ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Ионные каналы клеточных мембран из "Биофизика" Это и ряд других соображений дали основание считать, что в мембране должны быть некоторые специальные структуры -проводящие ионы. Такие структуры были найдены и названы ионными каналами. Подобные каналы выделены из различных объектов плазматической мембраны клеток, постсинаптичес-кой мембраны мышечных клеток и других объектов. Известны также ионные каналы, образованные антибиотиками. [c.97] Еще в первых опытах на аксоне кальмара было обнаружено, что ионы Ма+ и по-разному влияют на мембранный потенциал. Ионы меняют потенциал покоя, а ионы Ма+ - потенциал действия. В модели Ходжкина-Хаксли (см. 13) это описывается путем введения независимых калиевых и натриевых ионных каналов. Предполагалось, что первые пропускают только ионы К , а вторые - только ионы Ма+. [c.98] Те трансмембранные токи, которые измеряют в обычных экспериментах, например, на аксоне кальмара длиной 1 см и диаметром 1 мм, то есть площадью 3 10 мкм , обусловлены суммарным ответом (изменением проводимости) 500 3 10 - 10 ионных каналов. Для такого ответа характерно плавное во времени изменение проводимости (рис. 3.6). Ответ одиночного ионного канала меняется во времени принципиально иным образом дискретно и для Ма -каналов (см. рис. 4.5), и для, и для Са +-каналов (см. описание ниже). [c.99] Впервые это было обнаружено в 1962 г. в исследованиях проводимости бислойных липидных мембран (БЛМ) при добавлении в раствор, омывающий мембрану, микроколичеств некоторого вещества, индуцировавшего возбуждение. На БЛМ подавали постоянное напряжение и регистрировали ток I(t). Запись тока во времени имела вид скачков между двумя проводящими состояниями. [c.99] Одним из эффективных методов экспериментального исследования ионных каналов стал разработанный в 80-е годы метод локальной фиксации потенциала мембраны ( Pat h lamp ), (рис. 4.4). [c.99] Результаты экспериментов, выполненных на различных ионных каналах, показали, что проводимость ионного канала дискретна и он может находиться в двух состояниях открытом или закрытом. Переходы между состояниями происходят в случайные моменты времени и подчиняются статистическим закономерностям. Нельзя сказать, что данный ионный канал откроется именно в этот момент времени. Можно лишь сделать утверждение о вероятности открывания канала в определенном интервале времени. [c.100] Рассмотрим токи через одиночные Ка -каналы. [c.100] Канал за время одного такого деполяризующего сдвига открывался лишь один раз на время которое будем называть временем открытого состояния канала. [c.100] Среднее значение для Ка+-канала 0,7 мс (от 0,3 до 1,5 мс). [c.100] Одиночный канал может открыться раньше (1-й опыт) или позже (М-й опыт). Время, в течение которого вероятность открывания отдельного канала велика, будем называть временем жизни каналов Т , Т . Для натриевых каналов Т = 2 мс. [c.100] Таким образом, процесс открытия натриевых каналов - процесс стохастический сдвиг ф выше порогового значения увеличивает вероятность открывания каналов, то есть идет процесс их активации. По прошествии времени жизни каналов Т вероятность их открывания падает до нуля и этот процесс называется инактивацией Ма+-тока. [c.100] Экспериментальные записи токов одиночных каналов сложнее приведенных на рис. 4.5. Это определяется, во-первых, малыми величинами регистрируемых токов по сравнению с токами шумов и, во-вторых, нестабильностью работы самих каналов. [c.100] Несмотря на то, что ток через каждый ионный канал меняется скачком, зависимость суммарного трансмембранного тока во времени плавная (см. рис. 4.8). Этот феномен можно объяснить, используя методы статистической физики. [c.101] При больших N относительные флуктуации ничтожны. Для совокупности N = 10 ионных каналов, расположенных на участке аксона кальмара, флуктуация тока составляет 10 (0,001 %) от среднего значения тока через мембрану, то есть флуктуации тока при измерениях в этом случае практически не заметны. Для маленьких клеток, в которых может быть порядка 10 ионных каналов, относительные флуктуации более суш,ественны 1/710 (3%) см. (рис. 4.5,в). [c.102] Токи одиночных К+-каналов имеют амплитуду до 2 пА, а среднее время открытого состояния 5 мс. Однако за это время канал может несколько раз открыться и закрыться на короткое время, то есть могут происходить осцилляции тока. В отличие от натриевых, К+-каналы не инактивируются, пока ф выше порогового значения. Отдельные каналы во время деполяризации могут открываться по нескольку раз. [c.102] Токи одиночных Са +-каналов кардиомиоцитов имеют более сложный характер по сравнению с Ка+- и К+-токами аксонов. Во время последовательных скачков деполяризации в 70 % случаев Са +-канал открывается на время = 1 мс затем через каждые 0,2 мс он закрывается и вновь открывается и пропускает ток с амплитудой импульса = 1 пА. Такой процесс активации Са +-тока длится около 130 - 200 мс, а затем наступает инактивация Са +-тока. В 30 % скачков деполяризаций кальциевый канал остается закрытым. [c.103] Плавные кинетические кривые токов, регистрируемых при электрических измерениях на больших мембранах, получаются вследствие суммации многих скачкообразных токов, протекающих через отдельные каналы. Их суммирование, как показано выше, резко уменьшает флуктуации и дает достаточно гладкие зависимости трансмембранного тока от времени. [c.103] Изучение ионных каналов в мембранах есть одна из важных задач современной биофизики. [c.104] Структура ионного канала. Ион-селективный канал состоит из следующих частей (рис. 4.6) погруженной в бислой белковой части, имеющей субъединичное строение селективного фильтра, образованного отрицательно заряженными атомами кислорода, которые жестко расположены на определенном расстоянии друг от друга и пропускают ионы только определенного диаметра воротной части. [c.104] Ворота ионного канала управляются мембранным потенциалом и могут находиться как в закрытом состоянии (штриховая линия), так и в открытом состоянии (сплошная линия). Нормальное положение ворот натриевого канала - закрытое. Под действием электрического поля увеличивается вероятность открытого состояния, ворота открываются и поток гидратированных ионов получает возможность проходить сквозь селективный фильтр. [c.104] Вернуться к основной статье