Открытое и закрытое состояния

Хотя для простоты мы часто представляем белковые молекулы как статические структу­ры, они таковыми вовсе не являются. Из-за своей тепловой энергии все большие молеку­лы внутренне нестабильны. При комнатной температуре химические связи растягивают­ся и ослабляются, то есть постоянно коле­блются по отношению к устойчивому состо­янию. Несмотря на то, что эти индивиду­альные движения составляют величину толь­ко около 10~¹² м (с частотой, достигающей 10¹³ Гц), такие атомные колебания могут при­водить в итоге к гораздо более значитель­ным и более медленным изменениям в струк­туре молекул. Это происходит потому, что многочисленные быстрые движения атомов периодически создают условия для взаимо­действия функциональных групп белка, не­смотря на наличие взаимных отталкивающих сил. Взаимодействия функциональных групп приводят к кинетическим переходам белка, которые, раз возникнув, могут длиться мно­гие миллисекунды или даже секунды. Извест­ным примером может служить молекула ге­моглобина. Центры связывания кислорода за­ключены внутри макромолекулы этого белка,

Глава 2. Ионные каналы и нейрональная сигнализация

и к ним нет постоянного свободного доступа. Связывание кислорода может быть достигнуто только за счет транзиторного доступа молекул газа к центрам связывания на молекуле гема. Таким образом, молекула гемоглобина «ды­шит», периодически становясь доступной для связывания кислорода, иначе данный белок был бы не способен выполнять предназна­ченную функцию по переносу газов¹).

Для ионных каналов функционально важ­ными яаляются переходы.между открытым и закрытым состояниями. Эти переходы со­вершаются практически моментально. С дру­гой стороны, при системном изучении пове­дения любого ионного канала мы обнаружим, что время открытого состояния варьирует слу­чайным образом. Иногда канал открыт толь­ко одну миллисекунду или даже меньше, хотя в следующий раз он может быть открыт на го­раздо более продолжительное время (рис. 2.4). Тем не менее, каждый канал имеет характер­ное среднее время открытого состояния (г), и все вариации происходят вокруг этого сред­него показателя.

Некоторые ионные каналы открываются достаточно часто даже в покое. Иными сло­вами, вероятность нахождения таких кана­лов в открытом состоянии в неактивирован­ной клетке относительно высока. Большин­ство таких ионных каналов проницаемо для калия или хлора. Они важны для генерации мембранного потенциала покоя. Остальные ионные каналы при этом закрыты, то есть вероятность нахождения их в открытом со­стоянии очень низка. Активация этих каналов адекватным стимулом резко увеличивает ве­роятность открытия. Этот же стимул может деактивировать ионные каналы, бывшие ак­тивными в покое. Важно помнить, что акти­вация или деактивация канала означает возра­стание или снижение вероятности открытия канала, но не увеличение или уменьшение времени открытого состояния (г) канала.

Помимо активации и деактивации, ион­ный ток через каналы регулируется двумя другими факторами. Первый фактор заключа­ется в том, что ионный канал переходит в но­вое конформационное состояние, в котором обычный активирующий стимул не способен вызвать открытие канала. Для ионных кана­лов, активируемых деполяризацией, такое со­стояние называется инактивацией. Для кана­лов, отвечающих на химические стимулы, это состояние известно как десенситнзация. Вто­рой механизм — блок открытого канала. Такое

случается, когда, например, крупная молеку­ла (такая как токсин) связывается с ионным каналом и физически закупоривает пору. Дру­гим примером может служить блокирование некоторых катионных каналов ионами маг­ния. В этом случае ионы магния сами не про­никают через ионный канал, но связываются с каналом в области его устья и тем самым мешают проникновению других катионов.