Ионные каналы

Ионные каналы образованы белками, они весьма разнообразны по устройству и механизму действия. Известно более 50 каналов различных клеток, каждая нервная клетка содержит более пяти разных каналов.

А. Классификация ионных каналов. Классифицируют ионные каналы по нескольким признакам.

1. По возможности управления функцией различают неуправляемые (каналы утечки ионов) и управляемые каналы. Через неуправляемые каналы ионы перемещаются постоянно, но медленно, естественно, при наличии электрохимического градиента, как и в случае быстрого перемещения ионов по управляемым каналам. Последние могут быть быстрыми и медленными. Потенциал действия в нейроне возникает в основном вследствие активации быстрых Na- и К-каналов. Управляемые каналы имеют ворота с механизмами их управления, поэтому ионы через них могут проходить только при открытых воротах.

2. В зависимости от стимула, активирующего или инактивирующего управляемые ионные каналы, основными каналами нейронов ЦНС являются потенциалчувствительные и хемочувствительные каналы. При взаимодействии медиатора (лиганда) с рецепторами хемочувствительного канала, расположенного на поверхности клеточной мембраны, может происходить открытие его ворот, поэтому хемочувствительный канал называют также рецепторуправляемым каналом. Лиганд - это биологически активное вещество или фармакологический препарат, активирующий или блокирующий рецептор. Открытие хемочувствительных каналов происходит в результате конформационных изменений рецепторного комплекса. Ворота потенциалзависимых каналов открываются и закрываются при изменении величины мембранного потенциала. Поэтому в конструкции их воротного механизма должны быть частицы, несущие электрический заряд.

3. В зависимости от селективности различают ионоселективные каналы, пропускающие только один ион, и каналы, не обладающие селективностью. В нейронах имеются Na-,К-, Са- и С1-селективные каналы. Есть каналы, пропускающие несколько ионов, например, Na^+, К⁺ и Са²⁺, т.е. не обладающие селективностью. Наиболее высока степень селективности потенциалчувствительных (потенциалзависимых) каналов, несколько ниже она у хемочувствительных (рецепторзависимых) каналов, постсинаптических мембран, через каналы которых могут одновременно проходить ионы Na⁺ и К⁺.

4. Для одного и того же иона может быть несколько видов каналов. Наиболее важными из них для формирования биопотенциалов являются следующие.

Каналы для ионов К⁺. Калиевые неуправляемые каналы покоя (каналы утечки), через которые постоянно выходит К⁺ из клетки, что является главным фактором в формировании мембранного потенциала (потенциала покоя). Потенциалчувствительные управляемые К-каналы, сравнительно медленно активирующиеся при возбуждении клетки в фазу деполяризации с последующим ускорением активации, что обеспечивает быстрый выход ионов К⁴' из клетки и ре-поляризацию ее (см. раздел 3.4).

Каналы для ионов Na⁺. Они бывают быстрые и медленные (утечки). Быстрые Na-каналы потенциалчувствительны, быстро активируются при уменьшении мембранного потенциала, что обеспечивает вход иона Na⁺ в клетку во время ее возбуждения (восходящая часть). Затем эти каналы быстро инактивируются. Медленные неуправляемые Na-каналы - каналы утечки, через которые ион Na⁺ постоянно диффундирует в клетку и переносит с собой другие молекулы, например глюкозу, аминокислоты, молекулы-переносчики. Таким образом, Na-каналы утечки обеспечивают вторичный транспорт веществ и участие ионов Na⁺ в формировании мембранного потенциала (см. раздел 3.3).

Б. Устройство ионных каналов и их функционирование. Каналы имеют устье и селективный фильтр, а управляемые каналы - и воротный механизм. Они заполнены жидкостью, размеры каналов 0,3-0,8 нм. Селективность ионных каналов определяется их размером и наличием в канале заряженных частиц. Эти частицы имеют заряд, противоположный заряду иона, который они притягивают, что обеспечивает проход иона через данный канал (одноименные заряды, как известно, отталкиваются). Через ионные каналы могут проходить и незаряженные частицы. Ионы, проходя через канал, должны избавиться от гидратной оболочки, иначе их размеры будут больше размеров канала. Например, диаметр иона Na⁺ с гидратной оболочкой равен 0,3 нм, а без гидратной оболочки - 0,19 нм. Слишком мелкий ион, проходя через селективный фильтр, не может отдать гидратную оболочку, поэтому он не может пройти через канал. Однако, по-видимому, имеются и другие механизмы селективности клеточной мембраны. Гипотеза «просеивания» не в состоянии объяснить, например, почему ион К⁺ не проходит через открытые Na-каналы в начале цикла возбуждения клетки, но тем не менее она дает удовлетворительное, а в некоторых случаях и абсолютно убедительное объяснение избирательной (селективной) проницаемости клеточных мембран для разных частиц и ионов.

В. Особенности функционирования различных видов управляемых каналов. Такие каналы отличаются по степени селективности. Наиболее высока степень селективности потенциалчувствительных (потенциалзависимых) каналов. У каналов разных видов может наблюдаться или отсутствовать взаимодействие между собой. Так, частичная деполяризация клеточной мембраны за счет активации хемочувствительных каналов может привести к активации потенциалчувствительных каналов, например, для ионов Na⁺, что обеспечивает возбуждение нейрона. Однако активация потенциалчувствительных каналов не влияет на функцию хемочувствительных каналов нейронов.

Г. Ионные каналы блокируются специфическими веществами и фармакологическими препаратами. Новокаин, например, как местный анестетик снимает болевые ощущения потому, что он, блокируя Na-каналы, прекращает проведение возбуждения по нервным волокнам.