Ligand-gated kanalen zijn ionenkanalen die zich in het postsynaptische membraan op neuromusculaire kruispunten bevinden. De binding van een mediator aan deze kanalen aan de buitenkant van het membraan veroorzaakt veranderingen in hun conformatie: de kanalen gaan open, waardoor ionen door het membraan kunnen passeren en daardoor de membraanpotentiaal verandert. In tegenstelling tot spanningsafhankelijke kanalen, die verantwoordelijk zijn voor het optreden van actiepotentialen en het vrijkomen van zenders, zijn ligandgestuurde kanalen relatief ongevoelig voor veranderingen in de membraanpotentiaal en zijn daarom niet in staat tot zelfversterkende alles-of-niets-excitatie. In plaats daarvan genereren ze een elektrisch signaal, waarvan de sterkte afhangt van de intensiteit en duur van het externe chemische signaal, d.w.z. hangt af van hoeveel zender er in de synaptische spleet wordt vrijgegeven en hoe lang deze daar blijft.

Receptoren geassocieerd met kanalen zijn, net als enzymen, alleen specifiek met betrekking tot bepaalde liganden en reageren daarom op de invloed van slechts één zender - degene die wordt vrijgegeven door de presynaptische terminal. Andere mediatoren hebben geen effect;

Kanalen van verschillende typen worden gekenmerkt door verschillende ionenspecificiteit: sommige kunnen selectief natriumionen doorlaten, andere - kaliumionen, enz.; . De ionenspecificiteit is echter constant voor een bepaald postsynaptisch membraan: gewoonlijk hebben alle kanalen in een synaps dezelfde selectiviteit.

Van alle ligand-afhankelijke ionkanalen is de nicotine-acetylcholinereceptor het meest bestudeerd.

Er zijn veel andere soorten MK, ze worden geactiveerd door verschillende mediatoren (serotonine, glycine, gamma-aminoboterzuur - GABA, enz.) en al deze hoofdtypen MK zijn onderverdeeld in vele subtypen. Met betrekking tot sensorische systemen zijn de belangrijkste MK's die worden aangetroffen in reuk- en fotoreceptorcellen gevoelig voor cyclische nucleotiden (CNN's). De structuur van de CNC-poortkanalen zal worden beschreven. In tegenstelling tot n-AChR-kanalen vormt het subeenheideiwit 6 transmembraansegmenten en bestaat het gehele kanaal uit vier subeenheden.

- transmembraaneiwitten die poriën vormen over cytoplasmatische en andere biologische membranen die helpen bij het tot stand brengen en controleren van elektrische spanning over de membranen van alle levende cellen (membraanpotentiaal genoemd), waardoor de beweging van bepaalde ionen langs een elektrochemische gradiënt mogelijk wordt gemaakt.

Belangrijkste kenmerken

Ionenkanalen reguleren de stroom van ionen door het membraan in alle cellen. Ze zijn een eiwitmolecuul of een complex van verschillende moleculen die door de lipidelaag van het celmembraan dringen. Er zit een doorgaand gat in het eiwit, of het is tijd waarlangs ionen kunnen bewegen. De porie opent en sluit met behulp van bewegingen van het eiwitmolecuul van het kanaal zelf of hulpeiwitten - de zogenaamde "Poortmechanisme". Wanneer de tijd aanbreekt, bewegen ionen door het kanaal, die gedwongen worden te bewegen door de elektrochemische gradiënt aan beide zijden van het celmembraan. Kanalen zijn dus geleiders van passief transport.

De beweging van ionen door het kanaal leidt tot een verandering in het membraanpotentiaal van de cel of het binnendringen van nieuwe ionen in de cel (voornamelijk calcium- en chloorionen). Dit leidt verder tot een verandering in de celfunctie. Voor enkele kleine ionen blijft de transmembraangradiënt behouden: kationen (Na+, Ca 2+, K+, H+) en anionen (Cl-, OH-). Er zijn echter enkele honderden genen die coderen voor verschillende ionkanalen in levende organismen. Deze diversiteit hangt vooral samen met de verscheidenheid aan poortmechanismen. Het eiwitmolecuul van het kanaal neemt een bepaald soort energie waar en verandert als reactie daarop zijn conformatie, zodat het kanaal op tijd opent of sluit. Gedistribueerd spanning afhankelijk kanalen, dat wil zeggen kanalen die zich openen als reactie op een bepaald potentiaalverschil over het membraan, en chemische afzettingen kanalen, dat wil zeggen kanalen die van conformatie veranderen na binding aan een specifiek molecuul. Er zijn ook kanalen die hun vermogen om ionenstroom door te laten veranderen als reactie op veranderingen in temperatuur, pH, membraandruk, licht, enz.

Moleculaire structuur

Deze complexen nemen doorgaans de vorm aan van een cilindrische structuur die is samengesteld uit een of meer identieke, homologe of verschillende eiwitmoleculen die strak zijn gepakt rond een met water gevulde porie die door de lipidedubbellaag van het membraan gaat. Als deze eiwitmoleculen of kanaalsubeenheden producten zijn van hetzelfde gen, dan is het kanaal een homomeer; als ze verschillend zijn, is het een heterometer. Op basis van het aantal subeenheden worden monomeren, dimeren, trimmers, tetrameren, pentameren, octameren, enz. onderscheiden. Kaliumkanalen zijn bijvoorbeeld vaak homotetrameren - dat wil zeggen gevormd door vier identieke subeenheden. Volgens de gebruikelijke nomenclatuur worden de tijdvormende subeenheden α-subeenheden genoemd, terwijl de hulpsubeenheden β, γ, enzovoort worden genoemd. Elke α-subeenheid bestaat uit verschillende (2-7) transmembraansegmenten (meestal α-helices), een P-lus die de tijd bepaalt, cytoplasmatische uiteinden en een extracellulaire lus.

Eigenschappen van ionkanalen

• Selectiviteit is het vermogen van een kanaal om selectief een bepaald type ion door te laten. Selectiviteit is relatief: zelfs zeer selectieve kanalen kunnen onder bepaalde omstandigheden (ionische samenstelling van het medium, lipidesamenstelling van membranen, temperatuur, enz.) naast de hoofdionen ook andere ionen doorlaten. Maar in een fysiologische toestand zijn de selectiviteitskanalen verdeeld in selectief (bijvoorbeeld natrium of kalium) of niet-selectief (glutamaatreceptor-kationkanaal). Selectiviteit wordt doorgaans bereikt door een specifieke poriestructuur. De porie bevat een selectief filter, dat ongeveer de breedte van één atoom kan hebben, waardoor alleen een bepaald type ion wordt doorgelaten, zoals natrium of kalium, of bevat bindingsplaatsen die alleen affiniteit hebben voor bepaalde ionen (zoals calcium ).
• Permeabiliteit is het vermogen van een bepaald ion om de tijd van een kanaal te passeren. Permeabiliteit volgt rechtstreeks uit selectiviteit. Hoe hoger de selectiviteit van het kanaal, hoe lager de geleidbaarheid voor minderheidsionen.
• Geleidbaarheid is een grootheid die het aantal ionen weergeeft dat per tijdseenheid door het kanaal kan gaan. De eenheid van geleidbaarheid is siemens.

Biologische rol

Het openen en sluiten van ionkanalen ligt ten grondslag aan de overdracht van zenuwimpulsen, en kanaalgeleiding is de basis voor de werking van elektrische synapsen. Daarom zijn ionkanalen uiterst belangrijke componenten van het zenuwstelsel. De meeste offensieve en defensieve gifstoffen die organismen hebben ontwikkeld om de zenuwstelsels van roofdieren en prooien uit te schakelen (zoals die afgescheiden door spinnen, schorpioenen, slangen, vissen, bijen, schaaldieren en andere organismen) werken door het blokkeren van ionische calalas. . Ionenkanalen zijn betrokken bij het handhaven van spanning in de mitochondriën van eukaryoten en op de plasmamembranen van prokaryoten, die worden gebruikt om energie te produceren in de vorm van ATP, de belangrijkste ‘brandstof’ van cellen. Bovendien zijn talloze ionkanalen verantwoordelijk voor een breed scala aan biologische processen die snelle veranderingen in de cellulaire toestand met zich meebrengen, zoals hartactiviteit, contractie van skelet- en gladde spieren, transport van voedingsstoffen door het epitheel, T-lymfocytfunctie en hormoonsecretie. Bij de ontwikkeling van nieuwe medicijnen zijn ionkanalen een veel voorkomend doelwit.

Verscheidenheid aan ionkanalen

Er is momenteel geen uniforme classificatie van ionkanalen. Kanalen worden gesystematiseerd door selectiviteit voor ionen (anionisch, kationisch, natrium, kalium, chloor, enz.), door activeringsmechanismen (spanningsafhankelijk, ligandgekoppeld, gedepokereerd, mechanoreceptoren, temperatuurafhankelijk, enz.), door gevoeligheid voor chemicaliën ( bijvoorbeeld ATP-afhankelijk, TTX-ongevoelig), door genetische homologie. De volgende classificatie wordt voorgesteld in de Oekraïense wetenschappelijke literatuur:

• Ligand-ionenkanalen
  • Cys-lus - homo- of heteropentameer
    • Niet-selectieve kationische: nicotine-acetylcholinereceptoren, serotoninereceptor
    • Selectieve chloriden: glycinereceptor, GABAA-receptor, GABAA-receptor
  • Glutamaatreceptoren - homo- of heterotetrameren
    • AMPA-receptoren, kaïnaatreceptoren, NMDA-receptoren
  • Purinereceptoren - homo- of heterotetrameren
    • P2X-receptoren
• Spanningsafhankelijke ionkanalen
  • Natrium kanalen
    • tetrodoxine-gevoelig
    • tetrodoxine-ongevoelig
  • Calciumkanalen
    • L-type
    • N-type
    • P/Q-type
    • R-type
    • T-type - calciumkanalen met lage drempel
• Kaliumkanalen
  • Spanningsafhankelijk
    • Shaker-Shab-Shal-Shaw-gerelateerd
    • KvLQT1-gerelateerd
    • eag-gerelateerd
    • erg-gerelateerd
    • elc-gerelateerd
  • calcium-geactiveerd
    • hoge geleidbaarheid BK
    • lage geleidbaarheid SK
    • Na-, Cl-geactiveerd
    • OH-geactiveerd
  • Ingangsrectificatie
    • G-eiwit gereguleerd door GIRK
    • ATP-gated kaliumkanalen K-ATP
  • achtergrond
    • tweerassen (2P)
• Cyclische nucleotide-gated kanalen
• Depokeratie- en arachidonregulatiekanalen
• Transiente receptorpotentiaal (TRP) kanalen
  • • TRPC, "klassiek"
    • TRPV, "vanilloïde" TRPV1
    • TRPM, "melastatine" TRPM8
    • TRPA, "ankyrine"
    • TRPP, "polycystine"
    • TRPML, "mucolipinen"
• Natriumspanningsafhankelijke degenerine-achtig
  • epitheliale ENaC
  • protongevoelige ASIC
• Anion-ionkanalen
  • Chloorkanalen ClC

Ziekten geassocieerd met ionkanalen

Verstoring van ionkanalen leidt vaak tot ziekten die kanalopathieën worden genoemd. De belangrijkste oorzaak van dergelijke aandoeningen zijn erfelijke mutaties die de structuur van het kanaal beïnvloeden, maar ook andere schade is mogelijk (stofwisseling, straling, enz.). Voorbeelden van kanalopathieën:

• cystische fibrose
• hartritmestoornissen
• Brugada-syndroom
• Timothy-syndroom
• gegeneraliseerde epilepsie

Hoe ionkanalen worden bestudeerd

Membraan theorie

Lange tijd discussieerden cytologen over de structuur van de cel. Twee theorieën concurreerden met elkaar: membraan en fase. De membraantheorie ging uit van de aanwezigheid van een semi-permeabele barrière die het cytoplasma zou scheiden van de intercellulaire ruimte, waardoor gradiënten van stoffen zouden ontstaan. De fasetheorie sloot de aanwezigheid van een dergelijke barrière uit, en de homeostase in de cel wordt in stand gehouden door acceptoreiwitten van verschillende stoffen - acceptoren van kalium, natrium, zuurstof, glucose, enz. De ontdekking van elektronenmicroscopie toonde de overwinning van de membraantheorie aan. Daarom was de volgende stap het bestuderen van de eigenschappen van het membraan. Hodgkin en Bernard Katz ontdekten het vermogen van het gigantische axon van de inktvis om verschillende ionen met verschillende membraanpotentialen over te brengen. Zo ontstond de hypothese over de aanwezigheid van selectieve ionkanalen. Later werd het op briljante wijze bevestigd.

Onderzoeksmethoden

De eerste onderzoeken naar ionkanalen werden uitgevoerd met behulp van micro-elektroden op gigantische excitatiecellen. De ontwikkeling van de micro-elektrodetechnologie heeft geleid tot de creatie van een methode om de potentiaal op een deel van het membraan te fixeren. Aanvankelijk werd onderzoek alleen op functioneel niveau uitgevoerd, daarna werden de kanaalgenen gekloond en begonnen ze ook genetisch en structureel te worden bestudeerd. Ook worden ionkanalen nu kunstmatig geïntroduceerd in cellen die bijna geen eigen kanalen hebben (eicellen, onsterfelijk gemaakte cellijnen, enz.), waar hun functies worden bestudeerd. Er wordt gebruik gemaakt van een aantal moleculair biologische en optische methoden (PCR, kwantitatieve PCR, single-cell PCR, immunochemische methoden, fluorescentiemicroscopie). Sommige kanaaleiwitten werden gekristalliseerd en röntgendiffractieanalyse werd uitgevoerd. Voorlopig zijn theoretisch andere structuren denkbaar.

Bijdrage van Oekraïense wetenschappers aan ionkanaalonderzoek

Bij het Instituut voor Fysiologie vernoemd naar A.A. Bogomolets NAS uit Oekraïne, begon het onderzoek naar de elektrische eigenschappen van cellen in de jaren vijftig. Aan de oorsprong van dit werk stonden Daniil Vorontsov, Platon Kostyuk, Mikhail Shuba. Voor het eerst ter wereld bewezen Kostyuk en Khrustal de aanwezigheid van afzonderlijke calciumkanalen in het celmembraan van zenuwcellen. Vervolgens was de groep van Nikolai Veselovsky, onder leiding van Platon Kostyuk, de eerste die stromen door calciumkanalen van het T-type beschreef, en de groep van Oleg Kryshtal - via purine- en protongevoelige kanalen.

In 2005 was een inwoner van Oekraïne, Yuri Kirichek (een student van Oleg Kryshtal), de eerste die stromingen door de ionkanalen van het sperma beschreef, in het bijzonder was hij in staat het gevoelige calciumkanaal CatSper te openen.

Eigenschappen van ionkanalen

Selectiviteit is de selectief verhoogde permeabiliteit van IR voor bepaalde ionen. Voor andere ionen is de permeabiliteit verminderd. Deze selectiviteit wordt bepaald door het selectieve filter - het smalste punt van de kanaalporie. Het filter kan, naast zijn smalle afmetingen, ook een lokale elektrische lading hebben. Kationselectieve kanalen hebben bijvoorbeeld gewoonlijk negatief geladen aminozuurresiduen in het eiwitmolecuul in hun selectieve filtergebied, die positieve kationen aantrekken en negatieve anionen afstoten, waardoor ze niet door de porie kunnen gaan.

Gecontroleerde permeabiliteit is het vermogen van de IR om te openen of te sluiten onder bepaalde controle-invloeden op het kanaal. Een gesloten kanaal heeft een verminderde doorlaatbaarheid, terwijl een open kanaal een verhoogde doorlaatbaarheid heeft. Op basis van deze eigenschap kunnen IC's worden geclassificeerd afhankelijk van de methoden van opening: bijvoorbeeld spanningsgeactiveerd, ligand-geactiveerd, enz.

Inactivatie is het vermogen van IC's, enige tijd na opening, om hun permeabiliteit automatisch te verminderen, zelfs in het geval dat de activerende factor die ze heeft geopend, blijft werken. Snelle inactivatie is een speciaal proces met een eigen speciaal mechanisme, anders dan langzame kanaalsluiting (langzame inactivatie). Het sluiten (langzame inactivering) van het kanaal vindt plaats als gevolg van processen die tegengesteld zijn aan de processen die de opening ervan hebben verzekerd, d.w.z. als gevolg van veranderingen in de conformatie van het kanaaleiwit. Maar in spanningsgeactiveerde kanalen vindt bijvoorbeeld snelle inactivering plaats met behulp van een speciale moleculaire "plug-plug", die doet denken aan een plug aan een ketting, die meestal in baden wordt gebruikt. Deze plug is een aminozuur (polypeptide) lus met een verdikking aan het uiteinde in de vorm van drie aminozuren, die de interne monding van het kanaal vanaf de cytoplasmatische kant afsluit. Dat is de reden waarom spanningsafhankelijke IR voor natrium, die zorgt voor de ontwikkeling van een actiepotentiaal en de beweging van een zenuwimpuls, natriumionen slechts enkele milliseconden in de cel kan toelaten, waarna ze automatisch worden gesloten door hun moleculaire pluggen. ondanks het feit dat de depolarisatie die hen opent, blijft werken. Een ander mechanisme van IR-inactivatie kan modificatie van de intracellulaire monding van het kanaal door extra subeenheden zijn.

Blokkeren is het vermogen van de IR, onder invloed van blokkerende stoffen, om een ​​van zijn toestanden vast te leggen en niet te reageren op gewone controle-invloeden. In deze toestand stopt het kanaal eenvoudigweg met het geven van reacties op stuuringangen. De verstopping wordt veroorzaakt door blokkerende stoffen, die antagonisten, blokkers of lytica kunnen worden genoemd. Antagonisten zijn stoffen die het activerende effect van andere stoffen op de IR verstoren. Dergelijke stoffen kunnen goed binden aan de receptorplaats van de IR, maar zijn niet in staat de toestand van het kanaal te veranderen of de reactie ervan te veroorzaken. Dit resulteert in een blokkade van de receptor en daarmee ook in een blokkade van de IR. Er moet aan worden herinnerd dat antagonisten niet noodzakelijkerwijs een volledige blokkering van de receptor en de IR ervan veroorzaken; ze kunnen zwakker werken en alleen het werk van het kanaal remmen (onderdrukken), maar dit niet volledig stoppen een zwak stimulerend effect op de receptor, maar tegelijkertijd blokkeren ze de werking van natuurlijke endogene controlestoffen. Blokkers zijn stoffen die de werking van een ionkanaal verstoren, bijvoorbeeld de interactie van een mediator met zijn moleculaire receptor, en daardoor de controle over het kanaal verstoren en het blokkeren. De werking van acetylcholine wordt bijvoorbeeld geblokkeerd door anticholinergische geneesmiddelen; noradrenaline met adrenaline - adrenerge blokkers; histamine - histamineblokkers, enz. Veel blokkers worden als medicijn voor therapeutische doeleinden gebruikt. Lytica zijn dezelfde blokkers, de term is ouder en wordt gebruikt als synoniem voor een blokker: anticholinergicum, adrenolytisch, enz.

Plasticiteit is het vermogen van IR om zijn eigenschappen, zijn kenmerken, te veranderen. Het meest voorkomende mechanisme dat voor plasticiteit zorgt, is de fosforylatie van aminozuren van kanaaleiwitten aan de binnenkant van het membraan door proteïnekinase-enzymen. Fosforresiduen van ATP of GTP worden aan kanaaleiwitten gehecht - en het kanaal verandert zijn eigenschappen. Het bevindt zich bijvoorbeeld in een constant gesloten toestand, of, omgekeerd, in een open toestand.

Volgens moderne concepten vormen biologische membranen de buitenste schil van alle dierlijke cellen en vormen ze talrijke intracellulaire organellen. Het meest karakteristieke structurele kenmerk is dat membranen altijd gesloten ruimtes vormen, en deze microstructurele organisatie van membranen zorgt ervoor dat ze essentiële functies kunnen vervullen.

Structuur en functies van celmembranen.

1. De barrièrefunctie komt tot uiting in het feit dat het membraan, met behulp van geschikte mechanismen, deelneemt aan het creëren van concentratiegradiënten, waardoor vrije diffusie wordt voorkomen. In dit geval neemt het membraan deel aan de mechanismen van elektrogenese. Deze omvatten mechanismen voor het creëren van een rustpotentieel, het genereren van een actiepotentiaal, mechanismen voor de voortplanting van bio-elektrische impulsen over homogene en heterogene prikkelbare structuren.

2. De regulerende functie van het celmembraan is de fijne regulatie van intracellulaire inhoud en intracellulaire reacties als gevolg van de ontvangst van extracellulaire biologisch actieve stoffen, wat leidt tot veranderingen in de activiteit van enzymsystemen van het membraan en de lancering van mechanismen van secundaire “ boodschappers” (“tussenpersonen”).

3. Omzetting van externe prikkels van niet-elektrische aard in elektrische signalen (in receptoren).

4. Vrijgave van neurotransmitters in synaptische uiteinden.

Moderne methoden van elektronenmicroscopie bepaalden de dikte van celmembranen (6-12 nm). Chemische analyse toonde aan dat de membranen voornamelijk bestaan ​​uit lipiden en eiwitten, waarvan de hoeveelheid varieert tussen verschillende celtypen. De moeilijkheid bij het bestuderen van de moleculaire mechanismen van het functioneren van celmembranen is te wijten aan het feit dat bij het isoleren en zuiveren van celmembranen hun normale werking wordt verstoord. Momenteel kunnen we praten over verschillende soorten celmembraanmodellen, waarvan het vloeibare mozaïekmodel het meest wijdverspreid is.

Volgens dit model wordt het membraan weergegeven door een dubbellaag van fosfolipidemoleculen, zodanig georiënteerd dat de hydrofobe uiteinden van de moleculen zich in de dubbellaag bevinden en de hydrofiele uiteinden in de waterfase zijn gericht. Deze structuur is ideaal voor het vormen van een scheiding tussen twee fasen: extra- en intracellulair.

Bolvormige eiwitten zijn geïntegreerd in de fosfolipidedubbellaag, waarvan de polaire gebieden een hydrofiel oppervlak vormen in de waterfase. Deze geïntegreerde eiwitten vervullen verschillende functies, waaronder receptor-, enzymatische, ionenkanalen vormen, membraanpompen zijn en transporteurs van ionen en moleculen.

Sommige eiwitmoleculen diffunderen vrijelijk in het vlak van de lipidelaag; in de normale toestand veranderen delen van eiwitmoleculen die aan verschillende kanten van het celmembraan verschijnen niet van positie.

Elektrische kenmerken van membranen:

Capacitieve eigenschappen worden voornamelijk bepaald door de fosfolipidedubbellaag, die ondoordringbaar is voor gehydrateerde ionen en tegelijkertijd dun genoeg (ongeveer 5 nm) om efficiënte ladingsscheiding en -opslag en elektrostatische interactie van kationen en anionen te bieden. Bovendien zijn de capacitieve eigenschappen van celmembranen een van de redenen die de tijdskarakteristieken bepalen van elektrische processen die plaatsvinden op celmembranen.

Geleidbaarheid (g) is het omgekeerde van elektrische weerstand en is gelijk aan de verhouding van de totale transmembraanstroom voor een bepaald ion tot de waarde die het transmembraanpotentiaalverschil bepaalde.

Verschillende stoffen kunnen door de fosfolipidedubbellaag diffunderen, en de mate van permeabiliteit (P), dat wil zeggen het vermogen van het celmembraan om deze stoffen door te laten, hangt af van het verschil in concentraties van de diffunderende stof aan beide zijden van het membraan, de oplosbaarheid ervan. in lipiden en de eigenschappen van het celmembraan.

De geleidbaarheid van een membraan is een maatstaf voor de ionische permeabiliteit. Een toename van de geleidbaarheid duidt op een toename van het aantal ionen dat door het membraan gaat.

Structuur en functies van ionkanalen. Na+, K+, Ca2+, Cl-ionen dringen de cel binnen en verlaten deze via speciale met vloeistof gevulde kanalen. De kanaalgrootte is vrij klein.

Alle ionkanalen zijn onderverdeeld in de volgende groepen:

1. Door selectiviteit:

a) Selectief, d.w.z. specifiek. Deze kanalen zijn permeabel voor strikt gedefinieerde ionen.

b) Laag-selectief, niet-specifiek, zonder specifieke ionenselectiviteit. Er zijn er een klein aantal in het membraan.

1. Afhankelijk van de aard van de ionen die er doorheen gaan:

a) kalium

b) natrium

c) calcium

d) chloor

1. Volgens de snelheid van inactivatie, d.w.z. sluiten:

a) snel inactiverend, d.w.z. verandert snel in een gesloten toestand. Ze zorgen voor een snel toenemende reductie van MP en een even snel herstel.

b) langzaam werkend. Hun opening veroorzaakt een langzame afname van MP en het langzame herstel ervan.

4. Volgens openingsmechanismen:

a) potentiaalafhankelijk, d.w.z. degenen die openen op een bepaald niveau van membraanpotentiaal.

b) chemo-afhankelijk, openend wanneer de chemoreceptoren van het celmembraan worden blootgesteld aan fysiologisch actieve stoffen (neurotransmitters, hormonen, enz.).

Er is nu vastgesteld dat ionkanalen de volgende structuur hebben:

1. Selectief filter gelegen aan de monding van het kanaal. Het zorgt voor de doorgang van strikt gedefinieerde ionen door het kanaal.

2. Activeringspoorten die openen bij een bepaald niveau van membraanpotentiaal of de werking van de overeenkomstige PAS. De activeringspoort van potentiaalafhankelijke kanalen heeft een sensor die ze opent op een bepaald MP-niveau.

3. Inactivatiepoort, die zorgt voor de sluiting van het kanaal en het stoppen van de ionenstroom door het kanaal op een bepaald MP-niveau (figuur).

Niet-specifieke ionkanalen hebben geen poort.

Selectieve ionkanalen kunnen in drie toestanden bestaan, die worden bepaald door de positie van de activerings- (m) en inactivatiepoorten (h):

1. Gesloten wanneer de activeringsschakelaars gesloten zijn en de inactiveringsschakelaars open zijn.

2. Geactiveerd, beide poorten zijn open.

3. Geïnactiveerd, de activeringspoort is open en de inactivatiepoort is gesloten

Functies van ionkanalen:

1. Kalium (in rust) – vorming van rustpotentieel

2. Natrium – vorming van actiepotentiaal

3. Calcium – langzame actiegeneratie

4. Kalium (vertraagde rectificatie) – zorgt voor repolarisatie

5. Kalium-calcium-geactiveerd – beperkt depolarisatie veroorzaakt door Ca+2-stroom

De functie van ionkanalen wordt op verschillende manieren bestudeerd. De meest gebruikelijke methode is spanningsklem, of “spanningsklem”. De essentie van de methode is dat met behulp van speciale elektronische systemen tijdens het experiment de membraanpotentiaal wordt veranderd en op een bepaald niveau wordt vastgelegd. In dit geval wordt de grootte van de ionenstroom die door het membraan stroomt gemeten. Als het potentiaalverschil constant is, dan is, in overeenstemming met de wet van Ohm, de stroomsterkte evenredig met de geleidbaarheid van de ionenkanalen. Als reactie op stapsgewijze depolarisatie gaan bepaalde kanalen open en komen de overeenkomstige ionen de cel binnen langs een elektrochemische gradiënt, dat wil zeggen dat er een ionenstroom ontstaat die de cel depolariseert. Deze verandering wordt gedetecteerd door een controleversterker en er wordt een elektrische stroom door het membraan geleid, even groot maar tegengesteld in richting aan de membraanionenstroom. In dit geval verandert het transmembraanpotentiaalverschil niet.

Het bestuderen van de functie van individuele kanalen is mogelijk met behulp van de methode van lokale fixatie van het “path-clamp”-potentieel. Een glazen micro-elektrode (micropipet) wordt gevuld met een zoutoplossing, tegen het oppervlak van het membraan gedrukt en er ontstaat een licht vacuüm. In dit geval wordt een deel van het membraan naar de micro-elektrode gezogen. Als er een ionenkanaal in de zuigzone verschijnt, wordt de activiteit van een enkel kanaal geregistreerd. Het systeem van irritatie en registratie van kanaalactiviteit verschilt weinig van het spanningsregistratiesysteem.

De stroom door een enkel ionenkanaal heeft een rechthoekige vorm en is in amplitude dezelfde voor kanalen van verschillende typen. De duur van het verblijf van het kanaal in de open toestand is probabilistisch, maar hangt af van de waarde van het membraanpotentieel. De totale ionenstroom wordt bepaald door de waarschijnlijkheid dat een bepaald aantal kanalen zich in elke specifieke tijdsperiode in de open toestand bevindt.

Het buitenste deel van het kanaal is relatief toegankelijk voor studie; het binnenste deel levert aanzienlijke problemen op. PG Kostyuk ontwikkelde een methode voor intracellulaire dialyse, waarmee men de functie van de invoer- en uitvoerstructuren van ionkanalen kan bestuderen zonder het gebruik van micro-elektroden. Het bleek dat het deel van het ionenkanaal dat open is naar de extracellulaire ruimte qua functionele eigenschappen verschilt van het deel van het kanaal dat naar de intracellulaire omgeving is gericht.

Het zijn ionkanalen die zorgen voor twee belangrijke eigenschappen van het membraan: selectiviteit en geleidbaarheid.

De selectiviteit of selectiviteit van het kanaal wordt verzekerd door zijn speciale eiwitstructuur. De meeste kanalen worden elektrisch bestuurd, dat wil zeggen dat hun vermogen om ionen te geleiden afhangt van de grootte van de membraanpotentiaal. Het kanaal is heterogeen wat betreft zijn functionele kenmerken, vooral met betrekking tot de eiwitstructuren die zich bij de ingang van het kanaal en bij de uitgang ervan bevinden (de zogenaamde poortmechanismen).

Laten we het werkingsprincipe van ionkanalen bekijken met het natriumkanaal als voorbeeld. Er wordt aangenomen dat het natriumkanaal in rust gesloten is. Wanneer het celmembraan tot een bepaald niveau is gedepolariseerd, gaat de m-activeringspoort open (activatie) en neemt de stroom Na+-ionen de cel in. Enkele milliseconden nadat de m-poort opent, sluit de h-poort aan de uitgang van de natriumkanalen (inactivatie). Inactivatie ontwikkelt zich zeer snel in het celmembraan en de mate van inactivatie hangt af van de omvang en het tijdstip van werking van de depolariserende stimulus.

Wanneer een enkel actiepotentiaal wordt gegenereerd in een dikke zenuwvezel, bedraagt ​​de verandering in de concentratie van Na+-ionen in de interne omgeving slechts 1/100.000 van het interne Na+-ionengehalte van het reuzenaxon van de inktvis.

Naast natrium worden er in celmembranen ook andere soorten kanalen geïnstalleerd die selectief permeabel zijn voor individuele ionen: K+, Ca2+, en er zijn verschillende kanalen voor deze ionen.

Hodgkin en Huxley formuleerden het principe van ‘onafhankelijkheid’ van kanalen, volgens hetwelk de stroom van natrium en kalium door het membraan onafhankelijk van elkaar is.

De geleidbaarheidseigenschappen van verschillende kanalen zijn niet hetzelfde. In het bijzonder bestaat er voor kaliumkanalen geen inactivatieproces, zoals voor natriumkanalen. Er zijn speciale kaliumkanalen die worden geactiveerd wanneer de intracellulaire calciumconcentratie stijgt en het celmembraan depolariseert. Activering van kalium-calcium-afhankelijke kanalen versnelt de repolarisatie, waardoor de oorspronkelijke waarde van het rustpotentiaal wordt hersteld.

Calciumkanalen zijn van bijzonder belang. De binnenkomende calciumstroom is meestal niet groot genoeg om het celmembraan normaal te depolariseren. Meestal fungeert calcium dat de cel binnenkomt als een ‘boodschapper’ of secundaire boodschapper. Activering van calciumkanalen wordt bereikt door depolarisatie van het celmembraan, bijvoorbeeld door een inkomende natriumstroom.

Het proces van inactivatie van calciumkanalen is behoorlijk complex. Enerzijds leidt een toename van de intracellulaire concentratie van vrij calcium tot inactivatie van calciumkanalen. Aan de andere kant binden eiwitten in het cytoplasma van cellen calcium, wat het mogelijk maakt om lange tijd een stabiele calciumstroom te behouden, zij het op een laag niveau; in dit geval wordt de natriumstroom volledig onderdrukt. Calciumkanalen spelen een essentiële rol in hartcellen. De elektrogenese van hartspiercellen wordt besproken in Hoofdstuk 7. De elektrofysiologische kenmerken van celmembranen worden bestudeerd met behulp van speciale methoden.

Volgens moderne concepten vormen biologische membranen de buitenste schil van alle levende cellen. Een van de belangrijkste structurele kenmerken is dat membranen altijd gesloten ruimtes vormen. Dit feit helpt hen de belangrijkste functies uit te voeren:

Barrière (creëren van concentratiegradiënten, die de vrije diffusie van stoffen verhinderen). Dit zorgt voor het creëren van een rustpotentiaal en het genereren van een actiepotentiaal.

Regulerend (fijne regulatie van intracellulaire inhoud en intracellulaire reacties als gevolg van de ontvangst van biologisch actieve stoffen, wat leidt tot veranderingen in de activiteit van membraan-enzymatische systemen en de lancering van mechanismen van secundaire boodschappers (tussenpersonen).

Omzetting van stimulusenergie in elektrische signalen (in receptoren).

Vrijgave van neurotransmitters in synoptische eindes.

Chemische analyse toonde aan dat de membranen voornamelijk bestaan ​​uit lipiden en eiwitten, waarvan de hoeveelheid varieert tussen verschillende celtypen. Momenteel is dit het meest erkende vloeibare mozaïekmodel van het celmembraan.

Volgens dit model wordt het membraan weergegeven door een dubbellaag van fosfolipidemoleculen. In dit geval bevinden de hydrofobe uiteinden van de moleculen zich in de dubbellaag en zijn de hydrofiele uiteinden in de waterfase gericht, wat bijdraagt ​​​​aan de vorming van een scheiding tussen twee fasen: extra- en intracellulair. Bolvormige eiwitten zijn geïntegreerd in de fosfolipidedubbellaag, waarvan de polaire gebieden een hydrofiel oppervlak vormen in de waterfase. Deze geïntegreerde eiwitten vervullen verschillende functies:

receptor,

enzymatisch,

ionenkanalen vormen

zijn membraanpompen,

transporteren ionen en moleculen.

Algemeen begrip van de structuur en functie van ionkanalen.

Ionenkanalen zijn speciale formaties in het celmembraan, die oligomere (bestaande uit verschillende subeenheden) eiwitten zijn. De centrale formatie van het kanaal is een eiwitmolecuul dat het membraan zodanig binnendringt dat in het hydrofiele centrum een ​​kanaalporie wordt gevormd, waardoor verbindingen waarvan de diameter de diameter van de porie niet overschrijdt (meestal ionen) kunnen binnendringen. de cel.

Rond de hoofdsubeenheid van het kanaal bevindt zich een systeem van verschillende subeenheden die plaatsen vormen voor interactie met membraanregulerende eiwitten, verschillende mediatoren en farmacologisch actieve stoffen.

Classificatie van ionkanalen volgens hun functies:

1) afhankelijk van het aantal ionen waarvoor het kanaal permeabel is, worden de kanalen verdeeld in selectief (permeabel voor slechts één type ion) en niet-selectief (permeabel voor verschillende soorten ionen);

2) door de aard van de ionen die ze door de Na +, Ca ++, Cl -, K + kanalen passeren;

3) volgens de regelingsmethode zijn ze onderverdeeld in spanningsafhankelijk en spanningsonafhankelijk. Spanningsafhankelijke kanalen reageren op veranderingen in het celmembraanpotentieel, en wanneer het potentieel een bepaalde waarde bereikt, komt het kanaal in een actieve toestand en begint het ionen door te geven langs hun concentratiegradiënt. Natrium- en snelle calciumkanalen zijn dus spanningsafhankelijk; hun activering vindt plaats wanneer de membraanpotentiaal afneemt tot -50-60 mV, terwijl de stroom van Na+- en Ca++-ionen in de cel een daling van de rustpotentiaal veroorzaakt en de generatie AP. Spanningsafhankelijke kaliumkanalen worden geactiveerd tijdens de ontwikkeling van AP en zorgen voor een stroom K+-ionen uit de cel en veroorzaken membraanrepolarisatie.

Spanningsonafhankelijke kanalen reageren niet op veranderingen in de membraanpotentiaal, maar op de interactie van de receptoren waarmee ze verbonden zijn en hun liganden. Cl-kanalen zijn dus geassocieerd met g-aminoboterzuurreceptoren en wanneer deze receptoren ermee interageren, worden ze geactiveerd en zorgen ze voor een stroom chloorionen de cel in, wat hyperpolarisatie en verminderde prikkelbaarheid veroorzaakt.

3. Rustmembraanpotentiaal en zijn oorsprong.

De termijn "membraanpotentiaal vrede » Het is gebruikelijk om het transmembraanpotentiaalverschil te noemen dat bestaat tussen het cytoplasma en de externe oplossing rondom de cel. Wanneer een cel (vezel) zich in een staat van fysiologische rust bevindt, is de interne lading negatief in verhouding tot de externe lading, die conventioneel als nul wordt beschouwd. In verschillende weefsels wordt het membraanpotentiaal gekenmerkt door verschillende waarden: de grootste in spierweefsel is -80-90 mV, in zenuwweefsel -70 mV, in bindweefsel -35-40 mV, in epitheelweefsel -20 mV.

De vorming van MPP hangt af van de concentratie van K+, Na+, Ca 2+, Cl-ionen en van de structurele kenmerken van het celmembraan. In het bijzonder hebben de in het membraan aanwezige ionenkanalen de volgende eigenschappen:

1. Selectiviteit (selectieve permeabiliteit)

2. Elektrische prikkelbaarheid.

In rust zijn de natriumkanalen allemaal gesloten, terwijl de meeste kaliumkanalen open zijn. Kanalen kunnen openen en sluiten. In het membraan zijn er lekkage kanalen(niet-specifiek), die doordringbaar zijn voor alle elementen, maar beter doordringbaar voor kalium. Kaliumkanalen zijn altijd open en ionen bewegen door deze kanalen langs een concentratie- en elektrochemische gradiënt.

Volgens de membraanionentheorie is de aanwezigheid van MPP te wijten aan:

continue beweging van ionen door de ionenkanalen van het membraan,

een voortdurend bestaand verschil in kationconcentraties aan beide zijden van het membraan,

continue werking van de natrium-kaliumpomp.

verschillende permeabiliteit van kanalen voor deze ionen.

Er zijn veel K+-ionen in de cel, maar weinig daarbuiten, Na+ - integendeel, veel buiten de cel en weinig in de cel. Buiten de cel bevinden zich iets meer Cl-ionen dan binnen de cel. Er bevinden zich veel organische anionen in de cel, die voornamelijk zorgen voor een negatieve lading op het binnenoppervlak van het membraan.

In rust is het celmembraan alleen permeabel voor K+-ionen. Kaliumionen in rust komen voortdurend vrij in het milieu, waar een hoge concentratie Na+ aanwezig is. Daarom is het buitenoppervlak van het membraan in rust positief geladen. Hoogmoleculaire organische anionen (eiwitten) zijn geconcentreerd aan de binnenkant van het membraan en bepalen de negatieve lading ervan. Ze houden elektrostatisch K+-ionen vast aan de andere kant van het membraan. De hoofdrol bij de vorming van MPP behoort toe aan K-ionen + .

Ondanks de stroom van ionen door de lekkanalen wordt het verschil in ionenconcentratie niet geëgaliseerd, d.w.z. blijft altijd constant. Dit gebeurt niet omdat er Na+-K+-pompen in membranen bestaan. Ze pompen voortdurend Na+ uit de cel en introduceren K+ tegen de concentratiegradiënt in het cytoplasma. Voor 3 Na+-ionen die uit de cel worden verwijderd, worden er 2 K+-ionen naar binnen gebracht. De overdracht van ionen tegen de concentratiegradiënt in wordt uitgevoerd door actief transport (met energieverbruik). Bij gebrek aan ATP-energie sterft de cel.

De aanwezigheid van een rustpotentiaal zorgt ervoor dat een cel vrijwel onmiddellijk na de actie van een stimulus van een staat van functionele rust naar een staat van excitatie kan gaan.

Bij opwinding neemt de waarde van het initiële rustpotentiaal af naarmate het membraan wordt opgeladen. Wanneer de interne lading van het membraan minder negatief wordt, depolariseert het membraan en begint zich een actiepotentiaal te ontwikkelen.

4. Actiepotentieel en mechanisme van zijn oorsprong.

De relatie tussen de fasen van prikkelbaarheid en de fasen van het actiepotentiaal.

Actiepotentiaal Dit wordt een snelle oscillatie van het membraanpotentiaal genoemd, die optreedt wanneer zenuw-, spier- en secretoire cellen worden opgewonden. Het is gebaseerd op veranderingen in de ionische permeabiliteit van het membraan. De amplitude en aard van veranderingen in het actiepotentiaal hangen weinig af van de sterkte van de stimulus die deze veroorzaakt; het is alleen belangrijk dat deze sterkte niet minder is dan een bepaalde kritische waarde, die de irritatiedrempel wordt genoemd.

Drempel van irritatie- dit is de minimale kracht waarbij een minimale respons optreedt. Om de irritatiedrempel te karakteriseren, wordt het concept gebruikt rheobase(reo – stroom, basis – hoofd).

Naast drempelwaarden zijn er stimuli onder de drempel, die geen reactie kunnen veroorzaken, maar een verschuiving in de stofwisseling in de cel veroorzaken. Er zijn ook bovendrempelige stimuli.

Nadat het is ontstaan, verspreidt de PD zich langs het membraan, zonder te veranderen zijn amplitude. Het onderscheidt fasen:

Depolarisatie:

a) langzame depolarisatie;

b) snelle depolarisatie.

Repolarisatie:

a) snelle repolarisatie;

b) langzame repolarisatie (negatieve spoorpotentiaal)

Hyperpolarisatie (positief sporenpotentieel)