Меню

Калиевый ток задержанного выпрямления

Калиевые каналы клеток проводящей системы сердца и рабочего миокарда: структурно-функциональные особенности, патофизиологическое и клиническое значение

НИИ клинической кардиологии им. А.Л. Мясникова ФГБУ Российский кардиологический научно-производственный комплекс Минздрава России, 121552 Москва, ул. 3-я Черепковская, 15а

Важнейшую роль в процессах реполяризации сердца играют калиевые каналы, генерирующие различные токи. Замедление реполяризации посредством блокирования калиевых каналов приводит к увеличению продолжительности рефрактерных периодов возбудимых тканей сердца и является основным механизмом действия антиаритмических препаратов III класса. При этом излишнее неравномерное замедление реполяризации может способствовать электрической неоднородности тканей и развитию опасных для жизни аритмий (полиморфной желудочковой тахикардии типа torsade de pointes). В обзоре представлены сведения о структуре, функции и свойствах калиевых каналов клеток проводящей системы сердца и сократительного миокарда. Освещены их физиологическая роль и участие в патологических процессах, в том числе при врожденных синдромах, связанных с возникновением опасных для жизни аритмий. Представлены дальнейшие перспективы развития данного направления.

Ритмичную работу сердца обеспечивает взаимосвязь последовательных процессов сокращения и расслабления, которые напрямую сопряжены с генерацией и распространением возбуждения и последующей рефрактерностью возбудимых тканей. Распространение потенциала действия (ПД) по проводящей системе и сократительному миокарду вызывает последовательное сокращение всех отделов сердца [1].

ПД имеет фазы — деполяризации и реполяризации. В фазу деполяризации мембранный потенциал достигает максимального значения, а во время фаз реполяризации происходит его постепенный возврат к уровню потенциала покоя. Именно в это время реализуется электромеханическое сопряжение, необходимое для сокращения миокарда, вот почему совокупная длительность фаз реполяризации должна быть достаточно продолжительной.

Важнейшую роль в процессах реполяризации и поддержании потенциала покоя на постоянном уровне играют токи ионов калия. Удлинение реполяризации увеличивает рефрактерность возбудимой ткани. На этом основано антиаритмическое действие препаратов III класса (блокаторов калиевых каналов). В то же время неравномерное замедление реполяризации может способствовать электрической неоднородности тканей и развитию опасных для жизни аритмий (полиморфной желудочковой тахикардии типа torsade de pointes — TdP) [2, 3].

В зависимости от способа активации и количества трансмембранных доменов, калиевые каналы подразделяют следующим образом:

  • потенциалзависимые калиевые каналы (voltage gated — Kv);
  • калиевые каналы аномального входящего выпрямления (inward rectifier Kir);
  • механочувствительные двупоровые калиевые каналы (2 pore domain — K2P);
  • активируемые кальцием калиевые каналы (calcium-activated — KCa; в данном обзоре не рассмотрены, поскольку функционально-активные KCa не представлены на поверхности кардиомиоцитов человека и не участвуют в процессах деполяризации и реполяризации) [4].

Потенциалзависимые калиевые каналы (Kv)

Kv — самое многочисленное семейство калиевых каналов. Все Kv состоят из четырех α-субъединиц. Тетрамеры могут быть образованы четырьмя одинаковыми α-субъединицами (гомотетрамеры) или состоять из четырех разных α-субъединиц (гетеротетрамеры). На работу тетрамеров α-субъединиц существенное влияние могут оказывать вспомогательные β-, γи D-субъединицы, расположенные в цитоплазме клеток и изменяющие кинетику канала. Некоторые белки способны повышать экспрессию калиевых каналов на мембранах и изменять функции их α-субъединиц. Точное определение канала, обеспечивающего тот или иной ионный ток в кардиомиоцитах, всегда крайне затруднено [5].

В зависимости от своих временны’х параметров и вольтажных характеристик Kv могут быть разделены на 2 большие группы.

  1. Каналы, генерирующие кратковременный выходящий ток (transient outward — Ito), регистрируемый в самом начале реполяризации.
  2. Каналы, генерирующие токи замедленного выпрямления (IK).

В зависимости от времени нарастания и продолжительности выделяют очень быстрые (ultra rapid — IKur), быстрые (rapid — IKr) и медленные (slow — IKs) токи замедленного выпрямления. Калиевые токи замедленного выпрямления присутствуют в течение всех фаз реполяризации, наибольший их вклад приходится на более поздние ее этапы [6].

Калиевые каналы, генерирующие кратковременный выходящий ток (Ito). Ito регистрируется в самом начале реполяризации (фаза 1 ПД) в течение непродолжительного времени. Он оказывает существенное влияние на ток ионов кальция (ICa,L) и, соответственно, на электромеханическое сопряжение и сократимость миокарда, а также на калиевые токи замедленного выпрямления. В результате сложных взаимодействий между ионными токами изменения Ito могут непредсказуемо влиять на продолжительность ПД и определять предрасположенность к возникновению аритмий [7].

При детальном исследовании биофизических характеристик тока Ito было отмечено, что он состоит из двух компонентов, различающихся по скорости восстановления соответствующих им ионных каналов, — быстрого (fast — Ito,f) и медленного (slow — Ito,s). Эти токи тканеспецифичны. Ito,f в миокарде желудочков обнаруживают преимущественно в субэпикардиальных отделах, он соответствует фазе начальной быстрой реполяризации и определяет характерную форму кривой ПД (спайк и плато — spike and dome). В правом желудочке ток Ito,f выражен сильнее, чем в левом [8].

Каналы, генерирующие ток Ito, являются гомотетрамерами. В сердце человека в образовании каналов Ito,s участвуют α-субъединицы Kv1.4, а каналы Ito,f формируют α-субъединицы Kv4.2 и Kv4.3 [9].

Экспрессию каналов Ito и их активность регулируют добавочные субъединицы, к которым относят β-субъединицы, KChIP (Kv channel interacting proteins — белок, взаимодействующий с потенциалзависимыми калиевыми каналами), фриквенин (frequenin), KChAP (Kv channel associated protein — белок, связанный с потенциалзависимыми калиевыми каналами), а также вспомогательные субъединицы MinK (Minimum K+) и MiRP (MinK related peptides — пептиды, подобные MinK) [10].

Источник

Контрольная работа: Метод фиксации потенциала

Метод фиксации потенциала

Эксперимент с фиксацией потенциала

Емкость и ток утечки
Токи ионов натрия и калия
Избирательные яды для натриевых и калиевых каналов
Зависимость ионных токов от мембранного потенциала
Инактивация натриевого тока
Натриевая и калиевая проводимость как функция потенциала
Количественное описание натриевой и калиевой проводимостей
Реконструкция потенциала действия

Эксперимент с фиксацией потенциала

Метод фиксации потенциала (voltage clamp) был разработан Колем и его коллегами, и усовершенствован Ходжкином, Хаксли и Катцем. Все, что нам необходимо знать для того, чтобы понять сами эксперименты, это то, что метод позволяет практически мгновенно установить нужный уровень мембранного потенциала и зафиксировать его на этом уровне, измеряя при этом мембранный ток. Ток, протекающий через мембрану при скачкообразном изменении потенциала с уровня покоя (–65 мВ) на деполяризованный уровень (–9 мВ). Ток, возникающий в ответ на скачок потенциала, имеет три стадии:

(1) короткий выброс выходящего тока, длящийся всего несколько миллисекунд,

(2) ранний входящий ток

(3) поздний выходящий ток.

Емкость и ток утечки

Первоначальный кратковременный выброс тока представляет собой емкостной ток, обусловленный изменением заряда на мембране в результате изменения мембранного потенциала. Если усилитель обратной связи способен проводить большие токи, то емкостной ток длится очень недолго. На практике выброс емкостного тока длится около 20 мс, и за ним следует небольшой, но устойчивый выходящий ток.

Этот выходящий ток, протекающий через проводимости, активные при потенциале покоя, называется током утечки. Большей частью это ток ионов калия и хлора, который имеет линейную зависимость от величины смещения потенциала фиксации от потенциала покоя и наблюдается на всем протяжении скачка потенциала. Большую часть времени, однако, этот ток замаскирован другими, гораздо большими по величине ионными токами.

Токи ионов натрия и калия

Ходжкин и Хаксли показали, что вторая и третья стадии тока обусловлены сначала входом ионов натрия, а затем выходом ионов калия из клетки. Им также удалось выделить индивидуальные компоненты тока и рассчитать их величину и временной ход. Одним из удобных способов добиться этого послужило удаление из раствора большей части ионов натрия и замена их на ионы холина (которые не проходят через мембрану). Снизив содержание внеклеточного натрия, удалось добиться того, что натриевый равновесный потенциал сравнялся с деполяризованным мембранным потенциалом (–9 мВ ). Таким образом, суммарный ток натрия равнялся нулю. Остался только калиевый ток. Натриевый ток был получен путем вычитания калиевого компонента из суммарного тока.

Избирательные яды для натриевых и калиевых каналов

Со времен первоначальных опытов Ходжкина и Хаксли были найдены удобные фармакологические средства, позволяющие избирательно блокировать натриевые или калиевые токи. Особенно удобным средством блокирования натриевых токов оказался тетродотоксин (ТТХ) и его фармакологический спутник сакситоксин (STX). ТТХ представляет собой сильный яд, содержащийся в яичниках и других органах рыбы фугу. В своем обзоре Као описывает захватывающую историю этого яда, начинающуюся с его открытия китайским императором Шун Нунгом (2838-2698 до н. э). Император лично испробовал 365 различных веществ, составляя свою фармацевтическую коллекцию, и прожил на удивление долго. STX синтезируется морским планктоном и накапливается в питающихся планктоном моллюсках, таких как аляскинский Saxidomus. По силе действия этот яд сравним с ТТХ; употребление в пищу всего одного такого моллюска (сырым или в вареном виде) может привести к смертельному исходу.

Важное преимущество ТТХ для нейробиологических опытов заключается в высокой избирательности его действия. Мур, Нарахаши и их коллеги в своих экспериментах на аксоне кальмара показали, что ТТХ в концентрации всего 1 мкмоль или ниже избирательно блокирует потенциалзависимые натриевые каналы. Изменение потенциала фиксации аксона, обработанного ТТХ, не приводит к возникновению входящего натриевого тока, но лишь выходящего калиевого. Величина и временной ход калиевого тока не изменяются в присутствии ТТХ. Внутриклеточное введение ТТХ в аксон никак не действует на ток. Эффект STX ничем не отличается от эффекта ТТХ. Оба токсина связываются с одним и тем же посадочным местом, расположенным во внешнем устье канала, через которое проходят ионы натрия, и физически перекрывают им проход через мембрану.

Читайте также:  Расчет цепей переменного тока в комплексной форме

Для калиевых каналов, участвующих в потенциале действия, также было найдено несколько блокирующих их веществ. Так, в аксоне кальмара и миелинизированном аксоне лягушки, как показали Армстронг, Хилле и их коллеги, тетраэтиламмоний (TEA, в концентрациях выше 10 ммоль) блокирует потенциалзависимые калиевые каналы.

В аксоне кальмара TEA необходимо добавлять во внутриклеточный раствор, поскольку он блокирует внутреннее устье канала; в других препаратах, таких как перехват Ранвье лягушки, TEA эффективен и при внеклеточной аппликации. Другие соединения, такие как 4-аминопиридин (4-АР) или диаминопиридин (DAP), блокируют калиевые каналы в миллимолярных концентрациях как снаружи, так и изнутри клетки.

Зависимость ионных токов от мембранного потенциала

Установив природу раннего и позднего компонента тока, Ходжкин и Хаксли исследовали зависимость натриевого и калиевого токов от мембранного потенциала. Скачок потенциала на -85 мВ приводит лишь к возникновению небольшого входящего тока, как и следовало ожидать на основании свойств мембраны в состоянии покоя. Каждый из небольших деполяризационных скачков производит сначала входящий ток, а затем более продолжительный выходящий. С увеличением величины деполяризационных скачков ранний ток уменьшается, при деполяризации на +52 мВ он равен нулю, а при еще более положительных значениях деполяризации меняет знак и становится выходящим.

Потенциалзависимость ранней и поздней составляющих тока.

Максимальная амплитуда раннего тока и амплитуда уровня плато позднего тока расположены по оси ординат, а потенциал фиксации, который устанавливался скачком с уровня потенциала покоя — по оси абсцисс. При гиперполяризующих скачках нет разделения на ранние и поздние токи; мембрана отвечает на скачок потенциала как простой резистор. Поздний ток также ведет себя как резистор, поскольку деполяризация активирует выходящий ток, однако по мере увеличения уровня деполяризации величина тока начинает значительно превосходить величину, ожидаемую на основании свойств мембраны в покое. Это объясняется активацией потенциалзависимой калиевой проводимости, пропускающей дополнительный ток. Поведение раннего тока значительно более сложно. Как уже было отмечено, он сначала возрастает, а затем убывает по мере увеличения деполяризации, становится равным нулю при потенциале +53 мВ, а затем и вовсе меняет знак. Потенциал реверсии расположен близко к равновесному потенциалу для натрия, чего и следовало ожидать для тока ионов натрия.

Интересной особенностью потенциалзависимости раннего тока является то, что в диапазоне потенциалов от —50 до +10 мВ ток растет с ростом деполяризации. Величина натриевого тока зависит от натриевой проводимости (gNa ), а также от движущей силы для ионов натрия (Vm — Е ). Можно было бы предположить, что благодаря этому ток будет уменьшаться по мере приближения мембранного потенциала к натриевому равновесному потенциалу, т. е. произойдет уменьшение движущей силы. Однако этого не происходит по причине резкого увеличения натриевой проводимости с возрастанием деполяризации, которое перевешивает эффект снижения движущей силы. Таким образом, натриевый ток INa = gNa (Km — ENa ) возрастает. Этот участок потенциалзависимости раннего тока называется «участком проводимости с отрицательным углом наклона».

Инактивация натриевого тока

Из опытов Ходжкина и Хаксли очевидно, что временной ход натриевого и калиевого токов весьма различен. Развитие калиевого тока замедлено по сравнению с натриевым, однако по достижении своего максимального уровня калиевый ток остается на нем довольно долго. Напротив, натриевый ток растет гораздо быстрее, но затем спадает до нуля, несмотря на то, что мембрана все еще деполяризована. Такой спад натриевого тока называется инактивацией.

Ходжкин и Хаксли детально изучили процесс инактивации натриевого тока. В частности, они исследовали влияние гиперполяризующих и деполяризующих пре-импульсов на пиковую амплитуду натриевого тока, возникающего в ответ на последующую деполяризацию. Мембранный потенциал скачкообразно переведен с -65 на -21 мВ, в результате чего возникает натриевый ток величиной приблизительно 1 мА/см 2 . Когда деполяризации предшествует гиперполяризация величиной —13 мВ, пиковое значение тока возрастает. Деполяризующие преимпульсы, напротив, снижают амплитуду натриевого тока. Воздействие деполяризующих и гиперполяризующих пре-импульсов зависит от времени воздействия: короткие импульсы длиной в несколько миллисекунд неэффективны. В данном эксперименте длительность пре импульсов была достаточной (30 мс) для достижения максимального эффекта.

Результаты представлены количественно в виде зависимости пикового натриевого тока от потенциала пре-импульса. Пиковый ток выражен в долях амплитуды контрольного тока. При деполяризующем пре-импульсе порядка —30 мВ натриевый ток был снижен до нуля, т. е. инактивация была полной. Гиперполяризующие пре-импульсы до -95 мВ и ниже вызвали увеличение натриевого тока на 70 %. Ходжкин и Хаксли выразили этот диапазон значений натриевого тока от нуля до максимума одним параметром (h), принимающим значение от нуля (полная инактивация) до 1 (отсутствие инактивации), как показано на правой оси ординат на рис. 6.6Е. В данных экспериментах инактивация при потенциале покоя была около 40 % максимального значения. Последующие эксперименты показали, что натриевые каналы всех нейронов демонстрируют ту или иную степень инактивации в покое.

Натриевая и калиевая проводимость как функция потенциала

Измерив таким образом величину и временной ход натриевого и калиевого токов как функции мембранного потенциала Vm и определив равновесные потенциалы ENa и Ек , Ходжкин и Хаксли получили возможность рассчитать величину и временной ход изменений натриевой н калиевой проводимостей, используя приведенные ранее соотношения

На рис. 6.7А показаны результаты пяти скачков потенциала. Как gNa , так и gк возрастают с увеличением деполяризации. Временной ход натриевой проводимости совпадает с натриевым током, однако ее потенциалзависимость существенно отличается от токовой. Проводимость равномерно нарастает с увеличением деполяризации, в то время как величина натриевого тока сначала возрастает, а затем убывает по мере увеличения деполяризационных скачков. Чем ближе мембранный потенциал во время деполяризации к натриевому равновесному потенциалу, тем меньше натриевый ток. В результате входящий ток уменьшается, несмотря на то, что проводимость растет.

Результаты опытов Ходжкина и Хаксли показали, что деполяризация мембраны аксона вызывает три процесса:

(1) активацию натриевой проводимости,

(2) ее последующую инактивацию

(3) активацию калиевой проводимости.

Количественное описание натриевой и калиевой проводимостей

На основе полученных экспериментальных данных Ходжкин и Хаксли разработали математическую модель, способную точно описать временной ход изменений натриевой и калиевой проводимостей, происходящих в ответ на деполяризующий скачок потенциала. Если рассматривать калиевую проводимость, то логическим следствием изменения потенциала должно быть возникновение движущей силы, способной переместить один или несколько зарядов внутри потенциалзависимого калиевого канала, который в результате должен открыться. При условии, что речь идет об одном-единственном процессе, кинетика изменений калиевой проводимости должна описываться уравнением первого порядка, т. е. возрастание проводимости в ответ на деполяризацию должно быть экспоненциальным.

Вопреки таким рассуждениям, процесс увеличения калиевой проводимости начинается с задержкой и протекает по S-образной кривой . Благодаря наличию этой задержки, а также тому, что увеличение калиевой проводимости возникает только в ответ на деполяризацию, но не гиперполяризацию, этот ионный канал получил название задержанного выпрямления (delayed rectifier). Ходжкин и Хаксли нашли способ для точного математического описания процесса увеличения калиевой проводимости, сделав допущение о том, что для открытия канала необходима активация четырех процессов первого порядка (например, перемещение четырех заряженных частиц внутри мембраны). Другими словами, S-образную кривую можно описать суммой четырех экспонент. Таким образом, калиевую проводимость можно представить как

где g K(max) — максимальная проводимость для данного скачка потенциала, а n — возрастающая экспоненциальная функция, принимающая значения от 0 до 1: n = 1 — е –t/n .

Зависимость gK(max) от потенциала.

Временная константа экспоненты, n , также зависит от потенциала: чем больше деполяризация, тем быстрее возрастает проводимость. При температуре 10° С n принимает значения в диапазоне от 4 мс для небольших деполяризаций до 1 мс для деполяризации до нуля мембранного потенциала.

Временной ход возрастания натриевой проводимости также имеет форму S-образной кривой, но описывается экспонентой, возведенной в третью степень. Напротив, спад натриевой проводимости в результате инактивации происходит по моноэкспоненциальной кривой. Для каждого конкретного скачка потенциала, общий временной ход изменений натриевой проводимости представляет собой результат наложения процессов активации и инактивации:

где gNa(max) — это максимальный уровень, которого натриевая проводимость достигла бы при отсутствии инактивации, a m = 1 — е —t/n Процесс инактивации представлен не нарастающей, а спадающей экспонентой, представленной как h = е —t/h . Как и в случае калиевой проводимости, gNa(max) зависит от потенциала, также как и временные константы активации и инактивации. Временная константа активации натриевой проводимости m гораздо короче калиевой, и при 10° С принимает значения от 0,6 мс (при значениях потенциала близких к потенциалу покоя) до 0,2 мс при нулевом мембранном потенциале. Временная константа инактивации h близка по значению константе n

Читайте также:  Какие токи совпадают по фазе
Реконструкция потенциала действия

Эмпирически полученные формулы, отражающие зависимость натриевой и калиевой проводимостей от потенциала и от времени, позволили Ходжкину и Хаксли предсказать временной ход всего потенциала действия и происходящих при этом изменений проводимостей. Начав с деполяризующего скачка потенциала, лишь немного превышающего пороговое значение, они рассчитали все последующие изменения мембранного потенциала с шагом 0,01 мс. Так, они подсчитали, как в течение первых 0,01 мс после деполяризации до -45 мВ изменятся gNa и gк , каково будет увеличение INa и IK , и, наконец, каким будет в результате воздействие суммарного тока на Vm . Зная значение Vm в конце первого отрезка времени в 0,01 мс, они повторили те же вычисления для следующего промежутка, затем для следующего, и так далее, на протяжении всех фаз нарастания и спада потенциала действия (исключительно трудоемкая процедура, если учесть, что ни компьютеров, ни даже калькуляторов в те времена не было!).

Результаты расчетов с удивительной точностью повторили форму реального потенциала действия аксона кальмара. Экспериментально измеренный и рассчитанный потенциалы действия при трех различных уровнях деполяризации. Для того, чтобы по достоинству оценить значимость этих достижений, нужно иметь в виду, что параметры, использовавшиеся для расчетов, были получены в совершенно неестественных условиях, при которых потенциал последовательно фиксировался на разных уровнях.

1. Малиновский А.А. Тектология. Теория систем. Теоретическая биология.

2. Человеческий потенциал: опыт комплексного подхода. Ред. Фролов И.Т.

3. Золотов Ю.А., Иванов В.М., Амелин В.Г. Химические тест-методы анализа.

Источник

Калиевый канал внутрь выпрямителя — Inward-rectifier potassium channel

Калиевые каналы с внутренним выпрямлением ( K ir , IRK ) представляют собой специфическую липидно-зависимую подгруппу калиевых каналов . На сегодняшний день идентифицировано семь подсемейств в различных типах клеток млекопитающих, растений и бактерий. Они активируются фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфатом ( PIP 2 ). Неисправность каналов связана с несколькими заболеваниями. Каналы IRK имеют поровый домен, гомологичный таковому потенциал-управляемых ионных каналов , и фланкирующие трансмембранные сегменты (TMS). Они могут существовать в мембране в виде гомо- или гетероолигомеров, и каждый мономер содержит от 2 до 4 ТМС. С точки зрения функции, эти белки транспортировки калия (К + ) , с большей тенденцией к К + поглощения , чем К + экспорт. Процесс внутренней ректификации был открыт Денисом Ноблом в клетках сердечной мышцы в 1960-х годах и Ричардом Адрианом и Аланом Ходжкином в 1970 году в клетках скелетных мышц.

Содержание

  • 1 Обзор внутреннего ректификации
  • 2 Механизм внутреннего выпрямления
  • 3 Активация PIP 2
  • 4 Роль K я- каналов
  • 5 Регулирование
  • 6 Структура
  • 7 Классификация K ir каналов
    • 7.1 Разнообразие
  • 8 Заболевания, связанные с K ir- каналами
  • 9 См. Также
  • 10 Ссылки
  • 11 Дальнейшее чтение
  • 12 Внешние ссылки

Обзор внутреннего ректификации

Канал, который «выпрямляется вовнутрь», — это канал, по которому ток (положительный заряд) легче проходит во внутреннем направлении (в ячейку), чем в наружном направлении (из ячейки). Считается, что этот ток может играть важную роль в регулировании нейрональной активности, помогая стабилизировать мембранный потенциал покоя клетки.

По соглашению, входящий ток (положительный заряд, движущийся в ячейку) отображается в зажиме напряжения как отклонение вниз, в то время как наружный ток (положительный заряд, движущийся из ячейки) отображается как отклонение вверх. При потенциалах мембраны, отрицательных по отношению к обратному потенциалу калия , внутренние выпрямляющие каналы K + поддерживают поток положительно заряженных ионов K + в клетку, подталкивая мембранный потенциал обратно к потенциалу покоя. Это можно увидеть на рисунке 1: когда мембранный потенциал ограничивается отрицательным значением потенциала покоя канала (например, -60 мВ), течет внутренний ток (т.е. положительный заряд течет в ячейку). Однако, когда мембранный потенциал устанавливается положительным по отношению к потенциалу покоя канала (например, +60 мВ), эти каналы пропускают очень небольшой ток. Проще говоря, этот канал пропускает гораздо больше тока во внутрь, чем наружу, в своем рабочем диапазоне напряжений. Эти каналы не являются идеальными выпрямителями, так как они могут пропускать некоторый внешний ток в диапазоне напряжений примерно на 30 мВ выше потенциала покоя.

Эти каналы отличаются от калиевых каналов, которые обычно ответственны за реполяризацию клетки в соответствии с потенциалом действия , таких как отсроченный выпрямитель и калиевые каналы А-типа . Эти более «типичные» калиевые каналы преимущественно проводят наружу (а не внутрь) калиевые токи при деполяризованных мембранных потенциалах, и их можно рассматривать как «внешнее выпрямление». Когда впервые было обнаружено, внутреннее выпрямление было названо «аномальным выпрямлением», чтобы отличить его от выходящих наружу калиевых токов.

Внутренние выпрямители также отличаются от калиевых каналов с тандемными поровыми доменами , которые в значительной степени ответственны за «утечку» K + -токов. Некоторые внутренние выпрямители, называемые «слабыми внутренними выпрямителями», переносят измеряемые наружу токи K + при напряжениях, положительных по отношению к потенциалу разворота K + (соответствующему, но большему, чем небольшие токи над линией 0 нА на рисунке 1). Они вместе с каналами «утечки» устанавливают мембранный потенциал покоя клетки. Другие каналы внутреннего выпрямления, называемые «сильными внутренними выпрямителями», вообще несут очень небольшой внешний ток и в основном активны при напряжениях, отрицательных по отношению к потенциалу разворота K + , где они несут внутренний ток (намного большие токи ниже линии 0 нА в Рисунок 1).

Механизм внутреннего выпрямления

Явление внутреннего выпрямления каналов K ir является результатом высокоаффинного блока эндогенными полиаминами , а именно спермином , а также ионами магния , которые закупоривают поры канала при положительных потенциалах, что приводит к уменьшению выходных токов. Этот зависящий от напряжения блок полиаминов приводит к эффективной проводимости тока только во внутреннем направлении. Хотя основная идея полиаминового блока понятна, конкретные механизмы все еще остаются спорными.

Активация PIP 2

Для активации всем K ir- каналам требуется фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (PIP 2 ). PIP 2 связывается и непосредственно активирует K ir 2.2 с подобными агонистам свойствами. В этом отношении K ir каналы представляют собой ионные каналы, управляемые лигандом PIP 2 .

Роль K ir каналов

K ir- каналы обнаруживаются во многих типах клеток, включая макрофаги , клетки сердца и почек , лейкоциты , нейроны и эндотелиальные клетки. Посредством передачи небольшого деполяризующего тока K + при отрицательных мембранных потенциалах они помогают установить мембранный потенциал покоя, а в случае группы K ir 3 они помогают опосредовать тормозные реакции нейротрансмиттеров , но их роль в клеточной физиологии различается в зависимости от типа клеток:

Место расположения Функция
сердечные миоциты K ir каналы закрываются при деполяризации, замедляя реполяризацию мембран и помогая поддерживать более длительный потенциал сердечного действия . Этот тип канала внутреннего выпрямления отличается от каналов K + выпрямителя с задержкой , которые помогают реполяризовать нервные и мышечные клетки после потенциалов действия ; и каналы утечки калия , которые во многом составляют основу мембранного потенциала покоя .
эндотелиальные клетки K ir каналы участвуют в регуляции синтазы оксида азота .
почки K ir экспортирует излишки калия в собирательные канальцы для удаления с мочой или, альтернативно, может участвовать в обратном захвате калия обратно в организм.
нейроны и в клетках сердца IRK, активируемые G-белком (K ir 3), являются важными регуляторами, регулируемыми нейротрансмиттерами. Мутация в канале GIRK2 приводит к мутации мышей-ткачей. Мутантные мыши «Weaver» атаксичны и демонстрируют опосредованную нейровоспалением дегенерацию их дофаминергических нейронов. По сравнению с неатаксическим контролем, у мутантов Уивера наблюдается дефицит моторной координации и изменения в региональном метаболизме мозга. Мыши Weaver были исследованы в лабораториях, заинтересованных в развитии нервной системы и заболеваниях, более 30 лет.
бета-клетки поджелудочной железы Каналы K ATP (состоящие из субъединиц K ir 6.2 и SUR1 ) контролируют высвобождение инсулина.

Регулирование

Зависимость от напряжения может регулироваться внешним K + , внутренним Mg 2+ , внутренним АТФ и / или G-белками . P-домены IRK-каналов демонстрируют ограниченное сходство последовательностей с таковыми из семейства VIC. Внутренние выпрямители играют роль в установке потенциалов клеточной мембраны, и закрытие этих каналов при деполяризации позволяет возникать длительные потенциалы действия с фазой плато. У внутренних выпрямителей отсутствуют внутренние спирали измерения напряжения, которые можно найти во многих каналах семейства VIC. В некоторых случаях, например, Kir1.1a, Kir6.1 и Kir6.2, было предложено прямое взаимодействие с членом суперсемейства ABC для придания уникальных функциональных и регуляторных свойств гетеромерному комплексу, включая чувствительность к АТФ. . Эти АТФ-чувствительные каналы находятся во многих тканях организма. Они делают активность канала зависимой от цитоплазматического соотношения АТФ / АДФ (увеличение АТФ / АДФ закрывает канал). Рецепторы сульфонилмочевины SUR1 и SUR2 человека (spQ09428 и Q15527 соответственно) представляют собой белки ABC, которые регулируют каналы Kir6.1 и Kir6.2 в ответ на АТФ, а CFTR ( TC # 3.A.1.208.4 ) может регулировать Kir1.1a.

Структура

Определены кристаллическая структура и функция бактерий семейства IRK-C. KirBac1.1 из Burkholderia pseudomallei имеет длину 333 аминоацильных остатка (aas) с двумя N-концевыми TMS, фланкирующими P-петлю (остатки 1–150), а C-концевая половина белка является гидрофильной. Он переносит одновалентные катионы с селективностью: K ≈ Rb ≈ Cs ≫ Li ≈ Na ≈ NMGM (протонированный N-метил-D-глюкамин ). Активность подавляется Ba 2+ , Ca 2+ и низким pH.

Классификация K ir каналов

Существует семь подсемейств K ir каналов, обозначаемых как K ir 1 — K ir 7. Каждое подсемейство имеет несколько членов (например, K ir 2.1, K ir 2.2, K ir 2.3 и т. Д.), Которые имеют почти идентичные аминокислотные последовательности в известных виды млекопитающих.

Читайте также:  Какие аккумуляторы заряжаются импульсным током

K ir каналы образуются из гомотетрамерных мембранных белков. Каждая из четырех идентичных белковых субъединиц состоит из двух альфа-спиралей, охватывающих мембрану (M1 и M2). Гетеротетрамеры могут образовываться между членами одного и того же подсемейства (например, K ir 2.1 и K ir 2.3), когда каналы сверхэкспрессированы.

Источник



Калиевый ток

Как мы теперь знаем, фаза деполяризации ПД обусловлена самоусиливающимся увеличением натриевой проводимости. Остается понять, каким образом после пика потенциала действия мембранный потенциал возвращается к уровню покоя, Ходжкин и Хаксли предположили, что задержанный выходящий ток (см. рис. 5–24) связан с выходом положительных зарядов, в результате которого и происходит уменьшение мембранного потенциала от пика ПД до уровня покоя. На рис. 5–31 приведена кривая зависимости задержанного тока от мембранного потенциала, полученная путем скачкообразного смещения этого потенциала и достаточно длительной фиксации его на разном уровне. Видно, что, когда мембранный потенциал смещается в положительную сторону, наклон этой кривой (т.е. проводимость мембраны) увеличивается. Это проявляется также в том, что через несколько миллисекунд после изменения потенциала (т. е. по достижении стационарного состояния) мембрана легче пропускает выходящий ток, чем входящий. Это свойство называется выпрямлением.

Рис. 5.31. Зависимость задержанного выходящего тока от мембранного потенциала (вольт–амперная характеристика). Эта характеристика была получена тем же методом, что и кривая Б в дополнении 5–4, однако в данном случае, как показано на врезке, измерялся не входящий, а выходящий ток. Видно, что через некоторое время после деполяризации мембрана легче пропускает выходящий ток, чем входящий. Это связано с тем, что часть калиевых каналов открывается только после деполяризации.

Было бы естественно предположить, что задержанный выходящий ток, вызванный деполяризацией, переносится ионами калия. Дело в том, что, по I мере того как внутриклеточный потенциал становится все более положительным по сравнению с Eк, ЭДС, действующая на ионы К + , возрастает [см. уравнение (5–10)]. Иными словами, когда мембранный потенциал сдвигается в положительную сторону, стремление ионов К + покинуть клетку и вывести положительные заряды усиливается. Во время пика ПД положительный внутриклеточный потенциал, «выталкивающий» ионы К + из клетки, достигает максимума. Кроме того, выход К + мог бы усиливаться и в результате повышения калиевой проводимости, о чем свидетельствует появление выходящего тока с некоторой задержкой после деполяризации (см. рис. 5–24).

Для проверки гипотезы о том, что выходящий ток переносится ионами К + , Ходжкин и Хаксли в 1953 г., используя радиоактивный калий, изучали перемещение ионов К + через мембрану под действием постоянного тока. Оказалось, что пропускание входящего (гиперполяризующего) тока сопровождалось небольшим выходом калия, а выходящий (деполяризующий) ток приводил к большому выходу калия. Более того, количественно выход калия соответствовал числу зарядов, переносимых выходящим током (рис. 5–32). Это говорило о том, что носителями выходящего тока являются ионы К + . Сегодня известно, что задержка увеличения мембранной проводимости для этих ионов в ответ на деполяризацию связана с тем, что деполяризация вызывает задержанную активацию каналов, избирательно пропускающих калий (см. табл. 5–1). Поскольку эти каналы открываются только при деполяризации мембраны, их срабатыванием вполне можно объяснить выпрямляющие свойства трансмембранного калиевого тока. Как мы уже говорили, задержка в возникновении выходящего тока в ответ на деполяризацию связана с относительно медленным открыванием калиевых каналов; натриевые каналы реагируют на деполяризацию значительно быстрее. Есть и другое различие между этими двумя каналами: натриевые каналы при деполяризации сначала открываются, а затем быстро закрываются (инактивация), в калиевых же каналах инактивация не происходит. В то же время эти каналы закрываются после того, как мембрана реполяризуется до уровня потенциала покоя. Поэтому если входящий ток, связанный с работой натриевых каналов, вызывает быструю регенеративную деполяризацию (цикл Ходжкина), то выходящий ток, обусловленный срабатыванием калиевых каналов, напротив, стремится реполяризовать мембрану. В свою очередь при реполяризации калиевые каналы закрываются.

Рис. 5.32. График зависимости количества выходящего из клетки радиоактивного изотопа К + от мембранного тока, полученный в условиях постоянной электрической деполяризации аксона кальмара. Линейный характер зависимости служит веским доказательством того, что выходящий ток переносится ионами К + . (Hodgkin, 1958.)

Задержанное увеличение калиевой проницаемости можно подавить с помощью некоторых агентов. Так, местные анестетики прокаин и ксилокаин ингибируют как калиевую, так и натриевую активацию и тем самым блокируют передачу импульсов по нервам. Ионы тетраэтиламмония (ТЭА), введенные в аксон кальмара, ингибируют только калиевую активацию (см. табл. 5.1), что приводит к более медленному развитию реполяризации и удлинению ПД.

5.6.6. Ионные механизмы потенциала действия: краткая сводка

Подытожим ту последовательность событий, в результате которой возникает ПД. В этом нам помогут кривые, представленные на рис. 5–33.

Рис. 5.33. Потенциал действия (А) и сопутствующие изменения натриевой и калиевой проводимости (Б).Параметр h (правая вертикальная ось на рис. Б) характеризует способность натриевых каналов активироваться (т. е. открываться) при деполяризации. Видно, что увеличение калиевой проводимости и снижение h длятся гораздо дольше, чем увеличение натриевой проводимости. (Hodgkin, Huxley, 1952с.)

1. С помощью электрода или внутриклеточного раздражителя создают выходящий ток, в результате чего с внутренней стороны мембраны накапливаются положительные заряды. При этом потенциал покоя снижается и возникает медленная деполяризация (рис. 5–33, точки а–б).

2. По мере того как мембранный потенциал приближается к пороговому уровню, начинают открываться натриевые каналы и возникает входящий ток, переносимый ионами натрия. Если мембранный потенциал ниже порогового, выход К + через калиевые каналы, в большом количестве открытые даже в состоянии покоя, компенсирует вход положительных зарядов, обусловленный натриевым током. Пороговый же потенциал характеризуется тем, что вход Na + начинает преобладать над выходом К + (точка б).

3. Входящий ток вызывает еще большую деполяризацию мембраны. Эта деполяризация приобретает самоусиливающийся, регенеративный характер: вход в клетку положительных зарядов приводит к сдвигу внутриклеточного потенциала в положительную сторону, при этом открываются новые натриевые каналы, вход Na + усиливается и потенциал становится еще более положительным (цикл Ходжкина). Эти процессы (при которых через мембрану перемещается лишь незначительное количество ионов Na + ) обусловливают фазу нарастания ПД.

4. По мере того как мембранный потенциал приближается к ENa, ЭДС, действующая на ионы Na + (VM — ENa), все более снижается. Вследствие этого скорость изменения потенциала начинает уменьшаться (точка в) – и так до тех пор, пока овершут не достигнет максимального значения, ненамного отличающегося от ENa (точка г). В максимуме ПД мембранный потенциал примерно на 120 мВ более положителен, чем потенциал покоя. Таким образом, в результате регенеративной деполяризации мембраны первичная пассивная деполяризация до порогового уровня (примерно на 20 мВ), вызванная электрическим стимулом, усиливается в 5–6 раз.

5.Начинается инактивация (закрывание) открывшихся натриевых каналов. Одного этого было бы достаточно для постепенного спада ПД и восстановления потенциала покоя, однако реполяризация ускоряется благодаря задержанному открывании потенциалзависимых калиевых каналов (см. ниже).

6. Начинают открываться калиевые каналы, и, поскольку на ионы К + действует ЭДС (VM — EK) небольшое количество ионов К + быстро выходит из клетки (следует помнить, что в покое в мембране уж имеется большое число открытых калиевых каналов, а при деполяризации это число увеличивается.–Прим. перев.). Вместе с ними из клетки удаляются положительные заряды, и благодаря этому мембрана быстро реполяризуется до уровня покоя (точке г–д).

По окончании реполяризации число вышедших из клетки ионов калия оказывается равным числу вошедших в нее ионов натрия, так что потенциал мембраны возвращается к уровню покоя. Инактивация натриевых каналов и высокая калиевая проводимость сохраняются после завершения потенциала действия в течение нескольких миллисекунд, и это обусловливает снижение возбудимости мембраны, характерное для периодов абсолютной и относительной рефрактерности. Во время периода абсолютной рефрактерности числа активируемых натриевых каналов недостаточно для того, чтобы входящий натриевый ток компенсировал выход К + . Во время же относительной рефрактерности деполяризующий сигнал достаточно большой амплитуды может активировать такое число натриевых каналов, чтобы, несмотря на множество открытых калиевых каналов, возник ПД. Однако вследствие высокой калиевой проводимости и значительной остаточной натриевой инактивации мембранный потенциал в точке максимума ПД не будет уже столь близок к ЕNa, и поэтому овершут будет меньше.

Натриевой инактивацией и калиевой активацией можно также объяснить повышение порога при подпороговой деполяризации, т. е. явление аккомодации (см. рис. 5–17). Разные мембраны обладают неодинаковой степенью аккомодации, и связано это с тем, что натриевая инактивация и калиевая активация характеризуются разной количественной зависимостью от времени и потенциала.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .

Источник