты - это вещества, которые обладают слабым стимулирующим влиянием на рецептор, но при этом блокируют действие естественных эндогенных управляющих веществ

Блокаторы - это вещества, препятствующее работе ионного канала, нарушающие управление каналом, блокирующие его. Например, действие ацетилхолина блокируют холиноблокаторы; норадреналина с адреналином - адреноблокаторы; гистамина - гистаминоблокаторы и т. д. Многие блокаторы применяются в терапевтических целях как лекарственные препараты: ацетилхолин - атропина сульфат

Литики - это те же блокаторы в отношении ИК, но этот термин более старый. Он используется как синоним для блокатора: холинолитик, адренолитик и т. д

Пластичность - это способность ИК изменять свои свойства, свои характеристики. Наиболее распространённый механизм, обеспечивающий пластичность - это фосфорилирование аминокислот канальных белков с внутренней стороны мембраны ферментами - протеинкиназами. К канальным белкам присоединяются фосфорные остатки от АТФ или ГТФ - и канал фосфорные остатки от АТФ или ГТФ меняет свои свойства. Например, фиксируется в постоянно закрытом состоянии, или, наоборот, в открытом.

Функции ИК Главная функция ИК – обеспечение управляемого перемещения ионов через мембрану: регуляция водного обмена клетки: объём и тургор регуляция p. H: закисление и защелачивание регуляция ионного обмена (обмен солей): изменение внутриклеточного ионного состава и концентрации

Функции ИК создание и изменение мембранных потенциалов: потенциал покоя; в возбудимых клетках - локальные потенциалы, потенциал действия проведение возбуждения в возбудимых клетках: обеспечение движения нервных импульсов трансдукция в сенсорных рецепторах: преобразование раздражения (стимула) в возбуждение управление активностью клетки: за счёт обеспечения потоков вторичного мессенджера (активатора): Са 2+ и др.

Функциональные состояния ИК открытое закрытое активированное инактивированное блокированное модулированное (фосфорилированное)

Все ионные каналы подразделяются на группы: По избирательности По характеру пропускаемых ионов По скорости инактивации, т. е. закрывания По механизмам открывания

По избирательности Селективные, т. е. специфические. Эти каналы проницаемы для строго определенных ионов. Малоселективные, неспецифические, не имеющие определенной ионной избирательности. Их в мембране небольшое количество.

По характеру пропускаемых ионов натриевые кальциевые хлорные протонные (водородные)

По скорости инактивации, т. е. закрывания Быстроинактивирующиеся, т. е. быстро переходящие в закрытое состояние. Они обеспечивают быстро нарастающее снижение МП и такое же быстрое восстановление. Медленноинактирующиеся. Их открывание вызывает медленное снижение МП и медленное его восстановление.

По механизмам открывания: потенциалзависимые, т. е. те, которые открываются при определенном уровне потенциала мембраны. хемозависимые, открывающиеся при воздействии на хеморецепторы мембраны клетки физиологически активных веществ (нейромедиаторов, гормонов и т. д).

ТАКЖЕ ИК различают: по строению (структуре) и по происхождению от однотипных генов различные ИК объединяются в отдельные семейства: семейство с пуриновыми рецепторами (АТФ-активируемые), с никотиновыми АХ-рецепторами, ГАМК-, глицин- и серотонин-рецепторами, с глутаматными рецепторами и т. д. ;

Функциональная классификация (Сазонов В. Ф. , 2011) - по способу управления деятельностью ИК неуправляемые (постоянно открытые) управляемые (открывающиеся закрывающиеся при определенных воздействиях)

Неуправляемые (независимые) ИК обычно находятся в постоянно открытом состоянии обеспечивают постоянный ионный ток через открытую пору канала как в клетку, так и из клетки перемещения ионов через такие ИК идёт пассивно за счёт диффузии под действием химических сил (по градиенту их концентрации) и/или электрических сил (по электрическому градиенту зарядов между внутренней и наружной сторонами мембраны)

Управляемые ИК: потенциал-управляемые (потенциалчувствительные, потенциал-зависимые, потенциал-активируемые, voltage-gated) хемо-управляемые (хемочувствительные, хемо-управляемые хемозависимые, лиганд-управляемые, лигандзависимые, рецептор-активируемые) стимул-управляемые (механочувствительные, стимул-управляемые механосенситивные, стретч-активируемые, stretch-activated, протон-активируемые, температурно-чувствительные)

Управляемые ИК: совместно-управляемые (NMDA-рецепторносовместно-управляемые канальный комплекс) опосредованно-управляемые (вторичноопосредованно-управляемые, ион-активируемые, ионзависимые, мессенджер-управляемые) актин-управляемые (актин-регулируемые, актин-управляемые actin-regulated) коннексоны (двойные поры) коннексоны энерго-зависимые транспортёры (ионные энерго-зависимые транспортёры насосы, ионные помпы, ионные обменники)