Ионные каналы

Содержание

В ионные каналы они представляют собой полые мембранные структуры, которые образуют каналы или поры, которые пересекают толщину мембраны и связывают внешнюю часть клетки с ее цитозолем и наоборот; некоторые могут иметь систему ворот, которая регулирует их открытие.

Эти каналы заполнены водой и контролируют прохождение определенных ионов от одной стороны мембраны к другой. Они состоят из некоторых белков, типичных для клеточных мембран, которые образуют цилиндрические трубчатые структуры, пересекающие их по ширине.

Механизмы транспорта через эти мембраны в широком смысле можно разделить на пассивные и активные. Пассивные — это те, которые позволяют проходить веществам в пользу градиентов их концентрации, в то время как активные требуют потребления энергии, поскольку они перемещают вещества против их градиентов концентрации.

Ионные каналы представляют собой пассивный транспортный механизм, который можно классифицировать в соответствии с их специфичностью, то есть в соответствии с типом иона, через который они пропускают, или в соответствии с тем, как они открываются или закрываются.

Основная функция этих мембранных транспортных систем состоит в том, чтобы обеспечить регулируемый переход веществ в клетки или из клеток и, таким образом, поддерживать внутриклеточные концентрации ионов и других веществ.

Присутствие клеточных мембран и ионных каналов важно для поддержания разницы концентраций между внутриклеточной и внеклеточной средами, что актуально со многих точек зрения. Ионные каналы, особенно лиганд-зависимые, очень важны в фармакологии и медицине, так как многие лекарства могут имитировать функции природных лигандов и, таким образом, связываться с каналом, открывая или закрывая его, в зависимости от обстоятельств

Ионные каналы, особенно лиганд-зависимые, очень важны в фармакологии и медицине, так как многие лекарства могут имитировать функции природных лигандов и, таким образом, связываться с каналом, открывая или закрывая его, в зависимости от обстоятельств.

Другие препараты способны блокировать сайт связывания и, таким образом, предотвращать действие природного лиганда.

Ссылки

1. Медведь М.Ф., Коннорс Б.В. и Парадизо М.А. (ред.). (2007). Неврология (Том 2). Липпинкотт Уильямс и Уилкинс.
2. Отдел биохимии и молекулярной биофизики Thomas Jessell, Siegelbaum, S., & Hudspeth, A.J (2000). Принципы нейронауки (Том 4, стр. 1227-1246). Э. Р. Кандел, Дж. Х. Шварц и Т. М. Джессел (ред.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл.
3. Льюис, К. А., и Стивенс, К. Ф. (1983). Ионная селективность канала рецептора ацетилхолина: ионы находятся в водной среде. Труды Национальной академии наук, 80(19), 6110-6113.
4. Нельсон, Д. Л., Ленингер, А. Л., и Кокс, М. М. (2008). Принципы биохимии Ленингера. Макмиллан.
5. Рон, Дж. Д. (1998). Биохимия. Берлингтон, Массачусетс: Нил Паттерсон Паблишерс.
6. Виана, Ф., де ла Пенья, Э., и Бельмонте, К. (2002). Специфика холодного термопреобразования определяется выражением дифференциального ионного канала. Природа нейробиологии, 5(3), 254.

Типы ионных каналов[ | код]

Классификация ионных каналов проводится по различным параметрам и поэтому единой унифицированной классификации для них пока не существует.

Так, возможна классификация по структуре (строению) и происхождению от однотипных генов.

По этому принципу, например, выделяют три семейства лиганд-активируемых ионных каналов:

1. с пуриновыми рецепторами (АТФ-активируемые);
2. с никотиновыми АХ-рецепторами, ГАМК-, глицин- и серотонин-рецепторами;
3. с глутаматными рецепторами.

При этом в одно и то же семейство попадают ионные каналы с разной ионной селективностью, а также с рецепторами к разным лигандам. Но зато образующие эти каналы белки имеют большое сходство в строении и происхождении.

Ионные каналы также можно классифицировать по селективности в зависимости от проходящих через них ионов: натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные, протонные (водородные).

Согласно функциональной классификации, ионные каналы группируются по способам управления их состоянием на следующие виды:

1. Неуправляемые (независимые).
2. Потенциал-управляемые (потенциал-чувствительные, потенциал-зависимые, voltage-gated).
3. Лиганд-управляемые (хемо-управляемые, хемочувствительные, хемозависимые, лиганд-зависимые, рецептор-активируемые).
4. Опосредованно-управляемые (вторично-управляемые, ион-активируемые, ион-зависимые, мессенджер-управляемые, управляемые метаботропными рецепторами).
5. Совместно-управляемые (NMDA-рецепторно-канальный комплекс). Они открываются одновременно как лигандами, так и определённым электрическим потенциалом мембраны. Можно сказать, что у них двойное управление. Пример: NMDA-рецепторно-канальный комплекс, имеющий сложную систему управления, включающую в себя 8 рецепторных участков-сайтов, с которыми могут связываться различные лиганды.
6. Стимул-управляемые (механочувствительные, механосенситивные, активируемые растяжением (stretch) липидного бислоя, протон-активируемые, температурно-чувствительные).
7. Актин-управляемые (актин-регулируемые, actin-regulated, actin-gated channels).
8. Коннексоны (двойные поры).

Наиболее часто встречаются два типа каналов: ионные каналы с лиганд-зависимыми воротами (находятся, в частности, в постсинаптической мембране нервно-мышечных соединений) и ионные каналы с потенциал-зависимыми воротами.
Лиганд-зависимые каналы превращают химические сигналы, приходящие к клетке, в электрические; они необходимы, в частности, для работы химических синапсов. Потенциал-зависимые каналы нужны для распространения потенциала действия.

Другие механизмы активации и инактивации

Некоторые каналы, особенно каналы, зависящие от напряжения, могут войти в невосприимчивое состояние, во время которого то же изменение напряжения, которое их активировало, больше не активирует их.

Например, в потенциалозависимых кальциевых каналах изменение напряжения открывает канал, и кальций входит, и, оказавшись внутри клетки, тот же ион связывается с сайтом связывания кальциевого канала, и кальциевый канал закрывается. .

Другой формой обратимой инактивации кальциевого канала, объясняющей его рефрактерность после активации, является дефосфорилирование канала из-за увеличения внутренней концентрации кальция.

То есть кальциевый канал может быть необратимо инактивирован из-за наличия патологически высоких концентраций иона, которые опосредуют рекрутирование ферментов расщепления для других активируемых кальцием белков.

Каналы, управляемые лигандами, могут переходить в рефрактерное состояние при длительном воздействии их лиганда, этот механизм называется десенсибилизацией.

Лекарства, яды и токсины могут влиять на регуляцию ионных каналов, закрывая или сохраняя их открытыми или, в некоторых случаях, занимая место лиганда и, таким образом, нарушая его функцию.

Общее представление о структуре и функциях ионных каналов.

Ионные каналы — особые образования в мембране клетки, представляющие собой олигомерные (состоящие из нескольких субъединиц) белки. Центральным образованием канала является молекула белка, которая пронизывает мембрану таким образом, что в ее гидрофильном центре формируется канал-пора, через которую в клетку способны проникать соединения, диаметр которых не превышает диаметра поры (обычно- это ионы).

Вокруг главной субъединицы канала располагается система из нескольких субъединиц, которые формируют участки для взаимодействия с мембранными регуляторными белками, различными медиаторами, а также фармакологически активными веществами.

Облегченное распространение

Облегченная диффузия — это диффузия, которой способствуют белки, и существует два типа этого пассивного транспортного механизма: ионные каналы и транспортные белки или транспортные белки.

Ионные каналы — это механизм, который чаще всего используется клетками для переноса ионов, которые не могут пройти путем простой диффузии, либо потому, что они имеют электрический заряд, а фосфолипиды мембраны отталкивают их из-за их размера и полярности или любых других характеристик.

Диффузия, которой способствуют белки-носители, используется для транспортировки более крупных веществ с зарядом или без него, таких как глюкоза и другие сахара.

Активный мембранный транспорт — это то, что происходит против градиента концентрации транспортируемого растворенного вещества и требует потребления энергии в форме АТФ. К транспортерам этого типа относятся насосы и везикулярный транспорт.

Примером насосов является натриево-калиевый насос, который удаляет три натрия и вводит два калия. Есть еще кальциевые насосы.

Примерами везикулярного транспорта являются эндоцитоз, экзоцитоз, пиноцитоз и фагоцитоз; все эти активные транспортные механизмы.

Белковая структура ионного канала

Обычно функциональный ионный канал, связанный с мембраной, состоит из сборки из 4-6 одинаковых полипептидных субъединиц (гомоолигомеры) или различных (гетероолигомеры), которые образуют между собой центральную пору.

Каждая субъединица различается в зависимости от характеристик и свойств канала, поскольку многие из них специфичны для определенных ионов и имеют разные механизмы открытия и закрытия.

Некоторые каналы состоят из одной полипептидной цепи, организованной в виде повторяющихся мотивов, которые проходят сквозь толщину мембраны в несколько раз и функционируют как эквивалент белковой субъединицы.

В дополнение к этим субъединицам, которые известны в литературе как субъединицы α, некоторые ионные каналы также имеют одну или несколько вспомогательных субъединиц (β или γ), которые регулируют их открытие и закрытие.

Специфичность каждого канала связана с диаметром поры, образованной трансмембранными белками и боковыми цепями (─R) аминокислот, из которых они состоят.

Таким образом, существуют каналы, через которые проходят только ионы натрия, калия, кальция и т. Д., Поскольку боковые цепи функционируют как «сито».

Свойства ионных каналов[ | код]

Для каналов характерна ионная специфичность. Каналы одного типа пропускают только ионы калия, другого — только ионы натрия и т. д.

Селективность — это избирательно повышенная проницаемость ионного канала для определённых ионов и пониженная для других. Такая избирательность определяется селективным фильтром — самым узким местом канальной поры. Фильтр, кроме узких размеров, может иметь также локальный электрический заряд.

Управляемая проницаемость — это способность открываться или закрываться при определённых управляющих воздействиях на канал.

Инактивация — это способность ионного канала через некоторое время после своего открытия автоматически понижать свою проницаемость даже в том случае, когда открывший их активирующий фактор продолжает действовать.

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

Пластичность — это способность ионного канала изменять свои свойства, свои характеристики. Наиболее распространённый механизм, обеспечивающий пластичность — это фосфорилирование аминокислот канальных белков с цитоплазматической стороны мембраны ферментами-протеинкиназами.

Боль

10. Ионные каналы

Ио́нные кана́лы — порообразующие белки (одиночные либо целые комплексы), поддерживающие разность потенциалов, которая существует между внешней и внутренней сторонами клеточной мембраны всех живых клеток. Относятся к транспортным белкам. С их помощью ионы перемещаются согласно их электрохимическим градиентамсквозь мембрану. Такие комплексы представляют собой набор идентичных или гомологичных белков, плотно упакованных в липидном бислое мембраны вокруг водной поры. Каналы расположены в плазмалемме и некоторых внутренних мембранах клетки.

Через ионные каналы проходят ионы Na+ (натрия), K+ (калия), Cl− (хлора) и Ca2+ (кальция). Из-за открывания и закрывания ионных каналов меняется концентрация ионов по разные стороны мембраны и происходит сдвиг мембранного потенциала.

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

Структура Н-ацетилХР

Согласно функциональной классификации, ионные каналы группируются по способам управления их состоянием на следующие виды:

1. Неуправляемые (независимые).
2. Потенциал-управляемые (потенциал-чувствительные, потенциал-зависимые, voltage-gated).
3. Лиганд-управляемые (хемо-управляемые, хемочувствительные, хемозависимые, лиганд-зависимые, рецептор-активируемые).
4. Опосредованно-управляемые (вторично-управляемые, ион-активируемые, ион-зависимые, мессенджер-управляемые, управляемые метаботропными рецепторами).
5. Совместно-управляемые (NMDA-рецепторно-канальный комплекс). Они открываются одновременно как лигандами, так и определённым электрическим потенциалом мембраны. Можно сказать, что у них двойное управление. Пример: NMDA-рецепторно-канальный комплекс, имеющий сложную систему управления, включающую в себя 8 рецепторных участков-сайтов, с которыми могут связываться различные лиганды.
6. Стимул-управляемые (механочувствительные, механосенситивные, активируемые растяжением (stretch) липидного бислоя, протон-активируемые, температурно-чувствительные).
7. Актин-управляемые (актин-регулируемые, actin-regulated, actin-gated channels).
8. Коннексоны (двойные поры).

Наиболее часто встречаются два типа каналов: ионные каналы с лиганд-зависимыми воротами (находятся, в частности, в постсинаптической мембране нервно-мышечных соединений) и ионные каналы с потенциал-зависимыми воротами. Лиганд-зависимые каналы превращают химические сигналы, приходящие к клетке, в электрические; они необходимы, в частности, для работы химических синапсов. Потенциал-зависимые каналы нужны для распространения потенциала действия.

Потенциал-зависимые ионные каналы

Эти каналы отвечают за распространение потенциала действия, они открываются и закрываются в ответ на изменение мембранного потенциала. Например, натриевые каналы. Если мембранный потенциал поддерживается на уровне потенциала покоя, натриевые каналы закрыты и натриевый ток отсутствует. Если мембранный потенциал сдвигается в положительную сторону, то натриевые каналы откроются, и в клетку начнут входить ионы натрия по градиенту концентрации. Через 0,5 мс после установления нового значения мембранного потенциала, этот натриевый ток достигнет максимума. А еще через несколько миллисекунд падает почти до 12. Во время покоя мембранного потенциала, внутриклеточная концентрация ионов натрия 12 ммоль/литр, а внеклеточная концентрация 145 ммоль/литр. Это значит, что каналы через некоторое время закрываются вследствие инактивации, даже если клеточная мембрана остается деполяризованной. Но закрывшись, они отличаются от состояния, в котором находились до открытия, теперь они не могут открываться в ответ на деполяризацию мембраны, то есть они инактивированны. В таком состоянии они останутся до тех пор, пока мембранный потенциал не вернется к исходному значению и не пройдет восстановительный период, занимающий несколько миллисекунд.

Лиганд-зависимые ионные каналы

Эти каналы открываются, когда медиатор, связываясь с их наружными рецепторными участками, меняет их конформацию. Открываясь, они впускают ионы, изменяя этим мембранный потенциал. Лиганд-зависимые каналы почти нечувствительны к изменению мембранного потенциала. Они генерируют электрический потенциал, сила которого зависит от количества медиатора, поступающего в синаптическую щель и времени, которое он там находится.