• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Іонні канали клітинних мембран

Модель збудливої мембрани по теорії Ходжкіна-Хакслі припускає регульований перенос іонів через мембрану. Однак безпосередній перехід іона через ліпідний бішар досить утруднений. Тому величина коефіцієнта розподілу К в формулах (2.7, а, б) дуже мала, а отже, був би малий і потік іонів, якби іон переходив безпосередньо через ліпідну фазу мембрани.

Дійсно, для переходу з розчину з діелектричною проникністю ε_p = 80 у мембрану з ε_M » одного моля іонів необхідно перебороти потенційний бар'єр DW, висота якого по теорії Борна визначається співвідношенням:

де е - заряд електрона, r - радіус іона. Для іонів Na⁺ і ДО⁺ величина DW складає 350-400 кдж/моль. Для порівняння, енергія теплових коливань при температурі 300 До складає усього RT = 2,4 кдж/моль.

Імовірність переходу іона з розчину в ліпідну фазу

P~.

Для приведених числових значень DW можна оцінити імовірність

P~»e^-160,

отже, у цьому випадку коефіцієнт розподілу К в формулах (2.7, а, б) дуже малий. Таким чином, безпосередній перенос іонів через ліпідний бішар тільки за рахунок дифузії малоймовірний.

Це і ряд інших розумінь дали підстава вважати, що в мембрані повинні бути деякі спеціальні структури - провідні іони. Такі структури були знайдені і названі іонними каналами. Подібні канали виділені з різних об'єктів; плазматичної мембрани кліток, постсинаптичної мембрани м'язових кліток і інших об'єктів. Відомі також іонні канали, утворені антибіотиками.

Основні властивості іонних каналів:

1) селективність;

2) незалежність роботи окремих каналів;

3) дискретний характер провідності;

4) залежність параметрів каналів від мембранного потенціалу.

Розглянемо них один по одному.

1. Селективністю називають здатність іонних каналів вибірково пропускати іони якого-небудь одного типу.

Ще в перших досвідах на аксоні кальмара було виявлено, що іони Na⁺ і К⁺ по-різному впливають на мембранний потенціал. Іони К⁺ змінюють потенціал спокою, а іони Na⁺ - потенціал дії. У моделі Ходжкіна-Хакслі це описується шляхом уведення незалежних калієвих і натрієвих іонних каналів. Передбачалося, що перші пропускають тільки іони К⁺, а другі - тільки іони Na⁺.

Виміри показали, що іонні канали володіють абсолютною селективністю стосовно катіонів (катіон-селективні канали) або до аніонів (аніон-селективні канали). У той же час через катіон-селективні канали здатні проходити різні катіони різних хімічних елементів, але провідність мембрани для неосновного іона, а виходить, і струм через неї, буде істотно нижче, наприклад, для Na⁺-каналу калієвий струм через нього буде в 20 разів менше. Здатність іонного каналу пропускати різні іони називається відносною селективністю і характеризується поруч з селективністю - співвідношенням провідностей каналу для різних іонів, узятих при одній концентрації. При цьому для основного іона селективність приймають за 1. Наприклад, для Na⁺-каналу цей ряд має вигляд:

Na⁺ : K⁺ = 1:0,05.

2. Незалежність роботи окремих каналів. Проходження струму через окремий іонний канал не залежить від того, чи йде струм через інші канали. Наприклад, К⁺-канали можуть бути включені або виключені, але струм через Na⁺-канали не міняється. Вплив каналів один на одного відбувається опосередковано: зміна проникностей яких-небудь каналів (наприклад, натрієвих) змінює мембранний потенціал, а уже він впливає на провідності інших іонних каналів.

3. Дискретний характер провідності іонних каналів. Іонні канали являють собою субодиничний комплекс білків, що пронизує мембрану. У центрі його існує трубка, крізь яку можуть проходити іони. Кількість іонних каналів на
1 мкм² поверхні мембрани визначали за допомогою радіоактивноміченого блокатора натрієвих каналів - тетродотоксину. Відомо, що одна молекула ТТХ зв'язується тільки з одним каналом. Тоді вимір радіоактивності зразка з відомою площею дозволило показати, що на 1 мкм² аксона кальмара знаходиться близько 500 натрієвих каналів.

Ті трансмембранні струми, що вимірюють у звичайних експериментах, наприклад, на аксоні кальмара довжиною 1 див і діаметром 1 мм, тобто площею 3×10⁷ мкм², обумовлені сумарною відповіддю (зміною провідності) 500 × 3 × 10⁷ ~ 10¹⁰ іонних каналів. Для такої відповіді характерно плавне в часі зміна провідності (мал. 3.6). Відповідь одиночного іонного каналу міняється в часі принципово іншим способом: дискретно і для
Na⁺-каналів (див. мал. 4.5), і для К⁺- , і для Са²⁺-каналів (див. опис нижче).

Уперше це було виявлено в 1962 р. у дослідженнях провідності бішарових ліпідних мембран (БЛМ) при додаванні в розчин, омиваючий мембрану, мікрокількостей деякої речовини, індукуючого порушення. На БЛМ подавали постійну напругу і реєстрували струм I(t). Запис струму в часі мала вигляд стрибків між двома провідними станами.

Одним з ефективних методів експериментального дослідження іонних каналів став розроблений у 80-і роки метод локальної фіксації потенціалу мембрани ("Patch Clamp"),

Суть методу полягає в тім, що мікроелектрод МЕ (мал. 3.1.) тонким кінцем, що має діаметр 0,5-1 мкм, присмоктується до мембрани таким чином, щоб у його внутрішній діаметр потрапив іонний канал. Тоді, використовуючи схему фіксації потенціалу
(мал. 3.4), можна вимірювати струми, що проходять тільки через одиночний канал мембрани, а не через усі канали одночасно, як це відбувається при використанні стандартного методу фіксації потенціалу.

Результати експериментів, виконаних на різних іонних каналах, показали, що провідність іонного каналу дискретна і він може знаходитися в двох станах: відкритому або закритому. Переходи між станами відбуваються у випадкові моменти часу і підкоряються статистичним закономірностям. Не можна сказати, що даний іонний канал відкриється саме в цей момент часу. Можна лише зробити твердження про імовірності відкривання каналу у визначеному інтервалі часу.

Розглянемо струми через одиночні Na⁺-канали.

На мал. 4.5 приведені результати досвідів, при яких на мембрану N раз подавали деполяризуючу зрушення фіксованого потенціалу = –40 мв і реєстрували струм одиночного каналу за допомогою методу локальної фіксації потенціалу. Результати досвідів розташовували один під іншим: 1-й, 2-й… …N-й досвід (мал. 4.5, б). Ці струми течуть усередину клітки, їхня середня амплітуда » 1,6 па (1,6 × 10^-12 А).

Канал за час одного такого деполяризуючого зрушення відкривався лише один раз на час t_и, що будемо називати часом відкритого стану каналу.

Середнє значення t_и для Na⁺-каналу » 0,7мс (від 0,3 до 1,5 мс).

Одиночний канал може відкритися раніш (1-й досвід) або пізніше (N-й досвід). Час, протягом якого імовірність відкривання окремого каналу велика, будемо називати часом життя каналів: T_Na, Т_Ca. Для натрієвих каналів Т_Na » 2 мс.

Таким чином, процес відкриття натрієвих каналів - процес стохастичний: зрушення j_M вище граничного значення збільшує імовірність відкривання каналів, тобто йде процес їхньої активації. Через деякий час життя каналів Т_Na імовірність їхнього відкривання падає до нуля і цей процес називається інактивацією Na⁺-струму.

Експериментальні записи струмів одиночних каналів складніше приведених на мал. 4.5. Це визначається, по-перше, малими величинами реєстрованих струмів у порівнянні зі струмами шумів і, по-друге, нестабільністю роботи самих каналів.

Незважаючи на те, що струм через кожен іонний канал міняється стрибком, залежність сумарного трансмембранного струму в часі плавна (див. мал. 4.8). Цей феномен можна пояснити, використовуючи методи статистичної фізики.

Сумарний струм I через N одиночних іонних каналів:

де i_n - струм через n-й канал.

Середнє значення сумарного струму у випадку однакових каналів визначається середнім струмом у кожнім каналі:

Відносна флуктуація струму в одиночному каналі велика:

У випадку N статистично незалежних каналів відносну флуктуацию сумарного струму варто розглядати як флуктуацію середнього значення випадкової величини, обмірювану N раз. При цьому, як відомо з математичної статистики, виникає поправочний множник (корінь з Ν), а саме:

~.

При великих N відносні флуктуації незначні. Для сукупності N = 10¹⁰ іонних каналів, розташованих на ділянці аксона кальмара, флуктуація струму складає 10^-5 (0,001 %) від середнього значення струму через мембрану, тобто флуктуації струму при вимірах у цьому випадку практично не помітні. Для маленьких кліток, у яких може бути порядку 10³ іонних каналів, відносні флуктуації більш істотні: 1/(3%) див. (мал. 4.5, в).

Струми одиночних К⁺-каналів мають амплітуду до 2 па, а середній час відкритого стану t_и » 5 мс. Однак за цей час канал може кілька разів відкритися і закритися на короткий час, тобто можуть відбуватися осцилляції струму. На відміну від натрієвих,
К⁺-канали не інактивуються, поки j_М вище граничного значення. Окремі канали під час деполяризації можуть відкриватися по декілька раз.

Струми одиночних Са²⁺-каналів кардіоміоцитів мають більш складний характер у порівнянні з Na⁺- і К⁺-струмами аксонів. Під час послідовних стрибків деполяризації в 70 % випадків Са²⁺-канал відкривається на час » 1 мс; потім через кожні 0,2 мс він закривається і знову відкривається і пропускає струм з амплітудою імпульсу » 1 па. Такий процес активації Са²⁺-струму триває близько 130 - 200 мс, а потім настає інактивація Са²⁺-струму. У 30 % стрибків деполяризацій кальцієвий канал залишається закритим.

4. Залежність параметрів каналу від мембранного потенціалу. Іонні канали нервових волокон чуттєві до мембранного потенціалу, наприклад натрієвий і калієвий канали аксона кальмара. Це виявляється в тім, що після початку деполяризації мембрани відповідні струми починають змінюватися з тією або іншою кінетикою (мал. 4.2). мовою іонних каналів цей процес відбувається в такий спосіб. Іон-селективний канал має сенсор - деякий елемент своєї конструкції, чуттєвий до дії електричного поля (мал. 4.6). При зміні мембранного потенціалу міняється величина діючої на нього сили, у результаті ця частина іонного каналу переміщається і змінює імовірність відкривання або закривання воріт - своєрідних заслінок, що діють за законом "всі або нічого". Експериментально показано, що під дією деполяризації мембрани збільшується імовірність переходу натрієвого каналу в провідний стан. Стрибок напруги на мембрані, створюваний при вимірах методом фіксації потенціалу (мал. 3.5 і 4.2), приводить до того, що велике число каналів відкривається. Через них проходить більше зарядів, а виходить, у середньому, протікає більший струм. Істотно, що процес росту провідності каналу визначається збільшенням імовірності переходу каналу у відкритий стан, а не збільшенням діаметра відкритого каналу. Таке сучасне представлення про механізм проходження струму через одиночний канал.

Плавні кінетичні криві струмів, реєстрованих при електричних вимірах на великих мембранах, виходять унаслідок сумування багатьох стрибкоподібних струмів, що протікають через окремі канали. Їхнє підсумовування, як показано вище, різко зменшує флуктуації і дає досить гладкі залежності трансмембранного струму від часу.

Іонні канали можуть бути чуттєві і до інших фізичних впливів: механічним деформаціям, зв'язуванню хімічних речовин і т.д. У цьому випадку вони є структурною основою, відповідно, механорецепторів, хеморецепторів і т.д.

Вивчення іонних каналів у мембранах є одна з важливих задач сучасної біофізики.

Структура іонного каналу. Іон-селективний канал складається з наступних частин (мал. 4.6): зануреної в бішар білкової частини, що має субодиничну будову; селективного фільтра, утвореного негативно зарядженими атомами кисню, що жорстко розташовані на визначеній відстані друг від друга і пропускають іони тільки визначеного діаметра; зворотної частини.

Ворота іонного каналу керуються мембранним потенціалом і можуть знаходитися як у закритому стані (штрихова лінія), так і у відкритому стані (суцільна лінія). Нормальне положення воріт натрієвого каналу - закрите. Під дією електричного поля збільшується імовірність відкритого стану, ворота відкриваються і потік гідратованих іонів одержує можливість проходити крізь селективний фільтр.

Блокатори іонних каналів або не можуть пройти крізь нього, застряючи у фільтрі, або, якщо це великі молекули, як ТТХ, вони стерично відповідають якому-небудь входові в канал. Тому що блокатори несуть позитивний заряд, їхня заряджена частина втягується в канал до селективного фільтра як звичайний катіон, а макромолекула закупорює його.

Таким чином, зміни електричних властивостей збудливих біомембран здійснюється за допомогою іонних каналів. Це білкові макромолекули, що пронизують ліпідний бішар, що можуть знаходитися в декількох дискретних станах. Властивості каналів, селективних для іонів К⁺, Na⁺ і Са²⁺, можуть по-різному залежати від мембранного потенціалу, що і визначає динамікові потенціалу дії в мембрані, а також відмінності таких потенціалів у мембранах різних кліток.

Читайте також:

1. Б- не збуджена ділянка мембрани , на яку діють електричні струми збудженої ділянки. Стрілками показано напрям струмів, кружечками – дійсне переміщення іонів.
2. Безпровідні канали зв'язку
3. Біоелектричні явища в тканинах: будова мембран клітини, транспорт речовин через мембрану, потенціал дії та його розповсюдження.
4. Вентиляційні канали.
5. Виробництво білків одноклітинних організмів
6. Джерела службової інформації та канали її витоку
7. Джерела, канали поширення і технології інформаційно-психологічного впливу.
8. Динаміка мембран. Рухливість фосфоліпідних молекул у мембранах.
9. До постклітинних структур у людини відносять
10. До фізико-хімічних методів очищення стічних вод нале­жать: коагуляція, сорбція (абсорбція, адсорбція), мембранні методи, іонний, обмінні, електроліз, екстракція.
11. Електрогенні іонні насоси
12. Збудливі тканини. Роль клітинних мембран в утворенні збудження.

Переглядів: 4317