Каналы ионные натриевые

Пока представление о потенциале действия носило феноменологический характер, в дальнейшем необходимо рассмотреть лежащие в его основе молекулярные процессы. В гл. 6 эти вопросы обсуждаются подробно, здесь же рассмотрим лишь некоторые из них. В начале 50-х гг. английские физиологи Ходжкин и Хаксли исследовали потенциал действия и заложили основы современного понимания данного явления. Они показали, что первоначально падение потенциала (деполяризация) обусловлено утечкой ионов натрия (рис. 5.7). По достижении порогового значения ионные каналы в мембране открываются и пропускают ионы натрия. Последующая реполяризация происходит благодаря открытию специальных калиевых каналов и протока ионов калия в обратном направлении, т. е. изнутри наружу, одновременно закрываются натриевые каналы (инактивация). Из рис. 5.7 следует, что первоначально реполяризация превышает значение потенциала покоя, так как при равновесном потенциале для К+ мембрана характеризуется более высоким отрицательным зарядом, чем при потенциале покоя. Это наблюдаемое различие медленно исчезает в результате закрывания калиевого канала и восстановления натриевого потенциала покоя. Инактивация [c.117]

Открывание ионного канала, по-видимому, сложный процесс Ходжкин и Хаксли описали наблюдаемое увеличение ионной проводимости с помощью экспоненциальных уравнений (гл. 6). Несмотря на то что прошло уже более 25 лет, как они. исследовали в деталях кинетику натриевого и калиевого потоков, практически ничего неизвестно о биохимии этих процессов. Недавно разработаны методы, с помощью которых можно [c.119]

Инактивация — по-видимому, спонтанное закрывание ионных каналов, например потенциалзависимого натриевого канала мембраны клетки. [c.129]

Наряду с воротным механизмом еще одним необходимым Функциональным элементом ионного канала является селективный фильтр [9]. Проницаемость натриевого канала для Na в 12 раз выше, чем для К+, и почти такая же, как для (табл. 6.1). Прямая зависимость снижения проницаемости канала от увеличения радиуса проходящих ионов позволяет рас- [c.135]

Многие предпочитают говорить не о натриевых каналах, или порах, а о системе переноса ионов натрия, поскольку они избегают обсуждения молекулярных структур и механизма ионного транспорта через мембрану. Действует ли данная система как канал или как переносчик [12] Переносчик может обеспечить скорость потока ионов 10 ионов/с, т. е. на три порядка меньше, чем через поры. Следовательно, натриевая транспортная система функционирует как пора. Далее при биофизическом подходе механизмы переноса различаются по зависимости скорости ионного транспорта от концентрации. При существовании переносчика насыщение достигается при высоких концентрациях, когда все молекулы переносчика несут ионы, в то время как диффузия ионов через канал определяется только броуновским движением ионов и электрохимическим градиентом, т. е. отдельные ионы проходят сквозь мембрану. [c.138]

Температурный коэффициент Qio натриевой проводимости равен 1,3, что соответствует коэффициенту диффузии ионов натрия в воде. Данное значение характеризует энергетический барьер (—17 кДж/моль) и наряду с высокой константой диссоциации Ко 368 мМ) объясняет ту легкость, с которой ион натрия проходит через мембрану. Скорость диффузии Na+ составляет 10 ионов/с. Проводимость одиночного канала аксона кальмара, установленная методом шумового анализа, равна [c.140]

Этн токсины представляют большой интерес в качестве инструментов исследования при проведении биохимического анализа структуры канала, так как их связывающий центр отличается от связывающего центра ТТХ. Канал, стабилизируемый в открытом состоянии АТХ, тем не менее блокируется ТТХ если последний отмывается, инактивация натриевого канала еще более замедляется под действием АТХ. Если оба токсина не просто замещают друг друга, напрашивается вывод о том, что ионная пора (gNa) и воротный механизм (h — по уравнению Ходжкин — Хаксли) являются либо различными частями молекулы одного канала, либо отличаются полностью. [c.148]

В гл. 3 уже упоминалось, что средства, используемые для местной анестезии, увеличивают текучесть липидной мембраны. Этот процесс сопровождается латеральным расширением мембраны, что, возможно, приводит к изменению ионных каналов с последующим блокированием нервного импульса. Местные анестетики селективно снижают натриевую проводимость ыа и влияют на воротной механизм. Известно несколько гипотез, объясняющих их действие [25, 26]. Латеральное расширение может непосредственно изменить структуру натриевого канала. Однако эти же изменения могут быть обусловлены увеличением текучести мембраны функциональная конформация ионных каналов стабилизируется жидкокристаллической средой липида, состояние которой может измениться под действием препарата. [c.154]

Таблица 6.6. Относительная проницаемость натриевого канала для различных ионов

На рис. 9.13 приведены результаты для случая натриевой системы. Поскольку характерное время для натриевого канала намного меньше, чем для калиевого, как это видно из выражений для коэффициентов av и Ру, интересующая нас область сдвигается к более высоким значениям V, т. е. в сторону более коротких времен релаксации. Замечательно то, что несмотря на сходство выражений для проводимостей ионов натрия и калия отличающихся лишь степенью вспомогательной переменной V), [c.359]

Обращает на себя внимание выраженное сходство проекционных структур белка натриевого канала и ацетилхолинового рецептора [619]. Геометрические параметры проекций несколько меньше в случае белка натриевого канала. Однако в обоих случаях мембранные проекции имеют розеткообразную форму, число пиков белковой плотности у них также одинаково. В центре розеток имеется область с пониженной плотностью. В ацетилхолиновом рецепторе эта область отождествляется с устьем ионного канала. Поскольку проекционные структуры обоих мембранных каналообразующих белков сходны, предложенные на их основе модели пространственной организации также имеют много общих черт (рис. 1.78) [620]. В случае ацетилхолинового рецептора правомерность построения моделей пространственной структуры на основе электронно-микроскопических проекций была [c.207]

Многообразие ионных каналов. В последние годы чрезвычайно широко проводилось исследование ионных каналов в различных типах нервных клеток. Эти исследования позволили значительно расширить модель потенциала действия, предложенную Ходжкином и Хаксли, включающую лишь один натриевый и один калиевый канал. Большинство подобных работ было выполнено на телах нейронов моллюсков — крупных клетках, чрезвычайно удобных для внутриклеточных методов исследования с фиксацией потенциала. Полагают, что выявленные в этих исследованиях свойства мембраны тела нейрона в ка- [c.161]

Нейротоксины как инструменты исследования. Во время потенциала действия выделяют три фармакологически различных процесса активацию (открытие) канала, ионный транспорт через открытую пору и инактивацию (закрытие) канала. Нейротоксины, влияющие на потенциалзависимые натриевые каналы, по-видимому, действуют через три различных участка канала [14] участок 1 (ТТХ, STX), относящийся к транспорту ионов участок 2 (ВТХ, вератридин, актонитин), регулирующий активацию канала, и участок 3 (S TX, АТХ), регулирующий инактивацию канала (табл. 6.4). [c.150]

Каналы. Биологическая мембрана содержит ионные каналы, представляющие собой липопротеиновые комплексы сложной структуры. В узких каналах (натриевый 3,1x5,1 А, калиевый 4,5х4,5 А) возможно однорядное движение ионов, которые могут взаимодействовать друг с другом и с молекулярными группами канала. При поступлении иона в канал происходит замещение молекул воды гидратной оболочки иона на полярные группы полости канала. Увеличение свободной энергии иона при дегитрации с избытком компенсируется энергией его взаимодействия с полярными группами канала. В результате общая энергия иона снижается, что и облегчает его прохождение через канал. Наличие полярных групп, а также фиксированных анионных центров в канале приводит за счет их кулоновских взаимодействий с ионом к снижению энергетического барьера перехода иона из раствора в канал. Лучше всего проходят через канал ионы, которые прочно связываются электростатическими силами с анионным центром. Например, с небольшим отрицательным анионным центром более прочно после потери гидратной оболочки будет связываться меньший по размеру катион Ыа по сравнению с катионом К. В то же время радиус гидратированного иона Ыа больше, чем К, и без потери гидратной оболочки ион Ыа хуже проходит через относительно широкие поры в мембране. Наличие в канале фиксированных анионных центров, притягивающих катионы, облегчает их прохождение через канал, снижая энергию иона. На рис. 15.1 и 15.2 приведены энергетические профили Ыа - и К -каналов. Скорость проведения Ыа - [c.148]

Рис. 6. . а — схема нервного волокна с синапсом. Показаны системы транспорта (АТРаза) и три различные системы пассивного транспорта. Справа — хемовозбудимая транспортная система, регулируемая молекулой непроме-диатора, например канал в постсинаптической мембране мышечной концевой пластинки, пропускающий ионы калия и натрия слева — отдельно К а+- и К+-каналы в мембране аксона, управляемые электрическим полем и открываемые при деполяризации бив — проводимость натрия gNг (б) и калня ё к, (в), а также входящий натриевый /ка и выходящий калиевый /к токи после деполяризации (60 мВ). Четко дифференцированная кинетика двух процессов N3 и к подразумевает существование индивидуальных молекулярных структур для пассивного натриевого и калиевого транспорта. [c.131]

Вновь обсудим электровозбудимые каналы, которые обеспечивают пассивный транспорт ионов Ыа+ и К+. Тщательный анализ возникновения потенциала действия гигантского аксона кальмара, проведенный Ходжкин и Хаксли [1—3], показал, что существуют по крайней мере два различных (отдельных) капала после деполяризации мембраны открывается натриевый канал, обусловливающий входящий поток ионов Ыа+ через некоторое время открывается калиевый канал и поток ионов К+ устремляется в противоположном направлении (рис. 6.1). Известно, что проницаемость мембраны для ионов Ыа+ и К+ не увеличивается одновременно. Кроме того, имеются еще два факта, которые доказывают существование двух отдельных каналов. [c.132]

Как известно, существуют селективные ингибиторы для различных ионных токов. Тетродотоксии и ряд других токсинов специфически блокируют натриевый канал, не оказывая влияния на калиевый. Напротив, ион тетраэтиламмония (ТЭА) ингибирует поток ионов калия, не влияя на транспорт ионов натрия. [c.133]

Рис. 6.2. Модели электроуправляемого воротного механизма, а — электрические диполи т при деполяризации переориентируются (т. е. положительный заряд появляется на внутренней стороне мембраны аксона) от положения в состоянии покоя (верхний рис.) к активному состоянию (средний рис.). Следовательно, проход положительно заряженных ионов натрия через канал не блокируется положительными зарядами. После короткой паузы диполь h меняет направление и инактивирует канал (нижний рис.) б—альтернативный механизм, при котором вращающиеся диполи соответствуют конформационным изменениям в спиральной части мембранных молекул. (Воспроизведено с разрешения Keynes.) [8] в — функциональная модель натриевого канала, воротные частицы т н h — независимые подвижные заряды.

Хилле [10] провел серию элегантных экспериментов, позволяющих лучше понять механизм действия натриевого канала. Сравнивая проницаемость ионов щелочных металлов и органических катионов (табл. 6.2), он определил средний размер канала, составляющий 0,3-0,5 нм, и пришел к выводу, что канал окружен кольцом атомов кислорода, входящих в состав карбоксильных групп мембранного белка. Хилле считает, что селективность зависит не только от размеров проникающих ионов, но и от их способности образовывать водородные связи. Для подтверждения этой точки зрения ниже сравниваются три иона [c.137]

На основании этих и других данных Хилле заключил, что ионы натрия проникают в канал не путем простой диффузии, а в результате последовательных стадий дегидратации и связывания с компонентами канала [11]. Это означает преодоление энергетических барьеров, из которых наиболее существен фильтр селективности (рис. 6.3). Фильтр образован атомами кислорода, причем рН-зависимость натриевой проводимости показывает, что в его состав входят карбоксильные группы. [c.138]

Хотя электрофизиологические измерения вроде бы подтверждают принцип независимости, тем не менее очевидны несоответствия для систем транспорта натрия и калия. То, что ионные каналы возбудимой мембраны надо рассматривать не как простые отверстия, может быть доказано тем, что насыщение при высокой концентрации ионов аналогично насыщению фермента субстратом, а также взаимной конкуренцией между ионами Na+ и непроникающими ионами, которые блокируют канал. Модель Хилле свидетельствует о том же, демонстрируя возможность натриевого канала связывать одновременно только один ион Na+ с константой диссоциации Ко 368 мМ. В классической модели лиганд соединяется с молекулой переносчика и переносится с внешней поверхности мембраны на внутреннюю, где ион высвобождается. В данном случае этот механизм не наблюдается. Следовательно, натриевая транспортная система должна рассматриваться как канал с катионсвязывающим центром (и воротной системой) в отличие от переносчика канал пронизывает мембрану и является неподвижным. [c.140]

Еще одна трудность выделения натриевых каналов связана с их сравнительной нестабильностью вне мембраны. Пока известны лишь следующие биохимические характеристики канала ТТХ-связывающий компонент мембраны аксона с 230 ООО (по данным метода инактивации радиацией) или 260 000 (определено биохимическими методами), коэффициент седимента-. ции 9,2 этот компонент инактивируется протеазами, при нагревании и при обработке ионными детергентами (додецилсуль-фатом натрия). Часть натриевого канала, ответственная за связывание ТТХ или STX, построена, по крайней мере частично, из белка СИ]- Молекулярная масса натриевого канала синаптосом мозга равна в целом 320 ООО, что обусловлено присутствием двух небольших полипептидных цепей (37 ООО и 39 ООО) и одной большой (260 000). Однако нельзя исключить, что другие молекулы, липиды или углеводы частично или полностью не участвуют в транспорте ионов Na+. [c.142]

Имеются примеры ионных регуляторных комплексов, в которых рецептор и ионный канал, по-видимому, находятся в разных молекулах. Так, некоторые ацетилхолиновые рецепторы, найденные в нейронах Aplysia, после связывания с ацетилхолином увеличивают натриевую проводимость. Другие ацетилхолиновые рецепторы того же организма вызывают быстрое возрастание проводимости ионов хлора, тогда как третьи — медленное возрастание калиевой проницаемости [6]. Если принять, что связывающий компонент этих рецепторов один и тот же, что никак не доказано, то он должен действовать в комбинации то с калиевыми, то с натриевыми, то с хлорными каналами [7]. Хотя такие комбинации и казались постоянными, следующие наблюдения привели к выдвижению гипотезы плавающего , или мобильного , рецептора. Согласно этой гипотезе рецепторы не связываются в постоянные комплексы, а плавают в мембране и взаимодействуют с различными активными структурами транспортными системами, ферментами и т. д. (рис. 9.6). Имеется, например, только один тип рецептора для инсулина, который, однако, раздельно регулирует целый ряд мембранных функций транспорт глюкозы, аденилатциклазную, фосфодиэсте-разную, Ка+,К+-АТРазную, Са +-ЛТРазную активности, а также транспорт аминокислот. Напротив, в жировых клетках крыс имеются, по крайней мере, восемь различных рецепторов, и все они регулируют аденилатциклазную активность. Связывание [c.255]

По определению потенциал-зависимые каналы-это такие каналы, которые открываются и закрываются в ответ на изменение трансмембранного потенциала. Это наводит на мысль о каком-то простом механизме включения и выключения каналоа Но в случае натриевых каналов, ответствеиных за потенциал действия, этот механизм несколько сложнее, и существенную роль в нем играет временная задержка. Поведение канала можно исследовать с помощью описанного выше метода фиксации напряжения. Если мембранный потенциал поддерживать на уровне нормального потенциала покоя (примерно - 70 мВХ натриевый ток практически отсутствует это указывает на то, что почти все натриевые каналы закрыты. Если теперь резко сдвинуть мембранный потенциал в положительную сторону, скажем до О мВ, и удерживать клетку в таком деполяризованном состоянии, то потенциал-зависимые натриевые каналы откроются и ионы На потекут в клетку вниз по градиенту концентрации. Этот нат мевый ток достигнет максимума примерно через 0,5 мс после того, как установится новое значение потенциала. Однако уже спустя несколько миллисекунд ток падает почти до нуля, даже если мембрана остается деполяризованной (рис. 18-И). Значит, каналы открылись на какой-то момент и вновь закрылись. Закрывшись, каналы переходят в инактивированное состояние, которое явно отличается от их первоначального закрытого состояния, когда они еще были способны открыться в ответ на деполяризацию мембраны. Каналы остаются инактивированными до тех пор, пока мембранный потенциал не вернется к исходному отрицательному значению и не закончится восстановительный период длительностью в несколько миллисекунд. [c.81]

Таким образом, при невозможности получить прямые данные отдельные каналы можно изучать путем анализа флуктуаций тока-этот метод называют флуктуационным анализом (см. рис. 18-12). На основе предположения, что у каждого канала имеются только два возможных состояния проводимости-он либо полностью закрыт, либо полностью открыт-и переход из одного состояния в другое происходит мгновенно, с помощью флуктуационного анализа для проводимости одного откры-гого натриевого канала (в нерве лягушки) была получена величина около 10-И См. Это означает, что при разности электрохимических потенциалов в 100 мВ через открытый канал протекает ток силой 10 А, что соответствует прохождению примерно 6000 ионов N3 в I мс. Эти подсчеты и предположения, на которых они базируются, были подтверждены более прямым методом пэтч-клампа (регистрация токов в очень малых участках мембраны, см. ниже). [c.82]

Влияние катиона на ipeмя удерживания углеводородов можно проследить при сравиепии сит 13Х и 10Х. Поведение кальциевого цеолита (ЮХ) аналогично молекулярны.м ситам натриевой формы 13Х. Однако, в результате большего заряда иоиа кальциевого катиона, увеличивается энергия взаимодействия с я-электронами молекул ароматических углеводородов. В результате этого иа ситах ЮХ бензол и толуол вымываются после н-ундекапа, а на ситах 13Х —после н-нонапа и н-де-кана соответственно. В работах [13, 16] было установлено, что частичная или полная замена иона в ситах 13Х и ЮХ на ион с большей поляризующей способностью приводит к значительному возрастанию удерживания ароматических углеводородов. [c.87]

Бесспорных данных о локализации ферментов натриевого насоса, к сожалению, пока не имеется. Филпотт и его сотрудники высказывают предположение, что в жабрах активный натриевый насос находится в стенках тупиковых каналов с неподвижным градиентом и перекачивает ионы Ыа+ внутрь канала. Каков бы ни был конкретный механизм переноса Ма+ в хло-ридную клетку жабры, поглощение Ыа+ прямо или косвенно сопряжено здесь с выделением ионов Н+. Необходимо кратко рассмотреть вопрос о происхождении этих ионов. [c.153]

Опыты проводили на промышленных образцах сульфокатионита КУ-2 в водородной, натриевой, литиевой и аммониевой формах, подготовленных к работе общепринятым методом [8]. В стеклянную ампулу брали 5 г набухшей смолы и 5 мл воды. После запаивания ампулу помещали в чехол из металлической сетки и подвергали облучению при t = 35° С на у-источ-нике Со с мощностью дозы 100—400ря5/сек.Послеоблучения ампулу вскрывали, содержимое ее переносили на воронку с бумажным фильтром, смолу промывали водой до отсутствия кислоты в фильтрате. В водных вытяжках определяли содержание и SO4-ионов [9]. При облучении солевых форм катионита КУ-2, Na и Li в водных вытяжках определяли на пламенном фотометре ФПФ-58 [10]. При исследовании смолы проводили определение обменной емкости титрованием коэффициента влагоемкости (К), потери веса (Lon) и содер кание серы сожжением (Е ) [11, 12]. По и X рассчитывали эквивалентный коэффициент влагоемкости (ii ), выраженный в миллимолях Н2О на 1 мг-экв сульфогрупп. [c.126]

ТТХ содержится в органах рыб семейства Tetraodontidae. Он воздействует на наружную поверхность мембраны, подавляя возникновение потенциалов действия в нервах и мышцах (см. гл. XXIII, 3) и блокируя селективно натриевый ток. Аналогичное действие оказывает и STX, содержащийся в жгутиковых. Ион TEA селективно подавляет калиевый ток, удлиняя фазу падения потенциала действия (см. XXIII, 3). Блокирование канала инициируется связыванием агента с рецептором, который представляет собой определенный элемент молекулярной структуры канала. Считается, что молекула блокатора Т связывается обратимо с рецептором в реакции [c.136]

В начале 70-х годов английский биофизик Б. Хилле исследовал прохождение через натриевые и калиевые каналы ионов разного размера (один из типов каналов был при этом заблокирован, а в растворе были только те ионы, движение которых изучалось). Ионы, которые имели размер больше критического, не проходили через данный канал. Хилле выяснил, что диаметр калиевого канала равен примерно 0,3 нм, а у натриевого канала — чуть больше. На основйнии ряда таких опытов сложилось следующее приближенное представление о ионных каналах, [c.109]

Проводимость каналов. Воротные токи. Изменение потоков Ма и К ( На и г к) во время потенциала действия (рис. 16.1) обеспечивается двумя типами ионных каналов для Ма и К, проводимость которых по-разному меняется в зависимости от электрического потенциала на мембране. Ма - проводимость быстро нарастает и затем быстро экспоненциально уменьшается. Калиевая проводимость нарастает по 5-образной кривой и за 5 - 6 мс выходит на постоянный уровень. Восстановление натриевой проводимости до исходных значений происходит в 10 раз быстрее, чем калиевой проводимости. Вопрос о том, каким образом проводимость ионных каналов управляется электрическим полем, является одним из центральных в биофизике мембранных процессов. В модели Ходжкина - Хаксли предполагается, что проводимость для ионов Ма и К регулируется некоторыми положительно заряженными управляющими частицами, которые перемешаются в мембране при изменениях электрического поля. Смещение положения этих частиц в мембране зависит от приложенного потенциала и соответствующим образом открывает или закрывает ионный канал. Считается, что в случае калиевой проводимости имеются четыре активирующие канальную проводимость частицы. В случае Ма - канала предполагается наличие трех активирующих частиц, необходимых для открывания, и одной инактивирующей частицы-для закрывания канала. На основе этих предположений удалось построить математическую модель, с высокой точностью воспроизводящую нервный импульс. Главное достижение состоит в разделении трансмембранных токов на отдельные компоненты (г на и г к) и в экспериментальном изучении их свойств. В функциональной структуре канала были выделены элементы, ответственные за механизмы селекции ионов (селективный фильтр), активации (активационные ворота) и инактивации канала (инактивационные ворота) (рис. 16.2). Движение заряженных управляющих частиц в канале (воротных частиц) обнаруживается экспериментально по возникновению воротных токов. Они появляются в результате смещения частиц в мембране под влиянием наложенного на мембрану электрического импульса. Удалось обнаружить воротные токи смещения, связанные с частицами, отрывающими Ма-канал. Вместе с [c.154]

Свойства каналов. Основным вопросом, возникшим после создания модели Ходжкина — Хаксли, было выяснение механизмов регуляции ионной проводимости мембраны. Ходжкин и Хаксли предположили, что проницаемость мембраны для каждого иона обусловлена гипотетическими каналами , позволяющими данному иону свободно проходить через мембрану по градиенту концентрации. Многие исследователи, работающие в данной области, представляют себе такие каналы как поры в мембране. В пользу такого предположения свидетельствуют многочисленные косвенные данные. Однако, поскольку диаметр каналов, согласно подсчетам, должен составлять 3—5 А, они не могут быть обнаружены даже при помощи самых мощных современных электронных микроскопов. Поэтому прямых доказательств существования подобных пор не получено. Напротив, гипотетических представлений о свойствах ионных каналов более чем достаточно. Согласно одному из предположений, вход в натриевый канал расширяется по направлению к внутренней стороне мембраны наподобие воронки. Предполагают также, что в мембране существуют молекулярные ворота , обусловливающие открытие (активацию) и закрытие (инактивацию) натриевого канала. Все эти гипотетические структуры схемати- [c.158]

Изменение проводимости для ионов Ка описывалось более сложным выражением. Для натриевого канала предполагалось, что он открывается, если одновременно в данный участок попадают три активируюш,ие частицы и удаляется одна блокиру-ющ,ая. Тогда, обозначив т - вероятность прихода активирующей частицы, а И - вероятность удаления блокирующей, получаем [c.93]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология