О природе ионной проницаемости мембраны. Ионные каналы

В основе рассмотренных изменений ионной проницаемости мембраны при генерации потенциала действия лежат процессы открывания и закрывания специализированных ионных каналов в мембране, обладающих двумя важнейшими свойствами: 1) избира­тельностью (селективностью) по отношению к определенным ионам; 2) электровозбудимостью, т. е. способностью открываться и закрываться в ответ на изменения мембранного потенциала. Процесс открывания и закрывания канала имеет вероятностный характер (мембранный потенциал лишь определяет вероятность нахождения канала в открытом или закрытом состоянии).

Так же как ионные насосы, ионные каналы образованы макромолекулами белков, пронизы­вающими липидный бислой мембраны. Химическая структура этих макромолекул еще на расшифро­вана, поэтому представления о функциональной организации каналов строятся пока главным обра­зом косвенно — на основании анализа данных, полученных при исследованиях электрических яв­лений в мембранах и влияния на каналы различных химических агентов (токсинов, ферментов, лекарственных веществ и т. д.). Принято считать, что ионный канал состоит из собственно транс­портной системы и так называемого воротного механизма («ворот»), управляемого электрическим полем мембраны. «Ворота» могут находиться в двух положениях: они полностью закрыты или пол­ностью открыты, поэтому проводимость одиночного открытого канала — постоянная величина. Суммарная проводимость мембраны для того или иного иона определяется числом одновременно открытых каналов, проницаемых для данного иона.

Это положение может быть записано следующим образом:

где g_i — суммарная проницаемость мембраны для внутриклеточного иона; N — общее число соот­ветствующих ионных каналов (в данном участке мембраны); а—доля открытых каналов; у— проводимость одиночного канала.

По своей селективности электровозбудимые ионные каналы нервных и мышечных клеток под­разделяются на натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные. Селективность эта не абсолютная:

название канала указывает лишь ион, для которого данный канал наиболее проницаем.

Через открытые каналы ионы движутся по концентрационному и электрическому градиентам. Эти потоки ионов приводят к изменениям мембранного потенциала, что в свою очередь изменяет среднее число открытых каналов и соответственно величину ион­ных токов и т. д. Такая круговая связь важна для генерации потенциала действия, но она делает невозможным количественную оценку зависимости ионных проводимостей от величины генерируемого потенциала. Для изучения этой зависимости применяется «метод фиксации потенциала». Сущность данного метода состоит в насильственном под­держании мембранного потенциала на любом заданном уровне. Так, подавая на мембра­ну ток, равный по величине, но обратный по знаку ионному току, проходящему через открытые каналы, и измеряя этот ток при различных потенциалах, исследователи полу­чают возможность проследить зависимость потенциала от ионных проводимостей мем

Рис. 7. Временной ход изменений натриевой (§ма) и калиевой (g^) проницаемости мембраны при де­поляризации мембраны аксона на 56 мВ.

а — сплошные линии показывают проницаемость при длительной деполяризации, а пунктирные — при репо-ляризации мембраны через 0,6 и 6,3 мс; б — зависимость пиковой величины натриевой (gNa) ^и стационарного уровня калиевой (gx) проницаемости от мембранного потенциала.

Рис. 8. Схематическое изображение электровозбудимого натриевого канала.

Канал (1) образован макромолекулой белка 2), суженная часть которого соответствует «селективному фильтру». В канале имеются активационные (т) и инактивационные (h) «ворота», которые управляются электрическим полем мембраны. При потенциале покоя (а) наиболее вероятным является положение «закры­то» для активационных ворот и положение «открыто» для инактивационных. Деполяризация мембраны (б) приводит к быстрому открыванию т-«ворот» и медленному закрыванию п-«ворот», поэтому в начальный момент деполяризации обе пары «ворот» оказываются открытыми и через канал могут двигаться ионы в соот­ветствии с их концентрационными и электрическими градиентами. При продолжающейся деполяризации (о) инактивационные «ворота» закрываются и канал переходит в состояние инактивицин.

браны. Чтобы из общего ионного тока, протекающего через мембрану, выделить его ком­поненты, соответствующие потокам ионов, например, через натриевые каналы, исполь­зуют химические агенты, специфически блокирующие все другие каналы. Соответствен­ным образом поступают при измерениях калиевого или кальциевого токов.

На рис. 7 показаны изменения натриевой (g_Na) и калиевой (g_k) проницаемости мембраны нервного волокна во время фиксированной деполяризации. Как отмечалось, величины g_Na и g_K отражают число одновременно открытых натриевых или калиевых кана­лов. Как видно, g_Na быстро, за доли миллисекунды, достигла максимума, а затем медлен­но начала снижаться до исходного уровня. После окончания деполяризации способность натриевых каналов вновь открываться постепенно восстанавливается в течение десятков миллисекунд.

Рис. 9. Состояние натриевых и калиевых ка­налов в различные фазы потенциалов дей­ствия (схема). Объяснение в тексте.

Для объяснения такого поведения натрие­вых каналов высказано предположение о суще­ствовании в каждом канале двух типов «во­рот» — быстрых активационных и медленных инактивационных. Как следует из названия, на­чальный подъем g_Na связан с открыванием активационных ворот («процесс активации»), последующее падение g_Na, во время продолжа­ющейся деполяризации мембраны, — с закры­ванием инактивационных ворот («процесс инактивации»).

На рис. 8, 9 схематически изображена организа­ция натриевого канала, облегчающая понимание его функций. Канал имеет наружное и внутреннее расши­рения («устья») и короткий суженный участок, так называемый селективный фильтр, в котором происхо­дит «отбор» катионов по их размеру и свойствам. Судя по размеру наибольшего проникающего через натриевый канал катиона, отверстие фильтра не меньше 0,3—0,5 нм. При прохождении через фильтр ионы Na⁺ теряют часть, своей гидратной оболочки. Активационные (m) и инактивационные (h) «ворота» расположены в области внутреннего конца натриевого канала, причем «ворота» h обращены в сторону цитоплазмы. К такому заключению пришли на основании того факта, что приложение неко­торых протеолитических ферментов (проназы) к внутренней стороне мембраны приводит к устра­нению натриевой инактивации (разрушает h-«ворота»),

В состоянии покоя «ворота» т закрыты, тогда как «ворота» h открыты. При деполяризации в начальный момент «ворота» т и h открыты — канал находится в проводящем состоянии. Затем инактивационные ворота закрываются — канал инактивируется. После окончания деполяризации «ворота» h медленно открываются, а «ворота» т быстро закрываются и канал возвращается в исход­ное покоящееся состояние.

Специфическим блокатором натриевых каналов является тетродотоксин,— соедине­ние, синтезируемое в тканях некоторых видов рыб и саламандр. Это соединение входит в наружное устье канала, связывается с какими-то пока неидентифицированными хими­ческими группами и «закупоривает» канал. Используя радиоактивно меченный тетродо­токсин, подсчитали плотность натриевых каналов в мембране. У различных клеток эта плотность варьирует от десятков до десятков тысяч натриевых каналов на квадратный микрон мембраны.

Функциональная организация калиевых каналов сходна с таковой натриевых кана­лов, различия лишь в их селективности и кинетике процессов активации и инактивации. Селективность калиевых каналов выше селективности натриевых: для Na⁴' калиевые каналы практически непроницаемы; диаметр их селективного фильтра около 0,3 нм. Акти­вация калиевых каналов имеет примерно на порядок более медленную кинетику, чем активация натриевых каналов (см. рис. 7). На протяжении 10 мс деполяризации g_K, не об­наруживает тенденции к инактивации: калиевая инактивация развивается только при многосекундной деполяризации мембраны.

Следует подчеркнуть, что такие соотношения между процессами активации и инактивации калиевых каналов характерны только для нервных волокон. В мембране многих нервных и мышечных клеток существуют калиевые каналы, которые сравнительно быстро инактивируются. Обнаружены также быстро активирующиеся калиевые каналы. Наконец, существуют калиевые каналы, которые активируются не мембранным потенциалом, а внутриклеточным Са²⁺.

Калиевые каналы блокируются органическим катионом тетраэтиламмонием, а так­же аминопиридинами.

Кальциевые каналы характеризуются медленной кинетикой процессов активации (миллисекунды) и инактивации (десятки и сотни миллисекунд). Их селективность оп­ределяется наличием в области наружного устья каких-то химических групп, обладаю­щих повышенным сродством к двухвалентным катионам: Са²⁺ связывается с этими груп­пами и только после этого проходит в полость канала. Для некоторых двухвалентных катионов сродство к указанным группам настолько велико, что, связываясь с ними, они блокируют движение Са²⁺ через канал. Так действует Mn²⁺. Кальциевые каналы мо­гут быть блокированы также некоторыми органическими соединениями (верапамил, нифедипин), используемыми в клинической практике для подавления повышенной элек­трической активности гладких мышц.

Характерная особенность кальциевых каналов — их зависимость от метаболизма и, в частности, от циклических нуклеотидов (цАМФ и цГМФ), регулирующих процессы фосфорилирования и дефосфорилирования белков кальциевых каналов.

Скорость процессов активации и инактивации всех ионных каналов увеличивается с возрастанием деполяризации мембраны; соответственно увеличивается до некоторой предельной величины число одновременно открытых каналов.