Транспорт ионов через клеточную мембрану

Существует два основных механизма перемещения веществ через мембрану: 1) посредством простой диффузии через билипидный слой или 2) через мембранные интегральные белки (рис.3), которые общепринято разделять на каналы и транспортеры.

Транспортерами считаются действующие в определенном направлении ферменты, цикл которых включает а) относительно избирательное распознавание/связывание переносимого иона, б) конформационное изменение транспортного белка благодаря этому связыванию и в) сопряжение этого конформационного изменения с физическим перемещением иона через мембрану.

Каналы рассматриваются как транспортные протеины, которые облегчают физический переход ионов при энергетически относительно небольших взаимодействиях между канальным протеином и переносимым ионом. Скорее внешние факторы (см. далее) управляют состоянием «ворот» канала.

Отличительными свойствами каналов и транспортеров являются скорость переноса ионов и соотношение направления переноса с электрохимическим градиентом для переносимого иона.

Отсутствие энергетического взаимодействия канала и проходящего через него иона повышает скорость переноса в несколько раз по сравнению с переносом через транспортер, это свойство каналов позволяет использовать их для быстрой передачи информации.

Связь между направлением переноса и уже имеющимся электрохимическим градиентом перемещающегося через мембрану иона такова, что через канал ионы движутся только в сторону уменьшения электрохимического потенциала и такой транспорт называется пассивным. Транспортеры катализируют активный транспорт иона против его электрохимического градиента, расходуя клеточную энергию АТФ (первично активный транспорт) или электрохимический градиент другого иона (вторично активный транспорт). Основная функция транспортеров – создать и поддерживать трансмембранный электрохимическй градиент физиологически значимых ионов.

Канал обыкновенно имеет внутри просвета аминокислотные остатки, которые облегчают прохождение ионов одного размера и заряда, но не пропускают ионы неподходящего размера или заряда. Хотя каналы принято разделять на катионные и анионные, многие из них обладают выраженной избирательностью к пропусканию только одного типа ионов, например К⁺ или Na⁺. Способность пропускать или не пропускать ионы зависит от размера канала, заряда белковых субъединиц канала, наличия или отсутствия гидратной оболочки. Избирательная пропускная способность каналов не всегда абсолютна, что значимо для медицинской практики. Например, Na⁺-канал может пропускать в клетку ионы Li⁺, но не существует их активного транспорта из клетки, поэтому отравления солями лития чрезвычайно опасны.

Канал способен ограничить доступ иона к просвету самого канала, используя отдельные компоненты молекулы (ворота), которые могут открываться или закрываться. Вероятность открывания ворот определяет проницаемость ионов через мембрану. Несколько десятков тысяч ионов проходят через канал при каждом его открывании, продолжающемся несколько миллисекунд.

Состояние каналов управляется многими факторами: величиной мембранного потенциала; внешними лигандами, связанными с каналом; внутриклеточными посредниками; внутриклеточными метаболитами; растяжением мембраны (рис. 4) Многие каналы и транспортеры связаны с адаптирующими белками, которые регулируют локализацию транспортных белков, управляют взаимодействием транспортного белка с сигнальным преобразующим комплексом, который включает 1) рецептор, 2) эффекторный фермент, созданный вторичным посредником и 3) протеинкиназу.

Адаптирующие белки изменяют функцию ионных каналов двумя способами: 1) изменением положения ионного транспортного белка в мембране или 2) концентрацией ионных канальных белков в мембране, в результате чего их активность меняется

Потенциалуправляемые (потенциалзависимые) каналы открываются или закрываются при изменении мембранного потенциала. Эти белки чувствительны к изменению электрического поля и не способны поддержать стабильную структуру за счет внутренних сил электрического взаимодействия между различными частями белковой молекулы. Они не открываются постепенно, а скачком переходят из одной дискретной стабильной конформации к другой. Эти каналы могут быть или полностью открыты, или полностью закрыты, но никогда не открыты или закрыты частично. Переход от одной конформации к другой является процессом вероятностным и требует энергии. Чем больше энергетический барьер между устойчивыми конформациями, тем реже происходит переход. Электрическое поле изменяет энергию конформационных состояний и вероятность перехода из одного состояния в другое. Каждый из множества мембранных каналов открывается и закрывается независимо друг от друга, суммарный же ток через мембрану всей клетки с ее многочисленными каналами определяется вероятностью открывания для каждого канала.

Электрические процессы в нервных и мышечных клетках связаны с работой Na⁺ и K⁺ потенциалзависимых каналов (рис. 5).

Гипотетическая модель Na⁺-каналов включает(рис.6) селективный фильтр, активационные m-ворота с внешней стороны клеточной мембраны, инактивационные h-ворота с внутренней стороны мембраны и сенсор напряжения, который управляет работой как минимум активационных ворот. При поляризации мембраны в пределах /–90/-/-60/ мв Na⁺-каналы находятся в состоянии покоя, т.е. закрыты, но способны к открыванию при приложении электрической силы. В пределах значений мембранного потенциала между

-60 мВ и –50 мВ, каналы активируются, т.е. скачкообразно открываются. Чем меньше разность потенциалов внутри и снаружи клетки, тем больше вероятность перехода канала в открытое состояние и тем большее число каналов открыто. Открывание большинства Na⁺ каналов увеличивает проницаемость мембраны для Na⁺ в 500-5000 раз. Примерно через 1/10000с после открывания активационных ворот каналы переходят в третье состояние: закрываются инактивационные ворота и дальнейшее перемещение Na⁺ не происходит. В этой конформации Na⁺ каналы называются инактивированными, они не способны к открыванию. Для того, чтобы вернуть Na⁺-каналам состояние покоя, требуется возвращение потенциала мембраны к отрицательным величинам порядка -50 мВ и больше.

Потенциалзависимые К⁺-каналы (см. рис. 5) устроены более просто, это система с одними n-воротами и двумя конформационными состояниями. Чем более отрицателен потенциал внутри клетки, тем больше вероятность нахождения К⁺ канала в закрытом состоянии. При величине мембранного потенциала /-70/-/-90/мв ворота закрыты и ионы К⁺ не могут перемещаться через мембрану по этим каналам. Если мембранный потенциал снижается от –90 мВ до нуля и перезаряжается до положительных значений, канал активируется, т.е. его конформация изменяется и ворота открываются, что позволяет К⁺ диффундировать через мембрану по градиенту концентрации. Эти каналы открываются и закрываются более медленно, чем Na⁺-каналы.

Хемозависимые (лигандуправляемые) каналы совмещены с рецепторами - белковыми структурами, встроенными в мембрану и имеющими места для химического соединения с сигнальными молекулами. Этот тип каналов может находиться в двух состояниях – открытом и закрытом. При связывании рецептора с биологически активными химическими веществами (медиаторами, гормонами и др.) обратимо изменяется проницаемость канала и он открывается. При разрушении или отщеплении химического вещества ионный канал закрывается.

Для медиков значима чувствительностьканаловк специфическим токсинам. Токсин способен связываться с каналом и переводить его в определенное устойчивое состояние - открытое или закрытое, при котором нормальная работа канала становится невозможной. Если токсин закрывает канал, его называют блокатором, если открывает - ионофором. Связывание токсина с каналом может быть обратимым и необратимым. Необратимое связывание может привести к гибели организма, например, токсическое действие ядов некоторых змей. Обратимое связывание может разрушиться при определенных условиях, либо со временем. Например, для потенциалзависимого Na⁺-канала необратимым блокатором является природный яд рыбы Tetronodon - тетродотоксин, обратимым – новокаин, используемый в медицинской практике. Блокаторы и ионофоры позволяют выявить наличие или отсутствие определенного канала в мембране и установить его биохимические свойства. Они нашли чрезвычайно широкое применение как в научных исследованиях, так и в фармакологии.

Механоуправляемый (механочувствительный) канал изменяет проводимость в ответ на механическую деформацию мембран. Механическая энергия передается на канал через изменение натяжения билипидного слоя или через цитоскелет клетки. Каналы активируются и инактивируются растяжением (иногда сжатием) клетки. Как и другие типы каналов, механочувствительный канал может находиться только в дискретных состояниях – открытом или закрытом. Эти каналы изучены мало, известны Са⁺⁺-активируемый К⁺-канал и К⁺-канал аномального выпрямления (т.е. канал с особыми электрическими свойствами). Предполагается однако, что в сердце помимо электромеханического сопряжения имеется механоэлектрическая обратная связь. Принципиальным механизмом осуществления этой связи является работа механочувствительных каналов, в результате которой изменяется входящий ток Са⁺⁺, выходящий ток К⁺, ток утечки, работа Na⁺/Са⁺⁺-насоса и величина мембранного потенциала кардиомиоцита.

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите основные механизмы перемещения ионов через мембрану?

2. Что такое избирательная проницаемость канала? Чем она определяется?

3. Что такое потенциалзависимые каналы? Каков принцип их работы?

4. Как осуществляется активация и инактивация потенциалзависимого канала?

5. Расскажите о строении и работе потенциалзависимого Na-канала.

6. Что такое хемозависимые каналы?

7. Что такое механоуправляемые каналы?

8. Что такое транспортеры? Назовите известные вам транспортеры.