Файл: Мембранология и электрогенез.pdf

Мифы о генезе и роли потенциала действия
Миф первый.
Существует устойчивая точка зрения, что потенциал действия, бу- дучи неким электрохимическим феноменом, является лишь внешним проявлением возбуждения клетки. Это тяжелое заблуждение, поскольку генерация потенциала дей- ствия является не внешним проявлением, а самой сутью феномена возбуждения клет- ки. Электрический импульс, проходящий от клетки к клетке (например, в нервной си- стеме) является информационным сигналом. Он обеспечивает передачу сигнала, кото- рый открывает ворота для выброса медиатора, и, в сущности, является командным си- гналом, с помощью которого осуществляется координированная работа организма.
Миф второй
. Биологические системы не обладают тем постоянством и точностью функций, которые характерны для физических процессов, что проявляется в разных аспектах:
во-первых, в отношении электрических свойств мембраны, которые представляют- ся функционально аморфными и по величине непостоянными. Вместе с тем, удалось
А.Ходжкину
и
Э.Хаксли
математически описать проводимость мембраны к ионам
Na
+
и K
+
во время генерации потенциала действия как функцию потенциала и вре- мени с помощью серии дифференциальных уравнений и, таким образом, смодели- ровать натриевые и калиевые токи, текущие через мембрану. Были математически предсказаны и важнейшие свойства ионных каналов мембраны, которые экспери- ментально оказались близки к расчетным;
во-вторых, классическое представление об электрических явлениях и электричес- ком токе, как потоке электронов, не укладывается в понятие генеза биопотенциалов.
1
60

В живых системах электрический ток обеспечивают не электроны, как в металличе- ских проводниках, а заряженные ионы: катионы (Na
+
, K
+
, Ca
2+
) и анионы (
Cl
- и внутриклеточные анионы). Как оказалось, в живых клетках основную «электриче- скую работу» выполняют катионы, так как они более подвижны. Итак, важно осо- знать, что все электрические токи, которые идут через мембрану, являются ионными потоками. Привычного нам из физики тока в виде потока электронов в клетках, как в водных системах, просто нет. Ссылки на потоки электронов является ошибкой.
Миф третий.
Согласно стандартной точке зрения, мембрана выполняет в клет- ке, главным образом, барьерные функции. На ее структурах, как на поле боя, разыг- рываются электрогенные процессы, но они обеспечиваются и контролируются вну- тренними органеллами клетки, то есть мембрана не может самостоятельно выпол- нять электрогенные функции. Однако достаточно вспомнить ряд исследований, про- веденных на аксоне кальмара. Один из таких экспериментов, задуманный биофизи- ками
П.Бейкером
и
Т.Шоу
и проведенный ими вместе с
А.Ходжкином
в 1961 году, наилучшим образом иллюстрирует роль мембраны в электрогенезе. Исследователи выдавили из аксона кальмара аксоплазму. После этого через канюлю в нервное во- локно вводили различные растворы и морскую воду и проверяли, как концентрация ионов сказывается на передаче нервного импульса. Оказалось, что при замене аксо- плазмы раствором солей калия, мембрана аксона сохраняет способность генериро- вать обычные серии потенциалов действия в течение 3--4 часов!
1
61

ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ
МЕМБРАНУ

Мембранный транспорт
Транспорт веществ через мембрану осуществляется посредст- вом
ионных каналов
*.
Упрощенно по способу активации ионные каналы подразделяют на два вида –
хе-
мозависимые
и
потенциал-зависимы
е. Впрочем разновидностей каналов намного больше: поскольку намного больше вариантов влияния на них, и взаимодействия веществ, проходящих через каналы. Мы еще вернемся к классификации каналов.
*Ионные каналы – это образующие поры белки, которые относятся к транспортным белкам. Каналы пред- ставляют собой набор идентичных или гомологичных протеинов, плотно упакованных в липидном бислое мем- браны. Через ионные каналы проходят ионы Na+, K+, Cl- и Ca2+.
Примеры хемо(лиганд)-зависимого и потенциал-зависимого каналов мембраны клетки.
Схематично показаны способы открытия и закрытия каналов, согласно ионным градиентам.
1
62

Состояние
первой группы каналов –
потенциал-зависимых
обусловлено величиной мембран- ного потенциала
. Большинство из них активируется при деполя-ри- зации, однако некоторые активи- руются при гиперполяризации.
Как правило,
потенциал-зави-
симые каналы пропускают какой- либо один ион (Na
+
, K
+
или Ca
2+
).
С
остояние
второй группы каналов –
хемозависимых
транс- портных каналов зависит от связывания нейромедиаторов или
Схематичное изображение потенциал-
зависимого
Na
+
канала.
Обозначенный участок – это селективный фильтр
.
других веществ с мембранными рецепторами.
Одни хемозависимые
каналы входят в состав молекул
ионотропных
мемб- ранных рецепторов, и они активируются
непосредственно
при связывании ре- цепторов с нейромедиаторами.
4
мембрана
1
63

Другие хемозависимые
кана- лы активируются
опосредова-
но.
При стимуляции они активи- руют какой-либо фермент, кото- рый инициирует –
каскад мета-
болических
процессов, которые развиваются в цитозоле клетки.
Описанный процесс, который начинается с какого-либо лиган- да (гормон, медиатор), включает затем мембранный
метаботро-
пный
рецептор, от которого че- рез посредник запускаются вну- триклеточные процессы.
Редкое исключение составля- ют
неселективные каналы
из семейства цАМФ-зависимых ка- тионных каналов. Состояние некоторых ионных каналов за
Белковая структура хемозависимого ионного канала. Обозначен фильтр. М –мембрана
Н – наружная и В – внутреняя среда.
Н
М
В висит от их связывания с различными внутри- клеточными лигандами
– АТФ, Са
2+
, цАМФ и G-белками.
1
64

Транспорт воды
Почти из 50 видов каналов, обнаруженных в мембране к середине 1980-х годов, не было известно ни одного проводящего воду
Между тем клеточная мембрана, лишь ограниченно проницаемая для молекул воды, пропускает ее в цитоплазму эритроци- тов, почечных проксимальных канальцев и других тканей с высокой скоростью.
Этот феномен можно было бы объяснить наличием специальных пор. Их многие иска- ли, но безуспешно. Лауреату Нобелевской премии
Питеру Эгру
посчастливилось перво- му в 1988 году, когда вместе с коллегами он выделил (из эритроцитов и почечных прокси- симальных канальцев) и охарактеризовал не- уловимый, встроенный в мембрану белок не- известной функции. Как позже выяснилось, четыре его молекулы и образуют канал, по ко- которому проникает вода. Белок-канал, назва- нный
аквапорином-1
(AQP1), как теперь из-
Канал, проводящий воду, построен из четырех вестно, входит в состав обширного семейства молекул аквапорина-1, которые образуют два пов подобные ему белки участвуют во множе- тора из трех α-спиральных участков. Именно эти стве физиологических процессов всех живых шесть спиралей и выстилают стенки проводящей клеток – и растительных, и животных. поры и обусловливают ее гидрофобность.
1
65

Открытые
П.Эгром
аквапорины
– биохимический фундамент для очень важной области физиологии и медицины. Подобные белки, способные проводить 3·10 9
мо- лекул воды в с в расчете на каждый мономер, есть во всех без исключения живых клетках. Физиологическая роль
аквапорино
в особенно бросается в глаза в почках, через которые в сутки проходит от 150 до 200 л воды.
Таблица 1.3
Типы и локализация аквапоринов в почках млекопитающих
Аквапорин 1 Почки (апикально) Реабсорбция воды
PCT
PST tDLH
Аквапорин 2 Почки (апикально) Реабсорбция воды в
ICT ответ на вазопрессин
CCT
OMCD
IMCD
Аквапорин 3 Почки (базолатерально) Реабсорбция воды
Medullary collecting
Duct
Аквапорин 4 Почки (базолатерально) Реабсорбция воды
Medullary collecting
Duct
Аквапорины содержатся в мембранах множества клеток человека, а также бактерий и других организмов. У млекопитающих описано 13 типов аквапоринов, из них 6 обнаруживаются в поч- ках. Возможно, что некоторые аквапорины еще не описаны.
типы локализация функции
1
66

Канал, проводящий воду, построен из четырех молекул аквапорина-1, которые образуют два повтора из трех α-спиральных участков. Именно эти шесть спиралей и выстилают стенки про- водящей поры. Небольшие петли –
цитоплаз-
матическая
и
внеклеточная
– соединяющие повторы, обеспечивают строгую избирательн- ость. N- и С-концевые фрагменты мономера зак- креплены во внутреннем слое мембраны и вы- ходят в цитоплазму. В тетрамере каждая су- бъединица точно подогнана к двум соседним и связана с ними a-спиралями, которые выходят за пределы мембраны либо с внешней, либо с внутренней стороны. Функциональные петли и расположены посередине между мембранными слоями, и в этом месте канал суживается. Диа- метр поры здесь составляет около 3 Å, то есть чуть больше диаметра молекулы воды (2.8 Å).
Ясно, что через столь малую щель не могут про- никнуть крупные молекулы каких-либо раство- римых веществ.
Транспорт воды через аквапириновую пору и меха-
низм, предотвращающий проведение протонов через водную пору. Благодаря диполям спиралей атомы кислорода в молекулах воды, оказавшихся в сужении поры, ори- ентируются к боковым группам аспарагинов 76 и 192. После этого между их амидными группами и кислородом образу- ются водородные связи, а те, что соединяли непрерывную цепочку молекул воды, в этом месте обрываются.
1
67

Мембранные рецепторы
В структуре мембранных рецепторов можно выделить 3 функ- ционально разных участка. Первый домен* (домен узнавания) распо- ложен в N-концевой части полипептидной цепи на внешней стороне клеточной мембраны. Он содержит гликозилированные участки и обе- спечивает узнавание и связывание гормона (лиганда). Второй домен – трансмембранный. У рецепторов одного типа, сопряженных с G-бел- ками, он состоит из 7 плотно упакованных α-спиральных полипеп- тидных последовательностей. У рецепторов другого типа трансмемб- ранный домен включает только одну α-спирализованную полипеп- тидную цепь Третий (цитоплазматический) домен создает хими- ческий сигнал в клетке, который сопрягает узнавание и связывание гормона с определенным внутриклеточным ответом.
*Домен – это часть молекулы белка, отличающийся от соседних пептидных частей некой последователь- ностью аминокислот, которая характеризуется строго определенной функцией и представляют собой, таким образом, функциональный блок белковой молекулы. Домены отличаются от других участков полипептидной цепи способом образовании вторичной и третичной структуры белка.
1
68

Структура холинэргических и адренэргических
рецепторов мембраны
.
А –
Никотиновый холин- эргический рецептор. Это
Na
+
/К
+
– к анал, он откры- вается для пропуска
Na
+
в клетку и
К
+
из клетки.
Содержит 5 протеиновых субединиц с 4 трансмемб- ранными доменами. Лока- лизация: вегетативные га- нглии и мионевральные си
-напсы. Б – β-адреноре- цептор. Кооперируется с
G-белком. 7 трансмембра- нных доменов. Локализа- ция: миокард (β
1
–адрено- рецепторы), бронхи (β
2
–
А Б адренорецепторы).
1
69

Организация ионных каналов

Классификация ионных каналов
В основе классификации ионных каналов обычно используется принцип управления их деятельностью. По этому принципу ионные каналы разделяются на:
Первые
– это
неуправляемые или
независимые каналы. К таким каналам относят- ся калиевые каналы. Они находятся все время в открытом состоянии и обеспечивают постоянный ионный ток.
Вторые
– это
потенциал-управляемые
каналы.
Они открываются под действием сдвига уровня мембранного потенциала. Поэтому при достижении определенного порогового уровня деполяризации они открываются, а при обратном снижении ее уровня – закрываются.
Третьи
–
лиганд-управляемые
или
хемоуправляемые
каналы. Примером их служат каналы с никотиновыми ацетилхолиновыми, серотониновыми, глициновыми и ГАМК-рецепторами. Они открываются при связывании с ними лиганда, а точнее – специфичного для них управляющего (сигнального) химического вещества – нейро- трансмиттера.
Четвертые
– это
ион-активируемые
каналы. К ним относятся Са
2+
–активируе- мые хлорные или калиевые каналы.
1
70