Дискретный характер проводимости ионных каналов

Независимость работы отдельных каналов.

ИОННЫЕ КАНАЛЫ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН

Ранее было показано, что ионные каналы обладают селективностью или избирательностью, а так же что проводимость мембраны зависит от числа открытых каналов на единицу поверхности.

Многочисленными исследованиями показано, что прохождение тока через отдельный ионный канал не зависит от того, идет ли ток через другие каналы. Например, К⁺-каналы могут быть открыты или закрыты, а ток через другие типы каналов, например Na⁺ -каналы не меняется. Процесс изменения состояния одних в зависимости от состояния других носит опосредованный характер: изменение проницаемостей каких-либо каналов (например, натриевых) меняет мембранный потенциал, а уже он влияет на проводимости прочих ионных каналов.

Ионные каналы представляют собой представляют собой белковый комплекс, который пронизывающий мембрану. В центре его существует щель, сквозь которую могут проходить ионы. Если использовать радиактивно меченные молекулы избирательного блокатара одного из типов каналов, например блокатора натриевых каналов – тетродотоксина, то можно определить количество канала, приходящихся на 1 мкм² площади поверхности мембраны. Так было определено, что на 1 мкм² аксона кальмара находится около 500 натриевых каналов.

Измерение трансмембранных токов с помощью микроэлектродной техники в условиях фиксации потенциала на аксоне кальмара длиной 1 см и диаметром 1 мм, то есть площадью 3 • 10⁷ мкм², дают возможность оценить суммарный ответ мембраны или иначе говоря проводимости 500 • 3 • 10⁷ ~ 10¹⁰ ионных каналов. Измерение суммарных токов и анализ по ним изменения проводимости дает плавное ее изменение во времени (слайд 4).

Ответ одиночного ионного канала меняется во времени дискретно (слайд 5).

С помощью локальной фиксации потенциала производили сдвиг потенциала длительностью 14 мс от —80 до —40 мВ; ниже показаны мембранные токи, зарегистрированные при нескольких таких последовательных сдвигах потенциала. Во время деполяризации токи одиночного канала могут возникать в любой момент, причем длительность их варьирует. При объединении многих записей токов в условиях синхронизации скачков потенциала получаются суммарные кривые токов, показанные вверху (I_Na, и I_K). Временной ход I_Na свидетельствует о том, что вероятность открывания Na⁺'-каналов наиболее высока вскоре после скачка потенциала, а примерно через 1 мс эти каналы открываются все реже и в конце концов инактивируются. Большая часть K⁺ каналов открывается с некоторой задержкой после скачка потенциала, затем средняя частота открываний остается на постоянном уровне в течение всего периода деполяризации

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.

Действительно, если рассмотреть во временном масштабе появление токов через одиночные натриевые каналы, то можно отметить, что деполяризация мембраны на короткий период (каждый раз мембрана деполяризовалась 14 мс), вызывала появление одиночного импульса тока. Амплитуда этого тока была всегда 1,6 пА, а вот время открытия канала и длительность появившихся импульсов варьирует. Отмечено, что максимум вероятности открытия канала достигается через 1,5 мсек, а становится минимальной после 10 мсек, прошедших с момента деполяризации. Необходимо так же отметить, что канал открывается за время деполяризации всего раз.

Время в течение которого канал открыт называют временем открытого состояния канала, а время, в течение которого вероятность от­крывания отдельного канала велика называют временем жизни каналов.

Так как открытие канала во временном масштабе не является строго определенным, то, по-видимому, деполяризация является причиной повышения вероятности открытия Na канала. Открытие канала в свое время приводит к повышению вероятности его закрытия.

Такой вероятностный механизм функционирования канала аналогичен химическим реакциям и поэтому различают различные состояния канала – «закрытое, но способное к активации», «открытое», «закрытое инактивированное (неспособное к активации)».

«Закрытое, способное к активации» состояние при деполяризации может преобразовываться в «открытое активированное» или «закрытое инактивированное» состояние. Когда ка­нал находится в «открытом активированном» состоянии, стойкая деполяризация способствует переходу в «за­крытое инактивированное» состояние. Возвращение ка­нала в «закрытое, способное к активации» состояние может происходить только в результате реполяризации.

Анализируя состояние K⁺- каналов, нужно отметить, что для них также как для Na⁺ каналов характерно появление токов малой амплитуды до 2 пА. Продолжительность открытого состояния составляет в среднем порядка 5 мсек. Но если Na – каналы остаются открытыми в течение всего времени открытого состояния, то K⁺ - каналы могут за время открытого состояния закрываться на короткое время, то есть они осциллируют. В отличие от натриевых, К⁺- каналы не инактивируются в течение времени пока мембранный потенциал выше порогового. Большинство K⁺- каналов во время деполяризации непрерывно открываться и закрываются по несколько раз. Такое поведение одиночных каналов дает при суммации токов идущих через них кривую K⁺ тока, которая нарастает до стационарного уровня. В настоящее время обнаружено по крайней мере пять типов калиевых каналов. Они отличаются соотношением между открыванием и потенциалом, характеристиками инактивации или их открывание может быть опосредованно через вторичные мессенжеры в частности, ионы Са²⁺. Многообразие К⁺ каналов является причиной вариации формы потенциалов действия в клетках различных типов. Кроме того это разнообразие калиевых каналов объясняет различную скорость реполяризации и особенности следовых потенциалов.

2.3.Зависимость параметров канала от мембранного потен­циала.

Кроме избирательности или селективности ионные каналы должны обладать способностью менять свою проницаемость при изменении мембранного потенциала. Это явление достаточно хорошо изучено на нервных волокон и их каналах, например натриевый и калиевый каналы аксона кальмара. Это факт проявляется в том, что после начала деполяризации мембраны соответствующие токи на­чинают изменяться с той или иной кинетикой (слайд 6).

Потенциалозависимость ионного канала означает, что молекула такого канала, по-видимому, несет заряды, которые и смещаются под действием изменившегося мембранного потенциала. То есть можно говорить, что канал имеет в своей конструкции некоторый элемент, чувствительный к действию элек­трического поля (слайд 7). Так для натриевого канала в качестве такого воспринимающего изменение электрического поля индикатора – сенсора выступают по крайней мере 4 заряда выполняющие роль этого датчика. При изменении мембранного потенциала меняется величина действующей на него силы, в ре­зультате эта часть ионного канала перемещается и меняет вероятность открывания или закрывания ворот - своеобраз­ных заслонок, действующих по закону "все или ничего".

Суммарное изменение тока в большой совокупности открытых каналов, каждый из которых переходит в это состояние с определенной вероятностью, а длительность импульса и время его возникновения не детерминированы, в целом носит плавный характер, являющийся проявлением усреднения.

Ионные каналы могут быть чувствительны и к другим физи­ческим воздействиям: механическим деформациям, связыванию химических веществ и т.д. В этом случае они являются структурной основой, соответственно, механорецепторов, хеморецепторов и т.д.

Изучение ионных каналов в мембранах есть одна из важных задач современной биофизики.