Файл: Мембранология и электрогенез.pdf

Модели, иллюстрирующие перенос положительных зарядов каналь-
ным калиевым белком в ответ на изменение потенциала на мембране.
По традиционной версии, четвертая спираль каждой субъединицы несет заряды и движется внутри основного белкового тела по канальцу, а форма тетрамера остается неизменной. По мнению
Р.Мак-Киннона,
заряды переносятся «лопа- стями», которые движутся по наруж- ной поверхности тетрамера, изменяя его форму.
Р.Мак-Киннон
, исходя из своей струк- турной модели, предположил, что «ло- пасти», находящиеся на внутренней стороне мембраны, перемещаются пер- перпендикулярно к внешней стороне без какой-либо выстланной белком по- лости и переносят таким образом заря- ды через электрическое поле.
Положение и передвижение
«лопастей» было экспериментально подтверждено их связыванием с антителами, а также с помощью белка –
авидина
, соединенного с
биотином
1
81

Схема взаимодействия выгля- дит следующим образом: авидин, как гирька, подвешивается через ниточку биотина к «лопасти» и оттягивает ее. Удалось даже изме- рить путь, который преодолевает каждая из них во время откры- вания ворот: он составляет приме- рно 20 Å. Когда мембрана деполя- ризована (то есть положительно заряжен ее внутренний слой), «ло- пасти» поворачиваются вверх, к внеклеточной жидкости, и канал открывается. Если же этот слой приобретает отрицательный заряд,
«лопасти» отгибаются в сторону, сжимая вход в пору, и канал оказы- вается
закрытым.
Таким образом, канал с «лопастями» работает по весьма необычному принципу, ос- нованному на присоединении гид- рофобных катионов к рычагам.
1 2 3 4 5 6 1
82

Это дает возможность мембранному электрическому полю выполнять механиче- скую работу
– открывать и закрывать проводящую ионы пору.
Обобщающая публикация по молекулярному механизму работы белка ионного канала была представлена в журнале «
Nature
» за пять месяцев до присуждения
Р.Мак-
Киннону
Нобелевской премии, который начал «канальную» карьеру в 30 лет, за истек- шие годы преуспел в расшифровке и многих других
молекулярных машин
В частности в 1998 году он представил трехмерную структуру калиевого ионного канала. Это позволило изучить работу ионного фильтра во всех деталях и объяснить, почему в состоянии покоя ион K
+
легко проходит через мембрану и в ту и другую сторону, а ион
Na
+ задержива- ется. Оказалось, что расстояния между атомами кислоро- да и ионом K
+
внутри канала в точности
соответствуют
расстояниям между калием и кислородом воды в раство- ре. Именно поэтому калий беспрепятственно проходит через канал, а меньший по размеру ион
Na
+
не соответс-
твует структуре фильтра и не может пройти через ка-
нал.
Р.Мак-Киннон
также занимался изучением еще неско- льких каналов:
калиевых,
регулируемых ионами Са
2+
, каналов чувствительных к
механическому
воздействию, и тех, что
избирательно
пропускают ионы Cl
–
1
83

Существенных успехов
Р.Мак-Киннон
добился также в рентгено- и электронно- кристаллографических исследованиях, чтобы получить модель
ацетилхолинового
рецептора с более высоким, чем прежде, разрешением.
В целом же, следует отметить, что изучение мембранных каналов, как водных, так и ионных, имеет не только теоретическое значение. Открытия Нобелевских лауреатов 2003 года
Р.Мак-Киннона
и
П.Эгра
способствуют пониманию причин многих заболеваний почек, сердца, мышечной и нервной систем.
1
84

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В
заключение
следует задать вопрос, так что же все-таки представляет собой
потенциал покоя
и какие механизмы его обеспечивают? Теперь, когда основные моменты существа потенциала покоя и подходы изложены, можно подытожить эти данные остановиться на главном. Механизмов обеспечивающих в природе существование потенциала покоя множество.
А. К ним относятся, прежде всего, следующие:
Первый
–
трансмембранная разность потенциалов или потенциал покоя,
мембранный потенциал
, формируется за счет ионной асимметрии по обе стороны мембраны. Ионная асимметрия создается селективным харак- тером ионной проницаемости, которая связана с особым устройством каналов клеточной мембраны.
Второй
–
львиная доля
в генезе мембранного потенциала принадлежит иону K
+
. Другие ионы (Na
+
, Cl
–
, Ca
2+
, анионы) также принимают участие в создании мембранного потенциа- ла, но их роль несравненно меньше, чем у иона K
+
Проницае- мость клеточной мембраны для ионов K
+
примерно в 100 раз выше, чем для ионов Na
+
, поэтому интуитивно можно предположить, что диффузия ионов K
+
вносит гораздо больший вклад в создание мембранного потенциала, чем диффузия ионов Na
+
. Если бы единственным движением ионов через мембрану была бы диффузия ионов K
+
, то мембранный потенциал составлял бы около –90 мВ.
Но в действительности он составляет величину порядка –60-70 мВ. Это связано с тем, что перемещение (диффузия) ионов Na
+ происходит по каналам утечки.
1
85

Дополнительный вклад в величину мембранного потенциала вносит Na
+
/K
+
–нacoc за счет постоянного выкачивания
3
ионов Na
+
наружу в обмен на закачивание внутрь 2 ионов K
+
, что является причиной постоянной потери положительных зарядов с внутренней стороны мембраны Это увеличивает отрицательный потенци- ал внутри клетки примерно на –4 мВ в дополнение к соз- даваемому простой диффузией. Следовательно, суммар- ный мембранный потенциал при совместном действии всех факторов составляет –90 мВ.
Третий – это наличие значительной
проницаемости
для иона Cl
–
, что играет важную роль в обеспечении элек- трической стабильности многих клеток (особенно мышеч- чных), несмотря на это распределение ионов Cl
–
не столь важно для формирования мембранного потенциала.
В за- висимости от механизмов транспорта,
равновесный потенциал
для хлора может быть как более, так и менее отрицательным по отношению к потенциалу покоя .
Четвертый – существование, по крайней мере,
двух других типов ионов
, которые принимают участие в формировании мембранного потенциала – это ионы
Ca
2+
и отрицательно заряженные анионы.
В мембранах почти всех клеток организма имеется
кальциевый насос
, который перекачивает ионы Ca
2+ изнутри клетки наружу (или внутрь эндоплазматического ретикулума клетки), создавая градиент концентрации ионов Ca
2+
. Кроме того, име- ются электроуправляемые кальциевые каналы, которые проницаемы как для ионов
Ca
2+
, так и для ионов Na
+
1
86

Когда они открыты, оба иона поступают внутрь клетки, поэтому эти каналы называют Ca
2+
/Na
+
–каналами. Каналы активируются медленно, на их активацию требуется примерно в 10-20 раз больше времени, чем для натриевых каналов. Эти каналы называют
медленными
, тогда как натриевые каналы именуются
быс-
трыми
Внутри клетки много
отрицательно заряженных ионов
, которые
не могут
проходить
через мембранные каналы. Это –
анионы
белковых молекул и других органических фосфатных, а также сульфатных соединений.
Поскольку эти ионы не могут покинуть клетку, любой недостаток положитель- ных ионов внутри ее приводит к избыт-
ку отрицательных ионов. Следоваталь- но, анионы ответственны за отрицатель- ный заряд внутри клетки при наличии общего дефицита ионов K
+
и других по- ложительно заряженных ионов.
Итак
, в состоянии покоя ионы
Na
+
не- прерывно перемещаются внутрь клетки, снижая, таким образом, отрицательный заряд на мембране. Поскольку при этом калий уже не находится в равновесии, он начинает вытекать из клетки. Если бы не механизмы компенсации, то такое перемещение натрия и калия привело бы к из- менению их внутриклеточных концентраций. Этого не происходит благодаря ра- боте
Na
+
/K
+
–нacoc а-обменника, переносящего ионы натрия наружу и ионы калия внутрь клетки в пропорции 3:2.
Мембранный потенциал зависит от многих причин. Во-первых, от калиевого и натриевого
равновесного потенциала
Na+ канал Na+/K+ насос Ионы Na+
Ионы К+ К+ канал
Снаружи
Мембра- на
Внутри
1
87

Мембранный потенциал зависит от многих причин. Во-первых, от калиевого и натри- евого
равновесного потенциала
. Во-вторых, относительной проницаемости клеточ- ной мембраны для этих ионов , а также от стехиометрии, то есть количественного со- отношения ионов в натрий-калиевом насосе. В состоянии покоя скорость переноса на- трия и калия насосом в точности компенсирует пассивную утечку этих ионов
Б. Вторая группа вопросов
касается потенциала дейст-
вия.
Первый из них направ- лен на понимание, как гене- рируется потенциал действия.
Возбуждение клетки под дей- ствием химического сигнала
(реже электрического импуль- са) приводит к возникнове- нию потенциала действия.
Это означает, что потенциал покоя –60 мВ скачком изменяется на +30 мВ и спустя 1 мс принимает исходное значе- ние. Процесс начинается с открывания Nа
+
-каналов. Ионы Na
+
устремляются в клетку
(по градиенту концентрации), что вызывает локальное
обращение знака мембранного
потенциала.
При этом Na
+
-каналы тотчас закрываются, то есть поток ионов Na
+
в клетку длится очень короткое время. В связи с изменением мембранного потенциала открываются (на несколько мс) потенциалуправляемые К
+
-каналы.
Натриевые
ка налы
Натриевые открыты больше (2) каналы открыты( 1) Натриевые каналы закрыты (3)
1 2 3 4 Калиевые каналы открыты (4)
5 Калиевые каналы закрыты (5)
Ионные каналы и фазы
потенциала действия
1
88

Структура ионного канала
В. Третья группа вопросов пос-
вящена ионным каналам.
Первый вопроскасается каналов пропускающих различные ионы. Ка- нал устроен следующим образом: он состоит из нескольких субединиц бе- лка и представляет собой некое про- странство в плазматической мемб- ране, окруженное спиралями белка, в центре которого имеется простран- ство – своеобразная пора, через ко- торую транспортируются ионы.
Любой ионный канал имеет определенный набор стандартных структур.
Второй – это различные способы управления работой каналов, что свидетель- ствует о многообразии их организации. По этому принципу они разделяются на: 1.
Не-
управляемые
или
независимы
е каналы; 2.
Потенциал-управляемы
е каналы; 3.
Ли-
ганд-управляемые
(хемочувствительные) каналы; 4.
Вторично-управляемыека на-
Ионы К
+
теперь устремляются в обратном направлении, из клетки. В результате ме- мбранный потенциал принимает первоначальное значение, и даже превышает на ко- роткое время потенциал покоя. После этого клетка вновь становится возбудимой.
За один импульс через мембрану проходит небольшая часть ионов Na
+
и К
+
, и кон- центрационные градиенты обоих ионов сохраняются.
1
89

лы
,
например, Са
2+
–активируемые хлорные или калиевые каналы; 5.
Совместно-
управляемые
каналы – это и потенциал- и хемочувст-вительные каналы. .
Третий – это внутренее устройство канала. Он организован следующим обра- зом. Канал, пропускающий ионы устроен следующим образом: он состоит из бел- ков от первичной до третичной структуры. Эти белки сложным образом встро- ены в плазматическую мембрану. В состав канала входит ионселектив-
ный фильтр и воротный механизм.
Ионселективные фильтры
име- ют специальные места сужения и особым образом расположенные за- ряженные химические группировки внутри канала, что позволяет пропу- скать только один тип иона.

В покое, когда канал закрыт, одни «ворота» (активационные) закрыты, а инак- тивационные – открыты. При деполяризации обе воротные заряженные группи- ровки смещаются в канале почти одновременно, но в противоположных направ- лениях. Поскольку инактивационные ворота смещаются медленнее, канал успева- ет сначала активироваться (открыться), а затем – инактивироваться (закрыться).
Присутствие двух типов «ворот» в составе канала обеспечивает возможность саморегуляции его работы. Следует также подчеркнуть, что ворота канала могут открываться и закрываться в ответ на измене-
1*
ние мембранного потенциала, концентрации иона, механическое воздействие, связывание с определе- нной сигнальной молекулой и прочего.
Г. Четвертая группа вопросов – механизмы
управления работой канала.
1 – различие в позициях
Первый
вопрос – ионный канал, например,
ка-
евый
представляет собой структуру, состоящую из четырех гидрофильных остатков аргинина, которые организованы так, что составляют тетрамер, то есть
квадратик
, если на него смотреть со стороны плоскости мембраны. Вид тетрамера и отходящих от него молекул белка напоминает свастику, как символа вечного движения. Взгдяд в плоскость мембраны (сбоку) открывает картину, напоминающую корзину, открытой частью которой она обращена к наружной среде клетки.
1* – различие в размерах «лопастей»
и остального белка тетрамера
1
91

Второй вопрос – наличие своеобразных
«лопастей», которые являются
остатками положительно заряженного аргинина. Именно «
лопасти
», отходящие от тетрамера, и создают подобие свастики. «
Лопасти
» под действием элект- рического поля могут изменять свое положение по отношению к поре, поднимаясь над нею, а несущий ими заряд, обеспечивает
закрытое
или
откры-
тое
состояние ворот.
Третий вопрос – энергетического обеспечения транспортных мембранных процессов. Вход и вы- ход ионов через каналы в мембране клетки имеет пассивный характер и происходит благодаря нали- чию электрических и химических градиентов.
Для компенсации результатов передвижения ионов клетка использует активные транспортные механизмы и средства, которые затрачивают энер- гию на перемещение ионов в направлении, проти- воположном их электрохимическим градиентам. Таким образом, концентрации ионов в цитоплазме поддерживаются на постоянном уровне, что позволяет сохра- нить неизменным потенциал покоя.
Активный транспорт осуществляется
энергией гидролиза АТФ.
Специальная молекула,
называемая Na
+
/K
+
–АТФазой,
осуществляет за счет энергии расщепления одной молекулы АТФ перенос трех ионов Na
+
наружу и двух ионов K
+
внутрь клетки.
Структура АТФ
1
92