Selektivitet förstås som selektivitet hos en membrankanal. Membranjonkanaler. Passiva kalciumkanaler

Cl-(klor) och Ca2+ (kalcium). På grund av öppning och stängning av jonkanaler förändras koncentrationen av joner på olika sidor av membranet och en förskjutning av membranpotentialen sker.

Kanalproteiner består av subenheter som bildar en struktur med en komplex rumslig konfiguration, där det, förutom poren, vanligtvis finns molekylära system för öppning, stängning, selektivitet, inaktivering, mottagning och reglering. Jonkanaler kan ha flera ställen (ställen) för bindning till kontrollämnen.

Encyklopedisk YouTube

1 / 5

✪ Membranpotentialer - Del 1

✪ Passiv transport Enkla och underlättade diffusion av jonkanaler

✪ Kalium-natrium pump.flv

✪ 207. Planerar en recension av YouTube-kanaler om utbildning. Oxford universitet

✪ Kanalgranskning nummer 15 - Utbildningskanaler

undertexter

Jag ska rita en liten cell. Detta kommer att vara en typisk cell, och den är fylld med kalium. Vi vet att celler gillar att lagra det i sig själva. Mycket kalium. Låt dess koncentration vara någonstans runt 150 millimol per liter. Enorma mängder kalium. Låt oss sätta detta inom parentes eftersom parenteser representerar koncentration. Det finns även en del kalium externt. Här blir koncentrationen cirka 5 millimol per liter. Jag ska visa dig hur koncentrationsgradienten kommer att fastställas. Det sker inte av sig självt. Detta kräver mycket energi. Två kaliumjoner pumpas in i cellen och samtidigt lämnar tre natriumjoner cellen. Så här kommer kaliumjoner in i början. Nu när de är inne, kommer de att stanna där på egen hand? Självklart inte. De hittar anjoner, små molekyler eller atomer med en negativ laddning och bosätter sig nära dem. Därmed blir den totala laddningen neutral. Varje katjon har sin egen anjon. Och vanligtvis är dessa anjoner proteiner, någon form av strukturer som har en negativ sidokedja. Det kan vara klorid, eller till exempel fosfat. Något. Vilken som helst av dessa anjoner duger. Jag ska rita några fler anjoner. Så här är två kaliumjoner som precis kommit in i cellen, så här ser det ut nu. Om allt är bra och statiskt så är det så här de ser ut. Och faktiskt, för att vara helt rättvis, så finns det även små anjoner som finns här tillsammans med kaliumjoner. Cellen har små hål genom vilka kalium kan läcka ut. Låt oss se hur det här kommer att se ut och hur det kommer att påverka vad som händer här. Så vi har dessa små kanaler. Endast kalium kan passera genom dem. Det vill säga att dessa kanaler är mycket specifika för kalium. Inget annat kan passera genom dem. Varken anjoner eller proteiner. Kaliumjoner verkar leta efter dessa kanaler och resonerar: ”Wow, vad intressant! Det finns så mycket kalium här! Vi borde gå ut." Och alla dessa kaliumjoner lämnar helt enkelt cellen. De går ut. Och som ett resultat händer en intressant sak. De flesta av dem har flyttat utåt. Men det finns redan flera kaliumjoner utanför. Jag sa att det fanns den här lilla jonen och att den teoretiskt sett kunde komma in. Han kan gå in i den här cellen om han vill. Men faktum är att totalt, totalt, har du fler rörelser utåt än inåt. Nu raderar jag den här vägen eftersom jag vill att du ska komma ihåg att vi har fler kaliumjoner som vill komma ut på grund av koncentrationsgradienten. Detta är det första steget. Låt mig skriva ner det här. Koncentrationsgradienten gör att kalium rör sig utåt. Kalium börjar röra sig utåt. Lämnar buren. Vad händer då? Låt mig rita honom i processen att gå ut. Denna kaliumjon är nu här, och den här är här. Bara anjoner finns kvar. De fanns kvar efter att kaliumet lämnat. Och dessa anjoner börjar producera en negativ laddning. Mycket stor negativ laddning. Endast ett fåtal anjoner som rör sig fram och tillbaka skapar en negativ laddning. Och kaliumjonerna på utsidan tycker att det här är väldigt intressant. Det finns en negativ laddning här. Och eftersom det är där, attraheras de av det, eftersom de själva har en positiv laddning. De dras till en negativ laddning. De vill komma tillbaka. Tänk på det nu. Du har en koncentrationsgradient som trycker ut kalium. Men å andra sidan finns det en membranpotential – i det här fallet negativ – som uppstår på grund av att kaliumet lämnat efter sig en anjon. Denna potential stimulerar kalium att flöda tillbaka. En kraft, koncentration, trycker ut kaliumjonen, en annan kraft, membranpotential, som skapas av kalium, tvingar in den igen. Jag frigör lite utrymme. Nu ska jag visa dig något intressant. Låt oss konstruera två kurvor. Jag ska försöka att inte missa något på denna bild. Jag ska rita allt här och sedan kommer ett litet fragment av det att synas. Vi konstruerar två kurvor. En av dem kommer att vara för koncentrationsgradienten och den andra kommer att vara för membranpotentialen. Dessa kommer att vara kaliumjonerna på utsidan. Följer du dem över tid – den här gången – får du något sånt här. Kaliumjoner tenderar att komma ut och nå jämvikt vid en viss punkt. Låt oss göra samma sak med tiden på den här axeln. Detta kommer att vara vår membranpotential. Vi börjar vid nolltidpunkten och får ett negativt resultat. Den negativa laddningen kommer att bli större och större. Vi börjar vid nollpunkten för membranpotentialen, och det är vid den punkt där kaliumjoner börjar strömma ut som följande händer. I allmänna termer är allt väldigt likt, men det sker som parallellt med förändringar i koncentrationsgradienten. Och när dessa två värden utjämnar varandra, när antalet kaliumjoner som går ut är lika med antalet kaliumjoner som kommer tillbaka in, får du denna platå. Och det visar sig att laddningen är minus 92 millivolt. Vid denna punkt, där det praktiskt taget inte finns någon skillnad i termer av den totala rörelsen av kaliumjoner, observeras jämvikt. Den har till och med sitt eget namn - "jämviktspotential för kalium". När värdet når minus 92 - och det skiljer sig beroende på typen av joner - när minus 92 uppnås för kalium skapas en potentiell jämvikt. Låt mig skriva att laddningen för kalium är minus 92. Detta händer bara när cellen är permeabel för endast ett grundämne, till exempel kaliumjoner. Och fortfarande kan en fråga uppstå. Du kanske tänker, "Okej, vänta en sekund! Om kaliumjonerna rör sig utåt – vilket de gör – har vi då inte en lägre koncentration vid en viss punkt eftersom kaliumet redan har lämnat här, och den högre koncentrationen här uppnås genom att kaliumet rör sig utåt?” Tekniskt sett är det så. Här utanför finns det fler kaliumjoner. Och jag nämnde inte att volymen också ändras. Här erhålls en högre koncentration. Och detsamma gäller för cellen. Tekniskt sett är det en lägre koncentration. Men jag ändrade faktiskt inte värdet. Och anledningen är detta. Titta på dessa värden, det här är nattfjärilar. Och det här är ett stort antal, håller du inte med? 6,02 gånger 10 till minus 23 är inte ett litet tal alls. Och multiplicerar du det med 5 får du ungefär - låt mig snabbt räkna ut vad vi fick. 6 gånger 5 är 30. Och här är millimol. Från 10 till 20 mol. Detta är bara en enorm mängd kaliumjoner. Och för att skapa en negativ laddning behöver du väldigt lite av dem. Det vill säga, förändringarna som orsakas av jonernas rörelser kommer att vara obetydliga jämfört med 10 till 20:e potensen. Det är därför som förändringar i koncentrationen inte beaktas.

Typer av jonkanaler

Klassificering av jonkanaler utförs enligt olika parametrar och därför finns det ingen enda enhetlig klassificering för dem ännu.

Så det är möjligt att klassificera efter struktur (struktur) och kommer från samma typ av gener.

Baserat på denna princip särskiljs till exempel tre familjer av ligandaktiverade jonkanaler:

1. med purinreceptorer (ATP-aktiverade);
2. med nikotiniska ACh-receptorer, GABA-, glycin- och serotoninreceptorer;
3. med glutamatreceptorer.

Dessutom inkluderar samma familj jonkanaler med olika jonselektivitet, såväl som receptorer för olika ligander. Men proteinerna som bildar dessa kanaler är väldigt lika i struktur och ursprung.

Jonkanaler kan också klassificeras genom selektivitet beroende på jonerna som passerar genom dem: natrium, kalium, kalcium, klor, proton (väte).

Enligt den funktionella klassificeringen grupperas jonkanaler genom förvaltningsmetoder deras tillstånd i följande typer:

1. Ohanterad (oberoende).
2. Potentialstyrd (potentialkänslig, potentialberoende, spänningsstyrd).
3. Ligandstyrd (kemostyrd, kemokänslig, kemoberoende, ligandberoende, receptoraktiverad).
4. Indirekt kontrollerad (sekundärkontrollerad, jonaktiverad, jonberoende, budbärarkontrollerad, kontrollerad av metabotropa receptorer).
5. Samkontrollerad (NMDA-receptor-kanalkomplex). De öppnas samtidigt av både ligander och en viss elektrisk potential hos membranet. Vi kan säga att de har dubbla kontroller. Exempel: NMDA-receptorkanalkomplex, som har ett komplext kontrollsystem som inkluderar 8 receptorställen till vilka olika ligander kan binda.
6. Stimuluskontrollerad (mekanokänslig, mekanokänslig, sträckaktiverad av lipiddubbelskiktet, protonaktiverad, temperaturkänslig).
7. Aktinreglerade (aktinreglerade, aktinreglerade kanaler).
8. Connexons (dubbla porer).

De två vanligaste typerna av kanaler är ligandstyrda jonkanaler (särskilt belägna i det postsynaptiska membranet av neuromuskulära förbindelser) och spänningsstyrda jonkanaler. Ligandstyrda kanaler omvandlar kemiska signaler som kommer in i cellen till elektriska signaler; de är nödvändiga i synnerhet för att kemiska synapser ska fungera. Spänningsstyrda kanaler behövs för att sprida aktionspotentialer.

Drift av jonkanaler

Opåverkade (oberoende) jonkanaler

Dessa kanaler är vanligtvis i öppet tillstånd och tillåter konstant joner att passera genom dem på grund av diffusion längs deras koncentrationsgradient och/eller längs den elektriska laddningsgradienten på båda sidor av membranet. Vissa okontrollerade kanaler skiljer mellan ämnen och låter alla molekyler mindre än ett visst värde passera genom dem längs en koncentrationsgradient; de kallas "icke-selektiva kanaler" eller "porer". Det finns också "selektiva kanaler", som på grund av sin diameter och strukturen på den inre ytan endast transporterar vissa joner. Exempel: kaliumkanaler involverade i bildandet av vilamembranpotentialen, kloridkanaler, epiteliala natriumkanaler, erytrocytanjonkanaler.

Spänningsstyrda jonkanaler

Dessa kanaler är ansvariga för utbredningen av aktionspotentialer och öppnar och stänger som svar på förändringar i membranpotential. Till exempel natriumkanaler. Om membranpotentialen hålls vid vilopotentialen är natriumkanalerna stängda och det finns ingen natriumström. Om membranpotentialen skiftar i positiv riktning öppnas natriumkanaler och börjar komma in i cellen. Men efter att ha stängts skiljer de sig från det tillstånd de var i innan de öppnades; nu kan de inte öppnas som svar på membrandepolarisering, det vill säga de är inaktiverade. De kommer att förbli i detta tillstånd tills membranpotentialen återgår till sitt ursprungliga värde och en återhämtningsperiod på flera millisekunder har passerat.

Ligand-styrda jonkanaler

Dessa kanaler öppnas när en sändare binder till deras yttre receptorställen och ändrar deras konformation. När de öppnar sig släpper de in joner och förändrar därmed membranpotentialen. Ligand-styrda kanaler är nästan okänsliga för förändringar i membranpotential. De genererar en elektrisk potential, vars styrka beror på mängden sändare som kommer in i den synaptiska klyftan och tiden den förblir där.

Egenskaper för jonkanaler

Kanalerna kännetecknas av jonspecificitet. En typ av kanal tillåter endast kaliumjoner att passera igenom, en annan typ tillåter endast natriumjoner att passera, etc.

Selektivitet är den selektivt ökade permeabiliteten för en jonkanal för vissa joner och minskad för andra. Denna selektivitet bestäms av det selektiva filtret - den smalaste punkten i kanalporen. Filtret kan, förutom sina smala dimensioner, också ha en lokal elektrisk laddning.

Jonkanal i konst

Den 1,5 meter höga skulpturen Birth of an Idea, baserad på strukturen av kaliumkanalen KcsA, skapades för Nobelpristagaren Roderick MacKinnon. Verket innehåller en trådram som håller ett gult glasblåst föremål som representerar kanalstrukturens huvudhålighet.

Enligt moderna koncept utgör biologiska membran det yttre skalet av alla levande celler. En av de viktigaste strukturella egenskaperna är att membran alltid bildar slutna utrymmen. Detta faktum hjälper dem att utföra de viktigaste funktionerna:

Barriär (skapande av koncentrationsgradienter, som förhindrar fri diffusion av ämnen). Detta säkerställer skapandet av en vilopotential och genereringen av en handlingspotential.

Reglerande (finreglering av intracellulärt innehåll och intracellulära reaktioner på grund av mottagandet av biologiskt aktiva substanser, vilket leder till förändringar i aktiviteten hos membranenzymatiska system och lanseringen av mekanismer för sekundära budbärare (mellanhänder).

Omvandling av stimulansenergi till elektriska signaler (i receptorer).

Frisättning av neurotransmittorer i synoptiska ändelser.

Kemisk analys visade att membranen huvudsakligen består av lipider och proteiner, vars mängd varierar mellan olika celltyper. För närvarande är vätskemosaikmodellen av cellmembranet den mest kända.

Enligt denna modell representeras membranet av ett dubbelskikt av fosfolipidmolekyler. I detta fall är de hydrofoba ändarna av molekylerna belägna inuti dubbelskiktet, och de hydrofila ändarna riktas in i vattenfasen, vilket bidrar till bildandet av en separation mellan två faser: extra- och intracellulär. Globulära proteiner integreras i fosfolipiddubbelskiktet, vars polära områden bildar en hydrofil yta i vattenfasen. Dessa integrerade proteiner utför olika funktioner:

receptor,

enzymatiska,

bilda jonkanaler

är membranpumpar,

transportjoner och molekyler.

Allmän förståelse för jonkanalers struktur och funktion.

Jonkanaler är speciella formationer i cellmembranet, som är oligomera (bestående av flera subenheter) proteiner. Den centrala bildningen av kanalen är en proteinmolekyl som penetrerar membranet på ett sådant sätt att en kanalpor bildas i dess hydrofila centrum, genom vilken föreningar vars diameter inte överstiger porens diameter (vanligtvis joner) kan tränga in i Cellen.

Runt kanalens huvudsubenhet finns ett system med flera subenheter som bildar platser för interaktion med membranregulatoriska proteiner, olika mediatorer och farmakologiskt aktiva substanser.

Klassificering av jonkanaler enligt deras funktioner:

1) enligt antalet joner för vilka kanalen är permeabel, delas kanaler in i selektiva (permeabla för endast en typ av jon) och icke-selektiva (permeabla för flera typer av joner);

2) av jonernas natur som de passerar genom Na+-, Ca++-, Cl-, K+-kanalerna;

3) enligt regleringsmetoden är de uppdelade i spänningsberoende och spänningsoberoende. Spänningsstyrda kanaler svarar på förändringar i cellmembranpotentialen, och när potentialen når ett visst värde går kanalen in i ett aktivt tillstånd och börjar passera joner längs sin koncentrationsgradient. Sålunda är natrium- och snabbkalciumkanaler spänningsberoende, deras aktivering sker när membranpotentialen minskar till -50-60 mV, medan strömmen av Na + och Ca ++ joner in i cellen orsakar ett fall i vilopotentialen och generation av AP. Spänningsstyrda kaliumkanaler aktiveras under utvecklingen av AP och, som tillhandahåller ett flöde av K+-joner från cellen, orsakar membranrepolarisering.

Spänningsoberoende kanaler svarar inte på förändringar i membranpotential, utan på interaktionen mellan de receptorer som de är sammankopplade med och deras ligander. Således är Cl - kanaler associerade med g-aminosmörsyrareceptorer och när dessa receptorer interagerar med den, aktiveras de och ger ett flöde av klorjoner in i cellen, vilket orsakar dess hyperpolarisering och minskad excitabilitet.

3. Vilomembranpotential och dess ursprung.

Termen "membranpotential fred » Det är vanligt att kalla den transmembrana potentialskillnaden som finns mellan cytoplasman och den externa lösningen som omger cellen. När en cell (fiber) befinner sig i ett tillstånd av fysiologisk vila är dess inre laddning negativ i förhållande till den yttre, som konventionellt tas som noll. I olika vävnader kännetecknas membranpotentialen av olika värden: den största i muskelvävnad är -80-90 mV, i nervvävnad -70 mV, i bindväv -35-40 mV, i epitelvävnad -20 mV.

Bildandet av MPP beror på koncentrationen av K+, Na+, Ca 2+, Cl - joner och på cellmembranets strukturella egenskaper. I synnerhet har jonkanaler som finns i membranet följande egenskaper:

1. Selektivitet (selektiv permeabilitet)

2. Elektrisk excitabilitet.

I vila är natriumkanalerna alla stängda, medan de flesta kaliumkanalerna är öppna. Kanaler kan öppnas och stängas. I membranet finns läckagekanaler(icke-specifika), som är permeabla för alla grundämnen, men mer genomsläppliga för kalium. Kaliumkanaler är alltid öppna, och joner rör sig genom dessa kanaler längs en koncentration och elektrokemisk gradient.

Enligt membranjonteorin beror närvaron av MPP på:

kontinuerlig rörelse av joner genom membranets jonkanaler,

en ständigt existerande skillnad i katjonkoncentrationer på båda sidor av membranet,

kontinuerlig drift av natrium-kaliumpumpen.

olika permeabilitet av kanaler för dessa joner.

Det finns många K+-joner i cellen, men lite utanför, Na+ – tvärtom, mycket utanför cellen och lite i cellen. Det finns något fler Cl-joner utanför cellen än inuti. Det finns många organiska anjoner inuti cellen, som huvudsakligen ger en negativ laddning på membranets inre yta.

I vila är cellmembranet endast permeabelt för K+-joner. Kaliumjoner i vila släpps ständigt ut i miljön, där det finns en hög koncentration av Na +. Därför, i vila, är den yttre ytan av membranet positivt laddad. Högmolekylära organiska anjoner (proteiner) koncentreras på membranets inre yta och bestämmer dess negativa laddning. De håller elektrostatiskt kvar K+-joner på andra sidan av membranet. Huvudrollen i bildandet av MPP tillhör K-joner + .

Trots jonflödet genom läckagekanalerna utjämnas inte skillnaden i jonkoncentration, d.v.s. förblir alltid konstant. Detta händer inte eftersom Na + - K + - pumpar finns i membran. De pumpar kontinuerligt Na+ ut ur cellen och introducerar K+ i cytoplasman mot koncentrationsgradienten. För 3 Na+-joner som tas bort från cellen införs 2 K+-joner inuti. Överföringen av joner mot koncentrationsgradienten sker genom aktiv transport (med energiförbrukning). I frånvaro av ATP-energi dör cellen.

Närvaron av en vilopotential tillåter en cell att flytta från ett tillstånd av funktionell vila till ett tillstånd av excitation nästan omedelbart efter verkan av en stimulans.

När den exciteras, minskar värdet på den initiala vilopotentialen med membranuppladdning. När membranets inre laddning blir mindre negativ depolariseras membranet och en aktionspotential börjar utvecklas.

4. Handlingspotential och mekanism för dess ursprung.

Förhållandet mellan faserna av excitabilitet och faserna för aktionspotentialen.

Agerande potential kallas en snabb oscillation av membranpotential som uppstår när nerv-, muskel- och sekretoriska celler exciteras. Den är baserad på förändringar i membranets joniska permeabilitet. Amplituden och arten av förändringar i aktionspotentialen beror lite på styrkan hos stimulansen som orsakar den, det är bara viktigt att denna styrka inte är mindre än ett visst kritiskt värde, vilket kallas tröskeln för irritation.

Tröskel för irritation- detta är den minsta kraft vid vilken ett minsta svar inträffar. För att karakterisera tröskeln till irritation används begreppet reobas(reo – ström, bas – huvud).

Förutom tröskel sådana finns det undertröskelstimuli, som inte kan orsaka ett svar, men orsaka en förändring av ämnesomsättningen i cellen. Det finns också övertröskelstimuli.

Efter att ha uppstått sprider sig PD längs membranet, utan att ändra dess amplitud. Den särskiljer faser:

Avpolarisering:

a) långsam depolarisering;

b) snabb depolarisering.

Repolarisering:

a) snabb repolarisering;

b) långsam repolarisering (negativ spårpotential)

Hyperpolarisering (positiv spårpotential)

För olika ämnen och i synnerhet för mineraljoner är det extremt viktigt i cellens liv och speciellt i mekanismerna för perception, transformation, överföring av signaler från cell till cell och till intracellulära strukturer.

Den avgörande rollen i tillståndet för cellmembranpermeabiliteten spelas av deras jonkanaler, som bildas kanalbildande proteiner. Öppnande och stängning av dessa kanaler kan styras av storleken på potentialskillnaden mellan membranets yttre och inre ytor, en mängd olika signalmolekyler (hormoner, neurotransmittorer, vasoaktiva ämnen), sekundära budbärare för intracellulär signalöverföring och mineraler. joner.

Jonkanal- flera subenheter (integrerade membranproteiner som innehåller transmembransegment, som var och en har en α-spiralformad konfiguration) som säkerställer transporten av joner över membranet.

Ris. 1. Klassificering av jonkanaler

Modern förståelse av strukturen och funktionen hos jonkanaler har blivit möjlig tack vare utvecklingen av metoder för att registrera elektriska strömmar som flyter genom en isolerad del av membranet som innehåller enstaka jonkanaler, samt genom isolering och kloning av individuella gener som styr syntes av proteinmakromolekyler som kan bilda jonkanaler. Detta gjorde det möjligt att artificiellt modifiera strukturen hos sådana molekyler, integrera dem i cellmembran och studera rollen av enskilda peptidregioner för att utföra kanalfunktioner. Det visade sig att de kanalbildande proteinmolekylerna i alla jonkanaler har några gemensamma strukturella egenskaper och vanligtvis representeras av stora transmembrana proteiner med molekylmassa över 250 kDa.

De består av flera underenheter. Oftast det viktigaste kanalegenskaper deras a-underenhet. Denna subenhet deltar i bildandet av det jonselektiva hålet, sensormekanismen för transmembranpotentialskillnaden - kanalens grind, och har bindningsställen för exogena och endogena ligander. Andra underenheter som ingår i strukturen av jonkanaler spelar en hjälproll och modulerar kanalernas egenskaper (fig. 2).

Den kanalbildande proteinmolekylen representeras av extramembran-aminosyraslingor och intramembran-spiralformade domänregioner som bildar subenheterna av jonkanaler. Proteinmolekylen viker sig i membranets plan så att själva jonkanalen bildas mellan domänerna i kontakt med varandra (se fig. 2, längst ner till höger).

Den kanalbildande proteinmolekylen är belägen i det cytoplasmatiska membranet så att dess tredimensionella rumsliga struktur bildar kanalens mynningar som vetter mot membranets yttre och inre sidor, en por fylld med vatten och en "port". De senare bildas av en sektion av peptidkedjan som lätt kan ändra dess konformation och bestämma kanalens öppna eller stängda tillstånd. Selektiviteten och permeabiliteten för jonkanalen beror på storleken på poren och dess laddning. Permeabiliteten för en kanal för en given jon bestäms också av dess storlek, laddning och hydratiseringsskal.

Ris. 2. Struktur av Na+-jonkanalen i cellmembranet: a - tvådimensionell struktur av α-enheten av jonkanalen i cellmembranet; b - till vänster - en natriumkanal, bestående av en a-subenhet och två P-subenheter (sidovy); till höger är natriumkanalen från ovan. I nummer I. II. III. IV-markerade domäner av a-subenheten

Typer av jonkanaler

Mer än 100 typer av jonkanaler har beskrivits och olika metoder används för att klassificera dem. En av dem bygger på att ta hänsyn till skillnader i strukturen hos kanaler och fungerande mekanismer. I det här fallet kan jonkanaler delas in i flera typer:

• passiva jonkanaler eller vilokanaler;
• slitskontaktkanaler;
• kanaler, vars tillstånd (öppna eller stängda) styrs av påverkan på deras grindmekanism av mekaniska faktorer (mekanokänsliga kanaler), potentialskillnader på membranet (spänningsberoende kanaler) eller ligander som binder till det kanalbildande proteinet på den yttre eller inre sidan av membranet (ligand-styrda kanaler).

Passiva kanaler

Ett utmärkande drag för dessa kanaler är att de kan vara öppna (aktiva) i vilande celler, d.v.s. i avsaknad av inflytande. Detta förutbestämmer deras andra namn - passiva kanaler. De är inte strikt selektiva, och genom dem kan cellmembranet "läcka" flera joner, till exempel K+ och CI+ K+ och Na+. Därför kallas dessa kanaler ibland för läckkanaler. På grund av dessa egenskaper spelar vilokanaler en viktig roll i uppkomsten och upprätthållandet av den vilande membranpotentialen på en cells cytoplasmatiska membran, vars mekanismer och betydelse diskuteras nedan. Passiva kanaler finns i de cytoplasmatiska membranen av nervfibrer och deras ändar, tvärstrimmiga celler, glatta muskler, myokard och andra vävnader.

Mekanokänsliga kanaler

Permeabilitetstillståndet för dessa kanaler förändras under mekanisk påverkan på membranet, vilket orsakar störningar av den strukturella packningen av molekyler i membranet och dess sträckning. Dessa kanaler är allmänt representerade i mekanoreceptorer av blodkärl, inre organ, hud, tvärstrimmiga muskler och släta myocyter.

Spänningsberoende kanaler

Tillståndet för dessa kanaler styrs av krafterna i det elektriska fältet som skapas av storleken på potentialskillnaden över membranet. Spänningsstyrda kanaler kan vara i inaktiva (stängda), aktiva (öppna) och inaktiverade tillstånd, vilka styrs av positionen för aktiverings- och inaktiveringsgrindar, beroende på potentialskillnaden över membranet.

I en vilocell är en spänningsstyrd kanal vanligtvis i ett stängt tillstånd, varifrån den kan öppnas eller aktiveras. Sannolikheten för dess oberoende öppning är låg, och i vila är endast ett litet antal av dessa kanaler i membranet öppna. En minskning av den transmembrana potentialskillnaden (membrandepolarisering) orsakar aktivering av kanalen, vilket ökar sannolikheten för att den öppnas. Det antas att aktiveringsgrindens funktion utförs av en elektriskt laddad aminosyragrupp som stänger ingången till kanalens mynning. Dessa aminosyror är en sensor för potentialskillnaden på membranet; när en viss (kritisk) nivå av membrandepolarisering nås skiftar den laddade delen av sensormolekylen mot den kanalbildande molekylens lipidmikromiljö och porten öppnar ingången till kanalens mynning (Fig. 3).

Kanalen blir öppen (aktiv) för joner att röra sig genom den. Aktiveringsgrindens öppningshastighet kan vara låg eller mycket hög. Enligt denna indikator är spänningsstyrda jonkanaler uppdelade i snabba (till exempel snabba spänningsstyrda natriumkanaler) och långsamma (till exempel långsamma spänningsstyrda kalciumkanaler). Snabba kanaler öppnas omedelbart (μs) och förblir öppna i genomsnitt 1 ms. Deras aktivering åtföljs av en snabb lavinliknande ökning av kanalens permeabilitet för vissa joner.

En annan del av peptidkedjan, som är en aminosyrasekvens i form av en tät boll (kula) på en tråd, belägen vid utgången av kanalens andra mynning, har förmågan att ändra sin konformation. När tecknet på laddningen på membranet ändras, stänger bollen utgången från munnen, och kanalen blir ogenomtränglig (inaktiverad) för jonen. Inaktivering av spänningsstyrda jonkanaler kan åstadkommas genom andra mekanismer. Inaktivering åtföljs av att jonrörelsen upphör genom kanalen och kan ske lika snabbt som aktivering, eller långsamt - under en period av sekunder eller till och med minuter.

Ris. 3. Grindmekanism för spänningsstyrda natriumkanaler (överst) och kaliumkanaler (botten).

För att återställa de ursprungliga egenskaperna hos jonkanaler efter deras inaktivering är det nödvändigt att returnera den ursprungliga rumsliga konformationen av det kanalbildande proteinet och positionen för porten. Detta uppnås genom att återställa membranpotentialskillnaden (repolarisering) till en nivå som är karakteristisk för cellens vilotillstånd eller en tid efter inaktivering med stark effekt på membranet. Övergången från inaktiveringstillståndet till det ursprungliga (stängda) tillståndet kallas kanalreaktivering. När jonkanalen väl har aktiverats återgår den till ett tillstånd av beredskap för återöppning. Reaktivering av spänningsstyrda membrankanaler kan också vara snabb eller långsam.

Spänningsstyrda jonkanaler är vanligtvis mycket selektiva och spelar en avgörande roll vid uppkomsten av excitation (alstring av aktionspotentialer), överföring av information längs nervfibrer i form av elektriska signaler samt initiering och reglering av muskelkontraktion. Dessa kanaler är allmänt representerade i membranen hos afferenta och efferenta nervfibrer, i membranen hos tvärstrimmiga och släta myocyter.

Potentialberoende jonkanaler är inbyggda i membranet i nervändarna hos sensoriska nerver (dendriter) som innerverar dentala pulpan och munslemhinnan, där deras öppning säkerställer omvandlingen av receptorpotentialen till en nervimpuls och dess efterföljande överföring längs den afferenta nerven. fiber. Med hjälp av dessa impulser överförs information om alla typer av sensoriska förnimmelser som en person upplever i munhålan (smak, temperatur, mekaniskt tryck, smärta) till det centrala nervsystemet. Sådana kanaler säkerställer uppkomsten av nervimpulser på membranet av axonkullen av neuroner och deras överföring längs efferenta nervfibrer, omvandlingen av postsynaptiska potentialer till aktionspotentialer hos postsynaptiska effektorceller. Ett exempel på sådana processer är genereringen av nervimpulser i motorneuroner i trigeminusnerven, vilka sedan överförs längs dess efferenta fibrer till tuggmusklerna och ger initiering och reglering av tuggrörelser i underkäken.

När man studerade de subtila mekanismerna för funktionen av spänningsstyrda jonkanaler, avslöjades det att det finns ämnen som kan blockera funktionen av dessa kanaler. En av de första av dessa som beskrevs var ämnet tetrodotoxin, ett kraftfullt gift som produceras i kroppen på blåsfisk. Under dess inflytande observerades blockad av spänningsstyrda natriumkanaler i experimentet, och när det introducerades i djurkroppen noterades förlust av känslighet, muskelavslappning, orörlighet, andningsstopp och död. Sådana ämnen kallas jonkanalblockerare. Bland dem lidokain, novokain, prokain -ämnen, när de introduceras i kroppen i små doser, utvecklas blockad av spänningsberoende natriumkanaler av nervfibrer och överföringen av signaler från smärtreceptorer till centrala nervsystemet blockeras. Dessa substanser används i stor utsträckning i medicinsk praxis som lokalanestetika.

Jonernas rörelse genom jonkanaler är inte bara grunden för omfördelningen av laddningar på membran och bildandet av elektriska potentialer, utan kan också påverka förloppet av många intracellulära processer. Denna effekt på uttrycket av gener som kontrollerar syntesen av kanalbildande proteiner är inte begränsad endast till cellerna i exciterbara vävnader, utan förekommer i alla kroppens celler. En stor grupp av sjukdomar har identifierats, vars orsak är en kränkning av strukturen och funktionen hos jonkanaler. Sådana sjukdomar klassificeras som "kanalopatier". Uppenbarligen är kunskap om strukturen och funktionerna hos jonkanaler nödvändig för att förstå naturen av "kanalopatier" och söka efter deras specifika terapi.

Ligand-styrda jonkanaler

De bildas vanligtvis av proteinmakromolekyler som samtidigt kan fungera som jonkanaler och receptorfunktioner för vissa ligander. Eftersom samma makromolekyl samtidigt kan utföra dessa två funktioner har olika namn tilldelats dem - till exempel synaptisk receptor eller ligandstyrd kanal.

Till skillnad från en spänningsberoende jonkanal, som öppnas när konformationen av aktiveringsgrinden ändras under förhållanden med en minskning av transmembranpotentialskillnaden, öppnas (aktiveras) ligandberoende jonkanaler vid interaktion av peptidkedjan (receptor) i ett protein molekyl med en ligand, en substans för vilken receptorn har hög affinitet (Fig. 4).

Ris. 4. Ligandberoende jonkanal (nikotinkänslig acetylkolinreceptor - n-ChR): en inaktiv; 6 - aktiverad

Ligand-styrda jonkanaler är vanligtvis lokaliserade i de postsynaptiska membranen av nervceller och deras processer, såväl som muskelfibrer. Typiska exempel på ligandstyrda jonkanaler är postsynaptiska membrankanaler aktiverade av acetylkolin (se fig. 4), glutamat, aspartat, gamma-aminosmörsyra, glycin och andra synaptiska neurotransmittorer. Typiskt återspeglar namnet på kanalen (receptorn) vilken typ av signalsubstans som är dess ligand under naturliga förhållanden. Så om dessa är kanaler i den neuromuskulära synapsen där signalsubstansen acetylkolin används, används termen "acetylkolinreceptor", och om den också är känslig för nikotin, kallas den nikotinkänslig, eller helt enkelt n-acetylkolin receptor (n-kolinerg receptor).

Vanligtvis binder postsynaptiska receptorer (kanaler) selektivt till endast en typ av neurotransmittor. Beroende på typen och egenskaperna hos den interagerande receptorn och neurotransmittorn ändrar kanalerna selektivt sin permeabilitet för mineraljoner, men de är inte strikt selektiva kanaler. Till exempel kan ligandstyrda kanaler ändra permeabiliteten för Na+- och K+-katjoner eller till K+- och CI+-anjoner. Denna selektivitet för ligandbindning och förändringar i jonisk permeabilitet är genetiskt fixerad i makromolekylens rumsliga struktur.

Om interaktionen mellan mediatorn och receptordelen av makromolekylen som bildar jonkanalen direkt åtföljs av en förändring i kanalens permeabilitet, leder detta inom några millisekunder till en förändring i permeabiliteten hos det postsynaptiska membranet för mineraler. joner och värdet av den postsynaptiska potentialen. Sådana kanaler kallas snabba och är lokaliserade till exempel i det postsynaptiska membranet av axo-dendritiska excitatoriska synapser och axosomatiskt hämmande synapser.

Det finns långsamma ligandstyrda jonkanaler. Till skillnad från snabba kanaler förmedlas deras öppning inte av direkt interaktion av signalsubstansen med receptormakromolekylen, utan av en kedja av händelser inklusive aktivering av G-proteinet, dess interaktion med GTP, en ökning av nivån av sekundära budbärare i den intracellulära transmissionen av signalen från signalsubstansen, som genom att fosforylera jonkanalen leder till en förändring av dess permeabilitet för mineraljoner och en motsvarande förändring av värdet på den postsynaptiska potentialen. Hela den beskrivna händelsekedjan äger rum inom hundratals millisekunder. Vi kommer att möta sådana långsamma ligandberoende jonkanaler när vi studerar mekanismerna för reglering av hjärtat och glatta muskler.

En speciell typ är kanaler lokaliserade i membranen i det endoplasmatiska retikulumet hos glatta muskelceller. Deras ligand är den andra budbäraren för intracellulär signaltransduktion, inositoltri-fosfat-IFZ.

Jonkanaler beskrivs som kännetecknas av vissa strukturella och funktionella egenskaper inneboende i både spänningsstyrda och ligandstyrda jonkanaler. De är spänningsokänsliga jonkanaler, vars tillstånd för grindmekanismen styrs av cykliska nukleotider (cAMP och cGMP). I detta fall binder cykliska nukleotider till den intracellulära COOH-terminalen av den kanalbildande proteinmolekylen och aktiverar kanalen.

Dessa kanaler kännetecknas av mindre permeabilitetsselektivitet för katjoner och de senares förmåga att påverka varandras permeabilitet. Således blockerar Ca 2+-joner, som kommer in genom aktiverade kanaler från den extracellulära miljön, kanalernas permeabilitet för Na 2+-joner. Ett exempel på sådana kanaler är stavjonkanalerna i näthinnan, vars permeabilitet för Ca2+- och Na2+-joner bestäms av nivån av cGMP.

Ligandstyrda jonkanaler är allmänt representerade i membranstrukturer som tillhandahåller synaptisk överföring av signaler från ett antal sensoriska receptorer i det centrala nervsystemet; överföring av signaler vid synapser i nervsystemet; överföring av nervsystemets signaler till effektorceller.

Det har redan noterats att den direkta överföringen av kommandon från nervsystemet till många effektororgan utförs med hjälp av neurotransmittorer som aktiverar ligandstyrda jonkanaler i postsynaptiska membran. Men deras ligander (agonister eller antagonister) kan också vara ämnen av exogen natur, som i vissa fall används som medicinska ämnen.

Till exempel, efter införandet av ämnet diplasin i kroppen, som till sin struktur liknar signalsubstansen apetylkolin, kommer det att ske en förlängd öppning av ligandberoende jonkanaler vid neuromuskulära synapser, som slutar överföra nervimpulser från nervfibrer till muskler. . Avslappning av kroppens skelettmuskler sker, vilket kan vara nödvändigt vid komplexa kirurgiska operationer. Diplasin och andra ämnen som kan förändra tillståndet hos ligandstyrda jonkanaler och blockera signalöverföringen vid neuromuskulära synapser kallas muskelavslappnande medel.

Ris. 5. Spalt förbindelsekanaler mellan två tätt berörande celler

I medicinsk praxis används många andra medicinska substanser som påverkar tillståndet för ligandberoende jonkanaler i celler i olika vävnader.

Cellgap (snäva) förbindelsekanaler

Gap junction-kanaler bildas i kontaktområdet mellan två angränsande celler som är mycket nära varandra. I membranet i varje kontaktcell bildar sex proteinsubenheter, kallade connexiner, en hexagonal struktur, i vars centrum en por- eller jonkanal bildas - en connexon (fig. 5).

En spegelstruktur bildas vid kontaktpunkten i membranet av en intilliggande cell, och jonkanalen mellan dem blir vanlig. Genom sådana jonkanaler kan olika mineraljoner, inklusive Ca 2+-joner, såväl som organiska ämnen med låg molekylvikt, röra sig från cell till cell. Kanaler av gap junctions av celler säkerställer överföring av information mellan celler i myokardiet, glatta muskler, näthinnan och nervsystemet.

Natriumkanaler

Spänningsberoende, spänningsoberoende (ligandberoende, mekanokänsliga, passiva, etc.) natriumkanaler är brett representerade i kroppens celler.

Spänningsskyddade natriumkanaler

De består av en α-subenhet, som bildar kanalen, och två β-subenheter, som modulerar jonpermeabiliteten och inaktiveringskinetiken för natriumkanaler (Fig. 6).

Ris. 6. Tvådimensionell struktur för α-subenheten i den spänningsstyrda natriumkanalen. Beskrivning i texten

Som framgår av fig. 6 representeras a-subenheten av fyra domäner av samma typ, bestående av sex spiralformade transmembransegment förbundna med aminosyraslingor. Slingorna som förbinder det 5:e och 6:e segmentet omger kanalporen, och det 4:e segmentet innehåller positivt laddade aminosyror, som är sensorer för potentialskillnaden på membranet och styr positionen för grindmekanismen under skiftningar i transmembranpotentialen.

I spänningsstyrda natriumkanaler finns det två grindmekanismer, en av dem - aktivering (med deltagande av det fjärde segmentet) säkerställer öppningen (aktivering) av kanalen vid membrandepolarisering, och den andra (med deltagande av den intracellulära slingan) mellan den 3:e och 4:e domänen) - dess inaktivering vid membranuppladdning. Eftersom båda dessa mekanismer snabbt ändrar positionen för kanalporten, är spänningsstyrda natriumkanaler snabba jonkanaler och är avgörande för genereringen av aktionspotentialer i exciterbara vävnader och för deras ledning över nerv- och muskelfibrernas membran.

Dessa kanaler är lokaliserade i de cytoplasmatiska membranen av neuronernas axonberg, i dendriter och axoner, i membranet i den perisynaptiska regionen av den neuromuskulära synapsen, i sarkolemma av fibrer i tvärstrimmiga muskler och kontraktilt myokard. Fördelningstätheten för natriumkanaler i dessa strukturer är annorlunda. I myeliniserade nervfibrer är de huvudsakligen koncentrerade i området för noder i Ranvier, där deras densitet når cirka 10 000 kanaler per kvadratmikron av arean, och i omyeliniserade fibrer är kanalerna mer jämnt fördelade med en densitet på cirka 20 kanaler per kvadrat. mikron av ytan. Dessa kanaler är praktiskt taget frånvarande i strukturen av membranen i nervcellskroppen, i membranet av nervändar som direkt bildar sensoriska receptorer och i effektorcellernas postsynaptiska membran.

Bland de spänningsstyrda natriumkanalerna urskiljs redan mer än nio undertyper, som skiljer sig i egenskaperna hos α-subenheterna, har en specifik vävnadstillhörighet och skiljer sig i olika känslighet för verkan av blockerare. Till exempel finns en subtyp av kanal som bildas av ett kanalbildande protein, vars syntes kontrolleras av SCN4A-genen, i sarkolemma av helt differentierade och innerverade skelettmuskler och dess blockerare är tetrodotoxin, saxitoxin och c-conotoxiner. I de flesta fall är α-subenheterna känsliga för verkan av tetrodotoxin, som i mikromolära koncentrationer blockerar porerna och därigenom ingången till natriumkanaler.

Toxiner av natriumkanaler är kända för att bromsa inaktiveringshastigheten. Till exempel orsakar havsanemontoxin (ATX) och skorpion a-toxin (ScTX) en fördröjning av inaktiveringen genom att binda till aminosyrarester i S3-S4-slingan i segment 4.

Ämnen kallas bedövningsmedel (novokain, dicaine, lidokain, sovkain, prokain och så vidare.). Anestesi när de blockerar natriumkanaler uppnås genom att eliminera möjligheten att generera nervimpulser i afferenta nervfibrer och därigenom blockera överföringen av signaler från sensoriska smärtreceptorer till det centrala nervsystemet.

Man har upptäckt att förändringar i strukturen av natriumkanaler kan leda till utvecklingen av ett antal sjukdomar. Till exempel leder en förändring i strukturen av kanalen som kontrolleras av SCNlb-genen till utvecklingen av generaliserade former av epilepsi och anfall med ökad kroppstemperatur (feberkramper).

Många mikroorganismer bildar gifter i människokroppen – ämnen som blockerar jonkanaler i de drabbade cellerna, vilket kan åtföljas av en obalans i jonbalansen och celldöd. Andra mikroorganismer, tvärtom, använder sina toxiner (perforiner) för att bilda jonkanaler i cellmembranet. Särskilt giftet från mjältbrandsbacillen, som orsakar en särskilt farlig infektion hos människor, angriper cellen och bildar nya porer (kanaler) i dess membran genom vilka andra toxiner tränger in i cellen. Verkan av dessa toxiner orsakar döden av attackerade celler och hög dödlighet i denna sjukdom. Forskare har syntetiserat ett ämne β-cyklodextrin, som i rumslig struktur är nära formen på den resulterande kanalen. Detta ämne blockerar kanalerna som bildas av mikroorganismens toxin, förhindrar inträngning av toxiner i celler och räddar försöksdjur infekterade med mjältbrand från döden.

Spänningsoberoende natriumkanaler

Ligand-styrda natriumkanaler. Deras allmänna struktur och egenskaper diskuteras ovan i beskrivningen av ligandstyrda jonkanaler. Denna typ av natriumkanaler är allmänt representerade i kroppen av natriumkanaler från den nikotinkänsliga kolinerga receptorn i det postsynaptiska membranet i den neuromuskulära synapsen, interneuronsynapser i det centrala nervsystemet och det autonoma nervsystemet (preganglioniska och ganglioniska neuroner). Ligandstyrda natriumkanaler är lokaliserade i de postsynaptiska membranen av andra excitatoriska (glutamat- och aspartatergiska) synapser i det centrala nervsystemet. De spelar en avgörande roll i genereringen av excitatorisk postsynaptisk potential vid synapser och överföringen av signaler mellan neuroner och mellan neuroner och effektorceller.

Ligandstyrda natriumkanaler i det postsynaptiska membranet är inte strikt selektiva och kan vara permeabla samtidigt för flera joner: natrium och kalium, natrium och kalcium.

Spänningsoberoende natriumkanaler gated av andra budbärare. Tillståndet för dessa natriumkanaler kan kontrolleras av cGMP (fotoreceptorer), cAMP (olfaktoriska receptorer) och av G-proteinsubenheter (myokardium).

Mekanokänsliga natriumkanaler. Finns i mekanoreceptorerna i blodkärlens väggar, hjärtat, ihåliga inre organ, proprioceptorer i tvärstrimmiga muskler och membranet hos släta myocyter. Med deras deltagande i sensoriska receptorer omvandlas energin av mekanisk verkan till en oscillation av potentialskillnaden - receptorpotentialen.

Passiva natriumrep. Ingår i de cytoplasmatiska membranen hos exciterbara celler. Dessa kanalers permeabilitet för Na+-joner är liten, men genom dem diffunderar Na-joner längs en koncentrationsgradient från de extracellulära utrymmena in i cellerna och depolariserar membranet något. Natriumkanalerna i det cytoplasmatiska membranet hos släta myocyter är mer permeabla. De depolariserar det med en större mängd (vilopotential ca 50 mV) än membranet av myocyter i tvärstrimmiga muskler (vilopotential ca 90 mV). Sålunda är passiva natriumkanaler involverade i bildandet av den vilande membranpotentialen.

Natriumväxlare. Natrium-kalcium-bytaren, eller natrium-kalcium-bytaren, har tidigare beskrivits och spelar en viktig roll i avlägsnandet av kalciumjoner från kontraktila kardiomyocyter.

Natriumprotonbytare. Det är en speciell typ av kanalbildande protein som tar bort väteprotoner från intracellulära utrymmen i utbyte mot att natriumjoner tränger in i cellen. Avlägsnandet av protoner aktiveras när pH i cellen minskar.

Syntesen av proteiner som bildar natriumbyteskanaler styrs av fem gener, betecknade NAH1 -NAH5.

Kaliumkanaler

Det finns spänningsstyrda och spänningsokänsliga kaliumkanaler. Bland de senare särskiljs passiva, ligandberoende och andra typer av kaliumkanaler. Som regel finns kaliumkanaler i membranen i samma celler och vävnader som innehåller natriumkanaler. En av anledningarna till en sådan parallellitet i arrangemanget av dessa jonkanaler är att Na+- och K+-jonerna är de viktigaste katjonerna, vars karaktär av distribution och rörelse bestämmer uppkomsten och förändringen av elektriska potentialer som en av de viktigaste formerna informationssignalöverföring i kroppen.

Det finns en hel superfamilj av kaliumjonkanaler, som är indelade efter strukturella egenskaper, lokalisering och egenskaper hos kanalerna i separata familjer, typer och undertyper. Mer än tre dussin kaliumkanaler har beskrivits, och det är inte möjligt att ge deras detaljerade egenskaper. Som exempel kommer därför beskrivningar av de familjer och typer av jonkanaler som i första hand är relaterade till signalvägar och kontrollmekanismer för nerv- och muskelprocesser att ges.

Passiva kaliumkanaler

Det är känt att i vilotillstånd är membranen hos exciterbara celler relativt permeabla för K-joner och dåligt permeabla för Na+-joner. Eftersom bärarna av transmembrana elektriska strömmar är joner, kan man genom att mäta den elektriska strömmen som flyter genom cellmembranet bedöma jonkanalernas tillstånd. Det visade sig att den transmembrana elektriska strömmen, orsakad av diffusionen av K-joner längs koncentrationsgradienten från cellen, är cirka två pikoampere och har en pulserande karaktär, och den genomsnittliga varaktigheten av pulseringen är flera millisekunder. Från denna observation drogs slutsatsen att kaliumkanaler i en vilande cell spontant kan öppnas och stängas, vilket ger förutsättningar för diffusion av K-joner genom dem från cellen och bildandet av en vilande potential på membranet.

Spänningsstyrda kaliumkanaler

Förekomsten av spänningsstyrda kaliumkanaler i cellmembranen i exciterbara vävnader blev känd efter att det visade sig att deras aktiveringskinetik skiljer sig från den hos spänningsstyrda natriumkanaler och dessutom blockeras de selektivt av andra blockerare. Kaliumkanaler aktiveras på samma sätt som natriumkanaler, när cellmembranet depolariseras till en kritisk nivå, men samtidigt ökar hastigheten för utträde av K+-joner från cellen mycket långsammare än inträdeshastigheten för Na+ joner in i cellen.

Kaliumkanalens selektiva filter är placerat på insidan av pormunnen, i motsats till den externa placeringen av ett liknande filter i natriumkanaler (fig. 7). Förekomsten av selektivitet för dessa kanaler i förhållande till Na+- och K+-katjoner och olika specifika blockerare - tetrodotoxin (för natrium) och tetraetylammonium (för kalium) - indikerar den olika strukturen hos dessa kanaler.

Spänningsstyrda kaliumkanaler är tetramerer och består av fyra subenheter som bildar en por i mitten.

Spänningsstyrda kaliumkanaler är lokaliserade i membranen hos både exciterbara och icke-exciterbara celler. De spelar en viktig roll i återhämtningshastigheten (repolarisering) av membranpotentialen efter dess depolarisering och, sålunda, vid kontroll av formen och frekvensen av generering av aktionspotentialer. Långsamma kaliumkanaler blockeras av traetylammonium, 4-aminopyridin, fencyklidin och 9-aminoakridin.

Ris. 7. Kaliumkanal: a - vänster - tvådimensionell struktur av a-subenheten; till höger är ett diagram över kanalen; b — elektrondiffraktionsdiagram av kaliumkanaler i det cytoplasmatiska membranet.

Förutom långsamma kaliumkanaler har snabba spänningsstyrda kaliumkanaler beskrivits, vars öppningskinetik liknar den hos snabba spänningsstyrda natriumkanaler. Dessa kaliumkanaler öppnar sig snabbt vid depolarisering, inaktiveras sedan fullständigt, och deras reaktivering kräver inte bara repolarisering av membranet, utan hyperpolarisering under en tid.

I enlighet med namnen på gener som kodar för syntesen och sammansättningen av kanalbildande molekyler, särskiljs sex KCN-typer med subtyperna KCN A, B, C, E och en familj av KCNQ-jonkanaler. Kanaler från den senare familjen uttrycks i myokardiet.

Ligand-styrda kaliumkanaler

De representeras av ett stort antal kanaler som är känsliga för verkan av olika ligander.

En typ av många ligandstyrda kaliumkanaler är den muskarinkänsliga acetylkolinreceptorassocierade kanalen. Dessa kanaler aktiveras av acetylkolin. Kanalerna kan blockeras av bradykinin och bariumjoner. Det finns två undertyper av dessa kanaler: de som inaktiverats av muskarin och de som aktiveras av det. Det sistnämnda är lokaliserat i hjärtats pacemakerceller.

Egenskaperna hos en ligandberoende kaliumkanal innehas av icke-selektiva spänningsoberoende katjonkanaler som kombinerar egenskaperna hos kanaler och nikotinkänsliga acetylkolinreceptorer i det postsynaptiska membranet i den neuromuskulära synapsen. När det kanalbildande proteinet interagerar med acetylkolin öppnas denna icke-selektiva kanal, genom vilken Na+-joner kommer in i muskelcellen och K-joner lämnar den. De olika rörelsehastigheterna för dessa joner säkerställer förekomsten av depolarisering av det postsynaptiska membranet, vilket inte utvecklas till en aktionspotential direkt på detta membran.

ATP-känsliga kaliumkanaler, som hämmas och aktiveras av verkan av ATP, har identifierats.

En separat familj av kaliumkanaler består av de så kallade ingångslikriktande kaliumkanalerna (gates), eller ingångslikriktare (inåträttelse; inåtlikriktare). Det finns ingen spänningssensor i den likriktande kaliumkanal-grindmekanismen. Den funktionella betydelsen av dessa kanaler ligger i deras inverkan på excitabiliteten hos pacemakerceller, muskelceller och neuroner.

Familjen för att korrigera inkommande kaliumkanaler, enligt namnen på generna som kodar för dem, är uppdelad i mer än 15 typer. Ett exempel på den specifika betydelsen av att likrikta ingående kaliumkanaler och i synnerhet KCNJ-kanalerna 3, 5, 6 och 9 (en annan beteckning Kir-kanaler) kan vara deras specifika roll i regleringen av hjärtfrekvensen genom associeringen av dessa kanaler med G protein- och muskarinkänsliga acetylkolinreceptorer i celler - hjärtpacemakers.

Spänningsokänsliga natriumaktiverade kaliumkanaler är kända.

Särskilda spänningsokänsliga kaliumkanaler, känsliga för förändringar i pH, beskrivs, som finns i β-cellerna i pankreasöarna och fungerar som en glukossensor i dem. Kaliumkanaler är också kända för att vara känsliga för förändringar i cellvolym.

Kalciumkanaler

Kalciumkanalfamiljen är allmänt representerad i cellerna i nerv- och muskelvävnad. De huvudsakliga platserna för deras lokalisering är membranen i de presynaptiska terminalerna av det sarkoplasmatiska och endoplasmatiska retikulumet av muskler, sarkolemma av kardiomyocyter och membranen i celler i andra vävnader.

Baserat på metoderna för att kontrollera permeabiliteten delas kalciumkanaler in i spänningsberoende, passiva, ligandberoende, mekanokänsliga, etc.

Kalciumkanaler delas in i kanaler av T-typ enligt inaktiveringshastigheten ( övergående- transient), L-typ (långsam). Beroende på vävnadstillhörighet och känslighet för toxiner särskiljs kanaler av B-typ (hjärna- hjärna), N-typ (neuronal- neuronal), P-typ (purkinjecell- Purkinjecell) och R-typ (resistent mot toxiner).

Spänningsstyrda kalciumkanaler

De bildas av ett oligomert protein, vanligtvis bestående av fem subenheter a1, a2, β, y och δ. Själva jonkanalen bildas av α-subenheten, som har en hög grad av likhet i aminosyrasammansättning och struktur med en liknande underenhet av spänningsstyrda natrium- och kaliumkanaler (se Fig. 6, Fig. 7).

Den spänningsstyrda kalciumkanalen är selektivt permeabel för Ca 2+-joner. Selektivitet säkerställs genom närvaron av en por som bildar ett selektivt filter.

Det är dags bildas av segment av a 1-subenheten, därför, givet likheten i dess struktur med den hos monovalenta katjonkanaler, skulle man förvänta sig att kalciumkanalen skulle vara permeabel för Na+- och K+-joner. Denna egenskap uppstår faktiskt när kalcium avlägsnas från den extracellulära miljön.

Under naturliga förhållanden säkerställs selektivitet mot kalcium i kanalen genom närvaron av två kalciumbindningsställen i kanalporen. En av dem bildas av en grupp glutamatrester, och vid en låg kalciumkoncentration blir den starkt bunden till denna plats i kanalporen och kanalen för kalcium blir svagt permeabel. När kalciumkoncentrationen ökar, ökar sannolikheten för att kalcium upptar ett andra bindningsställe; de resulterande elektrostatiska repulsionskrafterna mellan Ca2+-joner reducerar avsevärt uppehållstiden för jonerna vid bindningsställena. Det frigjorda kalciumet diffunderar genom den aktiverade kanalen in i cellen längs en elektrokemisk gradient.

Spänningsstyrda kalciumkanaler skiljer sig åt i tröskelvärdena för potentiella skillnadsskiften vid vilka de aktiveras. Kanaler av T-typ aktiveras av små spänningsskiftningar på membranet, L- och P-typer kännetecknas av höga spänningsskifttrösklar som orsakar deras aktivering.

Spänningsstyrda kalciumkanaler spelar en viktig roll i ett antal vitala processer i kroppen. Deras aktivering och införandet av kalcium i den presynaptiska terminalen är nödvändiga för synaptisk signalöverföring.

Införandet av kalcium genom kalciumkanaler in i pacemakercellen är nödvändigt för att generera aktionspotentialer i pacemakercellerna i hjärtat och säkerställa dess rytmiska sammandragning. Spänningsberoende kalciumkanaler reglerar flödet av kalcium in i sarkoplasman av myokardfibrer, skelettmuskler, släta myocyter i blodkärl och inre organ, kontrollerar initieringen, hastigheten, styrkan, varaktigheten av deras sammandragning och därmed rörelsen, pumpfunktionen hos hjärta, blodtryck, andning och många andra processer i kroppen.

Passiva kalciumkanaler

Finns i de cytoplasmatiska membranen av släta myocyter. De är permeabla för kalcium i vila, och kalcium, tillsammans med K+- och Na+-joner, är involverade i skapandet av transmembranpotentialskillnaden eller vilopotentialen för släta myocyter. Kalcium som kommer in i den släta myocyten genom dessa kanaler är en källa för påfyllning av dess reserver i det endoplasmatiska retikulumet och används som en sekundär budbärare vid överföringen av intracellulära signaler.

Vilande kalcium kan röra sig från cell till cell genom gap junction-kanaler. Dessa kanaler är inte selektiva för kalcium, och intercellulärt utbyte av andra joner och organiska ämnen med låg molekylvikt kan samtidigt ske genom dem. Kalcium som kommer in i cellerna genom gap junction-kanaler spelar en viktig roll i uppkomsten av excitation, initiering och synkronisering av sammandragningar av myokardiet, livmodern, sfinktrar i inre organ och upprätthållande av vaskulär tonus.

Ligandstyrda kalciumkanaler

När man studerade mekanismerna för att trigga och reglera myokardiska och glatta muskelkontraktioner visade det sig att de är beroende av tillförseln av kalcium till myocyten både från den extracellulära miljön och från dess intracellulära förråd. I detta fall kan inträdet av kalcium i sarkoplasman kontrolleras av en förändring i potentialskillnaden på sarkolemma och aktiveringen av spänningsberoende kalciumkanaler och (eller) verkan av ett antal signalmolekyler på det sarkoplasmatiska retikulummembranet .

Ligandstyrda kalciumkanaler är lokaliserade i de cytoplasmatiska membranen hos släta myocyter. Liganderna för deras receptorer kan vara hormoner: vasopressin, oxytocin, adrenalin; neurotransmittor noradrenalin; signalmolekyler: angiotensin 2, endotel 1 och andra ämnen. Bindning av liganden till receptorn åtföljs av aktivering av kalciumkanalen och inträde av kalcium i cellen från den extracellulära miljön.

I kardiomyocyter, för att initiera muskelkontraktion, är det nödvändigt att initialt aktivera spänningsstyrda kalciumkanaler av T-typen, sedan L-typen, vars öppning säkerställer att en viss mängd Ca 2+-joner kommer in i cellen . Kalcium som kommer in i cellen aktiverar ryanodinreceptorn (RYR), ett kanalbildande protein inbäddat i membranet av kardiomyocytens sarkoplasmatiska retikulum. Som ett resultat av aktivering av kanalen ökar dess permeabilitet för kalcium och den senare diffunderar in i sarkoplasman längs koncentrationsgradienten. Ca 2+-joner fungerar alltså som ett slags ligander som aktiverar ryanodinreceptorer och därigenom kalciumkanaler. Som ett resultat fungerar extracellulärt kalcium som kommer in i cellen som en trigger för frisättning av kalcium från dess huvudsakliga intracellulära lagring.

Kalciumkanaler kan samtidigt vara känsliga för förändringar i potentialskillnader över det cytoplasmatiska membranet och för verkan av ligander. Till exempel är spänningsstyrda kalciumkanaler av L-typ känsliga för dihydropyridin (nifedipin), fenylalkylaminer (verapamil) och bensotiazepiner (diltiazem). Denna typ av kanal kallas ofta dihydropyridinreceptor. Detta namn antyder att L-kalciumkanalen är ligandstyrd, även om den i verkligheten är en spänningsstyrd kanal.

Kanaler av P-typ är resistenta mot verkan av konogoxiner och läkemedel för vilka andra typer av kalciumkanaler är känsliga.

De funktionella egenskaperna hos α1-subenheterna av spänningsstyrda kalciumkanaler kan moduleras genom deras fosforylering, och sålunda kan tillståndet för jonpermeabiliteten för kalciumkanaler, till exempel i myokardiet, regleras.

En speciell typ av ligandstyrda kalciumjonkanaler är kanaler lokaliserade i membranen i det endoplasmatiska retikulumet hos glatta muskelceller, vars permeabilitetstillstånd styrs av den intracellulära nivån av den sekundära budbäraren, IPG. Med dessa kanaler som exempel stöter vi på ett fall där en extracellulär signalmolekyl-agonist, som aktiverar receptorn i plasmamembranet i målmuskelcellen, sätter på inositolfosfatvägen för intracellulär signalöverföring, som i sin tur, genom verkan av IPE, aktiverar nästa kanalbildande protein i cellorganellens membran. Hela denna kedja av signalöverföringshändelser slutar med frisättningen av Ca 2+-joner från intracellulära förråd, som utlöser och kontrollerar den molekylära mekanismen för sammandragning av glatta muskelceller.

Mekanokänsliga kalciumkanaler

De är lokaliserade i plasmamembranet av släta myocyter i blodkärlens väggar, myoit i inre organ, vaskulärt endotel och bronkial epitel. Dessa kanaler kan vara associerade med glykoproteinmekanoreceptorer. Som svar på mekanisk stress (till exempel sträckning av kärlväggen genom blodtryck) ökar permeabiliteten för Ca 2+ -joner. Mekanokänsliga kanaler har inte hög selektivitet och ändrar sin permeabilitet samtidigt för ett antal katjoner. Inträde av kalcium och natrium i en glatt muskelcell orsakar depolarisering av dess membran, öppning av spänningsstyrda kalciumkanaler, en ökning av kalciuminträde och sammandragning av den glatta myocyten.

Dessa händelser utgör en del av mekanismen för anpassning av vaskulär tonus och reglering av blodflödet till ändrade värden på blodtrycket i kärlet och blodflödeshastigheten (myogen reglering). Dessutom är mekanokänsliga kalciumkanaler involverade i implementeringen av vaskulära stressavslappningsmekanismer under långvariga ökningar av blodtrycket.

Klorkanaler

Kloridkanaler finns i plasmamembranen hos de flesta celler. De spelar en viktig roll för att upprätthålla den transmembrana potentialskillnaden i en vilande cell och deras skiftningar när den funktionella aktiviteten hos celler förändras. Kloridkanaler är involverade i regleringen av cellvolym, transepiteltransport av substanser och vätskeutsöndring av sekretoriska celler.

I enlighet med aktiveringsmekanismerna särskiljs tre superfamiljer av klorkanaler: spänningsstyrda, ligandstyrda och andra spänningsokänsliga klorkanaler.

Potentiellt beroende kloridkanaler. Lokaliserad i membranen hos exciterbara celler och epitelceller. Permeabilitetstillståndet för dessa kanaler styrs av storleken på transmembranpotentialskillnaden.

Potentiellt beroende permeabilitet för kloridkanaler varierar i olika vävnader. I det axonala membranet är beroendet av permeabiliteten av kloridkanaler på potentialskillnaden obetydligt och påverkar inte signifikant förändringen i storleken på aktionspotentialen under excitation, och i skelettmuskler detta beroende av permeabiliteten av kloridkanaler är högre.

CLC1-kanalen är en typisk representant för kloridkanalerna i den sarkolemmala muskelfibern i skelettmuskulaturen. Kanalen uppvisar permeabilitet över hela området av förändringar i transmembranspänning i vila, aktiveras vid depolarisering och inaktiveras vid membranhyperpolarisering.

Ligand-styrda kloridkanaler. Främst uttryckt i nervvävnad. Permeabilitetstillståndet för dessa kloridkanaler styrs primärt av extracellulära ligander, men de kan vara känsliga för intracellulära kalciumkoncentrationer och aktiveras av G-proteiner och cAMP. Kanaler av denna typ är brett distribuerade i postsynaptiska membran och används för att utföra postsynaptisk hämning. Tillståndet för kanalpermeabilitet kontrolleras genom att aktivera kanalerna med ligander - hämmande neurotransmittorer (γ-aminosmörsyra och glycin).

Spänningsokänsliga klorkanaler. Inkluderar passiva kloridkanaler, ATP-känsliga kanaler och interstitiell fibros transmembrankonduktansregulator (cystiskfibrostransmembranledningsförmågaregulator- CFTR).

CFTR består tydligen av själva klorkanalen och en regulatorisk kanal representerad av en speciell regulatorisk domän (P-domän). Regleringen av jonkonduktansen för dessa kanaler utförs genom fosforylering av den regulatoriska domänen av cAMP-beroende proteinkinas. Brott mot strukturen och funktionen hos denna kanal leder till utvecklingen av en allvarlig sjukdom åtföljd av dysfunktion av många vävnader - interstitiell fibros.

Akvaporiner

Akvaporiner(från lat. aqua- vatten, grekiska porus- kanal, por) - proteiner som bildar vattenkanaler och säkerställer transmembran vattenöverföring. Akvaporiner är integrerade, tetramera membranproteiner, vars monomer har en massa på cirka 30 kDa. Varje aquaporin bildar alltså fyra vattenkanaler (fig. 8).

En speciell egenskap hos dessa kanaler är att vattenmolekyler i dem kan röra sig under isosmotiska förhållanden, d.v.s. när de inte påverkas av krafterna från den osmotiska gradienten. Förkortningen AQP används för att referera till aquaporiner. Ett antal typer av akvaporiner har isolerats och beskrivits: AQP1 - i epitelmembranen i de proximala njurtubuli, den nedåtgående delen av Henles ögla; i membranen i endotelet och släta myocyter av blodkärl, i strukturerna i glaskroppen; AQP2 - i membranen i epitelet i samlingskanalerna. Detta aquaporin visade sig vara känsligt för verkan av antidiuretiskt hormon, och på grundval av detta kan det betraktas som en ligandstyrd vattenkanal. Uttrycket av genen som styr syntesen av detta aquaporin regleras av antidiuretiskt hormon; AQP3 finns i membranen hos hornhinneceller; AQP4 - i hjärnceller.

Ris. 8. Struktur av AQP1-vattenkanalen: a - peptidkedjor som bildar kanalen; b — sammansatt kanal: A, B, C, D, E — sektioner av proteinkedjan

Det visade sig att AQP1 och AQP4 spelar en viktig roll i bildandet och cirkulationen av cerebrospinalvätska. Akvaporiner finns i epitelet i mag-tarmkanalen: AQP4 - i magen och tunntarmen; AQP5 - i spottkörtlarna; AQP6 - i tunntarmen och bukspottkörteln; AQP7 - i tunntarmen; AQP8, AQP9 - i levern. Vissa akvaporiner transporterar inte bara vattenmolekyler utan också organiska ämnen som är lösliga i det (syre, glycerol, urea). Således spelar aquaporiner en viktig roll i vattenmetabolismen i kroppen, och störningar av deras funktion kan vara en av orsakerna till bildandet av hjärn- och lungödem och utvecklingen av njur- och hjärtsvikt.

Kunskap om mekanismerna för jontransport genom membran och metoder för att påverka denna transport är ett oumbärligt villkor inte bara för att förstå mekanismerna för reglering av vitala funktioner, utan också för det korrekta valet av läkemedel vid behandling av ett stort antal sjukdomar (hypertoni) , bronkialastma, hjärtarytmier, vatten-saltrubbningar utbyte, etc.).

För att förstå mekanismerna för reglering av fysiologiska processer i kroppen är det nödvändigt att känna till inte bara strukturen och permeabiliteten hos cellmembran för olika ämnen, utan också strukturen och permeabiliteten hos mer komplexa strukturella formationer som ligger mellan blodet och vävnaderna i olika organ.

Alla kanaler som finns i levande vävnader, och nu känner vi till flera hundra typer av kanaler, kan delas in i två huvudtyper. Den första typen är vila kanaler, som spontant öppnar och stänger utan någon yttre påverkan. De är viktiga för att generera vilomembranpotentialen. Den andra typen är den så kallade gate kanaler, eller portalkanaler(från ordet "gate") . I vila är dessa kanaler stängda och kan öppnas under påverkan av vissa stimuli. Vissa typer av sådana kanaler är involverade i genereringen av aktionspotentialer.

De flesta jonkanaler är karakteriserade selektivitet(selektivitet), det vill säga endast vissa joner passerar genom en viss typ av kanal. Baserat på denna funktion särskiljs natrium-, kalium-, kalcium- och kloridkanaler. Kanalernas selektivitet bestäms av storleken på poren, storleken på jonen och dess hydratiseringsskal, laddningen av jonen, såväl som laddningen av kanalens inre yta. Men det finns också icke-selektiva kanaler som kan passera två typer av joner samtidigt: till exempel kalium och natrium. Det finns kanaler genom vilka alla joner och även större molekyler kan passera.

Det finns en klassificering av jonkanaler enligt aktiveringsmetod(Fig. 9). Vissa kanaler reagerar specifikt på fysiska förändringar i neuronens cellmembran. De mest framstående företrädarna för denna grupp är spänningsaktiverade kanaler. Exempel inkluderar spänningskänsliga natrium-, kalium- och kalciumjonkanaler på membranet, som är ansvariga för bildandet av aktionspotentialen. Dessa kanaler öppnas vid en viss membranpotential. Således öppnar natrium- och kaliumkanaler vid en potential på cirka -60 mV (membranets inre yta är negativt laddad jämfört med den yttre ytan). Kalciumkanaler öppnas vid en potential på -30 mV. Gruppen av kanaler som aktiveras av fysiska förändringar inkluderar

Bild 9. Metoder för aktivering av jonkanaler

(A) Jonkanaler aktiverade av förändringar i membranpotential eller membransträckning. (B) Jonkanaler aktiverade av kemiska medel (ligander) från den extracellulära eller intracellulära sidan.

Också mekanokänsliga kanaler som svarar på mekanisk stress (sträckning eller deformation av cellmembranet). En annan grupp jonkanaler öppnas när kemikalier aktiverar speciella receptorbindningsställen på kanalmolekylen. Sådan ligandaktiverade kanaler delas in i två undergrupper, beroende på om deras receptorcentra är intracellulära eller extracellulära. Ligandaktiverade kanaler som svarar på extracellulära stimuli kallas också jonotropa receptorer. Sådana kanaler är känsliga för sändare och är direkt involverade i överföringen av information i synaptiska strukturer. Ligandaktiverade kanaler, aktiverade från den cytoplasmatiska sidan, inkluderar kanaler som är känsliga för förändringar i koncentrationen av specifika joner. Till exempel aktiveras kalciumaktiverade kaliumkanaler genom lokala ökningar av intracellulär kalciumkoncentration. Sådana kanaler spelar en viktig roll för att repolarisera cellmembranet under avslutningen av en aktionspotential. Förutom kalciumjoner är typiska representanter för intracellulära ligander cykliska nukleotider. Cyklisk GMP, till exempel, är ansvarig för aktiveringen av natriumkanaler i näthinnans stavar. Denna typ av kanal spelar en grundläggande roll i driften av den visuella analysatorn. En separat typ av modulering av kanaldrift genom att binda en intracellulär ligand är fosforylering/defosforylering av vissa delar av dess proteinmolekyl under verkan av intracellulära enzymer - proteinkinaser och proteinfosfataser.

Den presenterade klassificeringen av kanaler efter aktiveringsmetod är till stor del godtycklig. Vissa jonkanaler kan bara aktiveras av ett fåtal stimuli. Till exempel är kalciumaktiverade kaliumkanaler också känsliga för förändringar i potential, och vissa spänningsaktiverade jonkanaler är känsliga för intracellulära ligander.

Jonkanaler är speciella formationer i cellmembranet, som är oligomera (bestående av flera subenheter) proteiner. Den centrala bildningen av kanalen är en proteinmolekyl som penetrerar membranet på ett sådant sätt att en kanalpor bildas i dess hydrofila centrum, genom vilken föreningar vars diameter inte överstiger porens diameter (vanligtvis joner) kan tränga in i Cellen.

Runt kanalens huvudsubenhet finns ett system med flera subenheter som bildar platser för interaktion med membranregulatoriska proteiner, olika mediatorer och farmakologiskt aktiva substanser.

Klassificering av jonkanaler enligt deras funktioner:

1) enligt antalet joner för vilka kanalen är permeabel, delas kanaler in i selektiva (permeabla för endast en typ av jon) och icke-selektiva (permeabla för flera typer av joner);

2) av jonernas natur som de passerar genom Na+-, Ca++-, Cl-, K+-kanalerna;

3) enligt regleringsmetoden är de uppdelade i spänningsberoende och spänningsoberoende. Spänningsstyrda kanaler svarar på förändringar i cellmembranpotentialen, och när potentialen når ett visst värde går kanalen in i ett aktivt tillstånd och börjar passera joner längs sin koncentrationsgradient. Sålunda är natrium- och snabbkalciumkanaler spänningsberoende, deras aktivering sker när membranpotentialen minskar till -50-60 mV, medan strömmen av Na + och Ca ++ joner in i cellen orsakar ett fall i vilopotentialen och generation av AP. Spänningsstyrda kaliumkanaler aktiveras under utvecklingen av AP och, som tillhandahåller ett flöde av K+-joner från cellen, orsakar membranrepolarisering.

Spänningsoberoende kanaler svarar inte på förändringar i membranpotential, utan på interaktionen mellan de receptorer som de är sammankopplade med och deras ligander. Således är Cl - kanaler associerade med g-aminosmörsyrareceptorer och när dessa receptorer interagerar med den, aktiveras de och ger ett flöde av klorjoner in i cellen, vilket orsakar dess hyperpolarisering och minskad excitabilitet.

3. Vilomembranpotential och dess ursprung.

Termen "membranpotential fred » Det är vanligt att kalla den transmembrana potentialskillnaden som finns mellan cytoplasman och den externa lösningen som omger cellen. När en cell (fiber) befinner sig i ett tillstånd av fysiologisk vila är dess inre laddning negativ i förhållande till den yttre, som konventionellt tas som noll. I olika vävnader kännetecknas membranpotentialen av olika värden: den största i muskelvävnad är -80-90 mV, i nervvävnad -70 mV, i bindväv -35-40 mV, i epitelvävnad -20 mV.

Bildandet av MPP beror på koncentrationen av K+, Na+, Ca 2+, Cl - joner och på cellmembranets strukturella egenskaper. I synnerhet har jonkanaler som finns i membranet följande egenskaper:

1. Selektivitet (selektiv permeabilitet)

2. Elektrisk excitabilitet.

I vila är natriumkanalerna alla stängda, medan de flesta kaliumkanalerna är öppna. Kanaler kan öppnas och stängas. I membranet finns läckagekanaler(icke-specifika), som är permeabla för alla grundämnen, men mer genomsläppliga för kalium. Kaliumkanaler är alltid öppna, och joner rör sig genom dessa kanaler längs en koncentration och elektrokemisk gradient.

Enligt membranjonteorin beror närvaron av MPP på:

Ø kontinuerlig rörelse av joner genom membranets jonkanaler,

Ø en ständigt existerande skillnad i katjonkoncentrationer på båda sidor av membranet,

Ø kontinuerlig drift av natrium-kaliumpumpen.

Ø olika permeabilitet av kanaler för dessa joner.

Det finns många K+-joner i cellen, men lite utanför, Na+ – tvärtom, mycket utanför cellen och lite i cellen. Det finns något fler Cl-joner utanför cellen än inuti. Det finns många organiska anjoner inuti cellen, som huvudsakligen ger en negativ laddning på membranets inre yta.

I vila är cellmembranet endast permeabelt för K+-joner. Kaliumjoner i vila släpps ständigt ut i miljön, där det finns en hög koncentration av Na +. Därför, i vila, är den yttre ytan av membranet positivt laddad. Högmolekylära organiska anjoner (proteiner) koncentreras på membranets inre yta och bestämmer dess negativa laddning. De håller elektrostatiskt kvar K+-joner på andra sidan av membranet. Huvudrollen i bildandet av MPP tillhör K+-joner.

Trots jonflödet genom läckagekanalerna utjämnas inte skillnaden i jonkoncentration, d.v.s. förblir alltid konstant. Detta händer inte eftersom Na + - K + - pumpar finns i membran. De pumpar kontinuerligt Na+ ut ur cellen och introducerar K+ i cytoplasman mot koncentrationsgradienten. För 3 Na+-joner som tas bort från cellen införs 2 K+-joner inuti. Överföringen av joner mot koncentrationsgradienten sker genom aktiv transport (med energiförbrukning). I frånvaro av ATP-energi dör cellen.

Närvaron av en vilopotential tillåter en cell att flytta från ett tillstånd av funktionell vila till ett tillstånd av excitation nästan omedelbart efter verkan av en stimulans.

När den exciteras, minskar värdet på den initiala vilopotentialen med membranuppladdning. När membranets inre laddning blir mindre negativ depolariseras membranet och en aktionspotential börjar utvecklas.

4. Handlingspotential och mekanism för dess ursprung.

Förhållandet mellan faserna av excitabilitet och faserna för aktionspotentialen.

Agerande potential kallas en snabb oscillation av membranpotential som uppstår när nerv-, muskel- och sekretoriska celler exciteras. Den är baserad på förändringar i membranets joniska permeabilitet. Amplituden och arten av förändringar i aktionspotentialen beror lite på styrkan hos stimulansen som orsakar den, det är bara viktigt att denna styrka inte är mindre än ett visst kritiskt värde, vilket kallas tröskeln för irritation.

Tröskel för irritation- detta är den minsta kraft vid vilken ett minsta svar inträffar. För att karakterisera tröskeln till irritation används begreppet reobas(reo – ström, bas – huvud).

Förutom tröskel sådana finns det undertröskelstimuli, som inte kan orsaka ett svar, men orsaka en förändring av ämnesomsättningen i cellen. Det finns också övertröskelstimuli.

Efter att ha uppstått sprider sig PD längs membranet, utan att ändra dess amplitud. Den särskiljer faser:

1) Depolarisering:

a) långsam depolarisering;

b) snabb depolarisering.

2) Repolarisering:

a) snabb repolarisering;

b) långsam repolarisering (negativ spårpotential)

3) Hyperpolarisering (positiv spårpotential)