Абрамов Д. С., Тарасов С. С.

Вестник Челябинского государственного университета. 2013. № 26 (317).
Образование и здравоохранение. Вып. 1. С. 109–111.
СООБЩЕНИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
(BY YOUNG SCIENTISTS)
Д. С. Абрамов, С. С. Тарасов
ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА СЕЛЕКТИВНОСТИ
И СМЕЖНЫХ СВОЙСТВ ИОННЫХ КАНАЛОВ МЕМБРАН КЛЕТОК
Ионные каналы (ИК) клеточной мембраны обеспечивают обмен клетки с окружающей средой веществом, энергией и информацией, с них начинаются и ими поддерживаются процессы возбуждения
и торможения в нервной системе и мышцах, именно они (вместе с другими молекулярными рецепторами) обеспечивают восприятие клеткой внешних сигналов.
Ключевые слова: ионные каналы, клеточная мембрана, домены, селективность, инактивация,
блокировка, пластичность, управляемая проницаемость.
Ионные каналы (ИК) — это мембранные молекулярные структуры, образованные интегральными (трансмембранными) белками, пронизывающими клеточную мембрану поперёк в виде
нескольких петель и создающими в мембране
сквозной канал (пору). Канальные белки состоят
из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются дополнительные молекулярные системы: открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и
регуляции. ИК могут иметь не один, а несколько
участков (сайтов) для связывания с управляющими веществами (лигандами) [2].
Понятие об ионных каналах. Ионные каналы можно рассматривать как транспортный механизм, обеспечивающий перемещение ионов между цитоплазмой клетки и наружной средой [3].
Ионный канал — это интегральный белок, образующий в мембране пору для обмена клетки
с окружающей средой ионами K+, Na+, H+, Ca2+,
Cl–, а также водой, и способный изменять свою
проницаемость. Его общее изображение представлено на рисунке. ИК состоят из белков сложной структуры (белков-каналоформеров). Белки
ИК имеют определённую конформацию, образующую трансмембранную пору, и «вшиты» в липидный слой мембраны. Канальный белковый
комплекс может состоять либо из одной белковой
молекулы, либо из нескольких белковых субъединиц, одинаковых или разных по строению.
Эти субъединицы могут кодироваться разными
генами, синтезироваться на рибосомах по отдельности и затем собираться в виде целостного канала. В другом случае канал может представлять
собой единый полипептид, который в виде петель
прошивает мембрану несколько раз. Сегодня известно более 400 белков-каналоформеров, для
биосинтеза которых используется 1–2 % генома
человека [2].
Домены — это отдельные компактно оформленные части канального белка или субъединиц.
Сегменты — это части белка-каналоформера,
свёрнутые спирально и прошивающие мембрану. Концевые домены белка-каналоформера (Nи С-терминальные домены) могут торчать из мембраны как наружу, так и внутрь клетки [4].
Практически все ИК имеют в составе своих субъединиц регуляторные домены, способные связываться с различными управляющими
веществами (регуляторными молекулами) и за
счёт этого менять состояние или свойства канала.
В потенциал-активируемых ИК один из трансмембранных сегментов содержит специальный
набор аминокислот с положительными зарядами
и работает как сенсор электрического потенциала мембраны. При изменении потенциала такой
сенсор меняет состояние канала с открытого на
закрытое или наоборот. Таким образом, ИК могут управляться определёнными воздействиями
извне, это их важное свойство [1].
ИК в своём составе могут иметь также вспомогательные субъединицы, выполняющие модуляторные, структурные или стабилизирующие функции. Один класс таких субъединиц —
внутри клеточные, расположенные полностью
в цитоплазме, а второй — мембранные, так как
они имеют трансмембранные домены, прошивающие мембрану [2].
Селективность и смежные свойства ионных
каналов мембран клеток. В современной физиологии изучают следующие свойства ионных ка-
110
Д. С. Абрамов, С. С. Тарасов
Клеточная
мембрана
Ионный канал
Современное представление об ионном канале клеточных мембран, по данным [1]
налов. Селективность — это избирательная повышенная проницаемость ИК для определённых
ионов. Для других ионов проницаемость понижена. Такая избирательность определяется селективным фильтром — самым узким местом канальной поры. Фильтр, кроме узких размеров, может иметь также локальный электрический заряд.
Например, катион-селективные каналы обычно
имеют в области своего селективного фильтра
отрицательно заряженные остатки аминокислот
в составе белковой молекулы, которые притягивают положительные катионы и отталкивают отрицательные анионы, не пропуская их через пору.
Инактивация — это способность ИК через некоторое время после своего открытия автоматически понижать свою проницаемость даже в том
случае, когда открывший их активирующий фактор продолжает действовать [4].
Быстрая инактивация — это особый процесс
со своим особым механизмом, отличающийся от
медленного закрытия канала (медленной инактивации). Закрытие (медленная инактивация) канала происходит за счёт процессов, противоположных процессам, обеспечившим его открытие, то
есть в силу изменения конформации канального
белка. А вот, например, у потенциал-активируемых каналов быстрая инактивация происходит
с помощью специальной молекулярной «пробки-затычки», напоминающей пробку на цепочке, которую обычно используют в ваннах. Эта
«пробка» представляет собой аминокислотную
(полипептидную) петлю с утолщением на конце
в виде трёх аминокислот, которым и затыкается
внут реннее устье канала со стороны цитоплазмы.
Именно поэтому потенциал-зависимые ИК для
натрия, обеспечивающие развитие потенциала
действия и движение нервного импульса, могут
пропускать в клетку ионы натрия только в течение нескольких миллисекунд, а затем они автоматически закрываются своими молекулярными
пробками, несмотря на то что открывающая их
деполяризация продолжает действовать. Другим
механизмом инактивации ИК может служить
модификация дополнительными субъединицами
внутриклеточного устья канала [1].
Блокировка — это способность ИК под действием веществ-блокаторов фиксировать какоето одно своё состояние и не реагировать на
обычные управляющие воздействия. В таком состоянии канал просто перестаёт давать ответы
на управляющие воздействия. Блокировку вызывают вещества-блокаторы, которые могут называться антагонистами, блокаторами или литиками.
Антагонисты — это вещества, препятствующие активирующему действию других веществ
на ИК. Такие вещества способны хорошо связываться с рецепторным участком ИК, но не способны изменить состояние канала, вызвать его
ответную реакцию. Получается блокада рецептора и вместе с ним блокада ИК. Следует помнить, что антагонисты не обязательно вызывают
полную блокаду рецептора и его ИК, они могут
действовать более слабо и лишь ингибировать
Физиологическая картина селективности и смежных свойств ионных каналов мембран клеток
(угнетать) работу канала, но не прекращать её
полностью.
Агонисты-антагонисты — это вещества, которые обладают слабым стимулирующим влиянием на рецептор, но при этом блокируют действие естественных эндогенных управляющих
веществ.
Блокаторы — это вещества, препятствующее
работе ионного канала, например, взаимодействию медиатора с молекулярным рецептором
к нему и, следовательно, нарушающие управление каналом, блокирующие его. Например, действие ацетилхолина блокируют холиноблокаторы; норадреналина с адреналином — адреноблокаторы; гистамина — гистаминоблокаторы и т. д.
Многие блокаторы применяются в терапевтических целях как лекарственные препараты.
Литики — это те же блокаторы в отношении
ИК, но этот термин более старый. Он используется как синоним для блокатора: холинолитик,
адренолитик и т. д. В то же время в фармакологии термин «литик» применяется в более широком смысле — как вещество, препятствующее
не только действию лиганда, а вообще препятствующее передаче возбуждения [4].
Пластичность — это способность ИК изменять свои свойства и характеристики. Наиболее
распространённый механизм, обеспечивающий
пластичность,— это фосфорилирование аминокислот канальных белков с внутренней стороны
мембраны ферментами-протеинкиназами. К канальным белкам присоединяются фосфорные
остатки от АТФ или ГТФ — и канал меняет свои
свойства. Так пример, фиксируется в постоянно
закрытом состоянии, или, наоборот, в открытом.
Управляемая проницаемость — это способность ИК открываться или закрываться при опре-
111
делённых управляющих воздействиях на канал.
Понятно, что закрытый канал имеет пониженную
проницаемость, а открытый — повышенную.
По этому свойству ИК можно классифицировать
в зависимости от способов их открытия: например, потенциал-активируемые, лиганд-активируемые [2].
Выводы: Изучив научную литературу, мы
пришли к заключению, что передовой научный
опыт и современные теоретические данные об
избирательном повышении проницаемости ИК
для определённых ионов свидетельствуют, что
именно ИК обеспечивают синаптическую передачу возбуждения от возбуждённого нейрона на
другие клетки. Обобщая, можно также сказать,
что почти все важнейшие физиологические процессы в живом организме начинаются с ионных
каналов и поддерживаются ими.
Список литературы
1. Зефиров, А. Л. Ионные каналы возбудимой клетки (структура, функция, патология)
/ А. Л. Зефиров, Г. Ф. Сидтикова. Казань : Арткафе, 2010. 271 с.
2. Каменский, А. А. Фундаментальная и клиническая физиология : учеб. пособие / А. А. Каменский, А. Г. Камкина. М. : Академия, 2008.
1072 с.
3. Мушкамбаров, Н. Н. Молекулярная биология : учеб. пособие для студентов мед. вузов /
Н. Н. Мушкамбаров, С. Л. Кузнецов. М. : Мед. информ. агентство, 2008. 544 с.
4. Сазонов, В. Ф. Функциональная классификация мембранных ионных каналов : науч. тр. III
Съезда физиологов СНГ / под ред. А. И. Григорьева, О. А. Крышталя, Ю. В. Наточина, Р. И. Сепиашвили. М. : Медицина-Здоровье, 2011. 172 с.