31. Общие свойства ионных каналов нервных волокон. Na-канал, к-канал, их селективность.

В нервных волокнах наиболее полно охарактеризованы два типа каналов: Na⁺ - канал и К⁺ - канал.

Входящий и выходящий потоки Na⁺ в Na⁺ - канале независимы. В энергетическом профиле – высокий центральный барьер (рис. 5.7, кривая 1). Однако проводимость канала зависит от рН среды, протонирование кислотной группы блокирует канал. При физиологических значениях рН состоянию канала с депротонированной группой более соответствует профиль, в котором центральный энергетический барьер расщеплен на два (рис. 5.7, кривая 2). Протонированный центр притягивает катионы, облегчая вход в канал, одновременно затрудняется выход из потенциальной ямы, который может облегчится, когда в боковом участке связывания появляется второй катион. Электростатическое отталкивание способствует выходу первого катиона, второй катион может заполнить центральную яму.

Рис. 5.7. Энергетические профили натриевого и калиевого каналов возбудимых мембран: 1 и 2 — альтернативные модели Na⁺ -канала (Рубин, 2004).

При транспорте К⁺ наиболее медленная стадия – переход через границу мембраны. Канал все время находится в заполненном «двухчастичном» состоянии. Выход иона в раствор сопровождается сдвигом ионов по всему каналу. Число ям – два, поэтому порядок транспорта увеличивается вдвое. К+ - каналы содержат широкое устье со стороны мембраны, которое может блокироваться со стороны цитоплазмы (рис. 5.8.).

Рис. 5.8. Калиевые каналы аксона (I) и саркоплазматического ретикулума (II):

1—широкое устье диаметром около 1 нм, 2 — узкая часть поры, 3 — критическое сужение (селективный фильтр), штриховыми линиями показан возможный внешний участок связывания тетраэтиламмония, 4 — белковый компонент, 5—липидный бислой, о, i — соответственно внешняя и внутренняя стороны мембран (Рубин, 2004).

Ион К⁺ эффективно взаимодействует со всеми атомами кислорода в стенках поры (рис. 5.7), его энергия в поре незначительно больше, чем в воде.

Ион Na⁺ эффективно связывается только с двумя атомами кислорода в селективном центре, энергия его выше чем в воде, поэтому он не проходит через селективный центр К⁺ - канала.

32. Функционирование ионных каналов в зависимости от от внешнего электрического потенциала, понятие воротного устройства.

Открывание каналов в нервных волокнах происходит при изменении внешнего электрического потенциала и обеспечивается специальным молекулярным «воротным» устройством. Воротное устройство открывается с помощью управляющего сенсора, чувствительного к внешнему электрическому полю (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Схематическое изображение ионного канала

«Тело» канала состоит из трансмембранного белка, погруженного в липидный бислой. Макромолекула включает 1900-4000 аминокислотных остатков, уложенных в одну или несколько полипептидных цепей, а также несколько сот сахарных остатков, ковалентно связанных с аминокислотами.

Внутренняя поверхность поры включает в основном гидрофильные аминокислоты.

Для открывания и закрытия ворот канала требуется обратимое изменение конформации белка. Вероятность открытия и закрытия определяется состоянием сенсора, который содержит несколько заряженных групп, двигающихся под влиянием мембранного электрического поля.

Na⁺ - канал под действием деполяризующего импульса быстро открывается, после прекращения действия импульса – быстро закрывается. В К⁺ - канале ток быстро увеличивается при деполяризующем импульсе, инактивация - более медленная.

Молекулярное строение каналов. Для выяснения механизмов активации и инактивации каналов необходимо знание структуры макромолекул, входящих в состав канала.

1. Ацетилхолиновый рецептор в нервно-мышечных соединениях позвоночных.

Нервный импульс вызывает освобождение в синаптическую щель ацетилхолина, который связывается в мембране с рецептурными молекулами белка. Происходит деполяризация мембраны (до 0 мВ), открытие Na – каналов, возникновение потенциала действия в мышечном волокне.

Ацетилхолинэстераза гидролизует ацетилхолин до ацетата и холина.

Ацетилхолиновый рецептор (белок) встроен в мембрану, содержит сегменты М₁ – М₄ (рис. 5.10). Полипептидная цепь пересекает мембрану 4 раза, сегменты уложены в α-спиральные структуры, в каждом из них 430-500 аминокислот. Пора (канал) образована сигментом М₂.

Рис. 5.10. Предполагаемая типология отдельной субединицы ацетилхолинового рецептора

2. Na-, K-, Ca-каналы.

Белки Na-, Ca- каналов состоят из 4 повторов по 300-400 аминокислот, каждый из них включает 6 трансмембранных α-спиральных сегментов (S₁-S₆) (рис. 5.11). Сегмент S₄ несет положительные заряды и играет роль сенсора в воротном механизме канала. Пора образуется между сегментами.

Рис. 5.11. Предполагаемое внутримембранное расположение пептидных цепей главных субъединиц потенциалзависимых ионных каналов (Рубин, 2004).

Мембранные фрагменты обозначены индексами I, II, III и IV. Показаны также участки, в которых располагаются гликозидные группы (ψ), участки фосфорилирования Р, а также зоны взаимодействия с токсинами скорпиона (ScTX), харибдотоксином (СbТХ), сенсор напряжения (+) и функциональный блок (n), ответственный за инактивацию проводимости.

K-канал имеет один сегмент с положительными зарядами (рис. 5.11). Пора образована в пептидной петле между S₅ и S₆ сегментами.

Механизмы блокировки каналов. Существует два типа блокировки:

• Связывание агента непосредственно в поре канала, что препятствует прохождению иона.

• Связывание агента с изменением конформации поры, что препятствует открыванию канала.

Фармакологические агенты - блокираторы, подавляющие возникновение потенциала действия и блокирующие селективно натриевый ток: тетродотоксин, сакситоксин, тетраэтиламмоний. Имеют большое значение в исследовании ионной проводимости. Тетродоксин ТТХ содержится в органах некоторых рыб, подавляет возникновение потенциалов действия в органах и мышцах, подавляет натриевый ток. Сакситоксин STX – содержится в жгутиковых, селективно подавляет калиевый ток.

Есть ферменты, повреждающие структуры, ответственные за инактивацию канала и расположенные снаружи канала и в области ворот.