МедУнивер - MedUniver.com Все разделы сайта Видео по медицине Книги по медицине Форум консультаций врачей  
Рекомендуем:
Генетика:
Генетика
Аномалии хромосом
Биология клетки
Генетика врожденных пороков
Генетика рака - опухолей
Молекулярная генетика
Наследственные синдромы
Цитогенетика - исследование хромосом
Лечение наследственных болезней
Фармакогенетика
Форум
 

Транспорт ионов натрия через плазматическую мембрану

• Для функционирования Na+-каналов необходимо существование направленного в клетку градиента Na+, который создается с помощью Na+/K+-АТФазы

• Электрические заряды на клеточной мембране активируют потенциал-зависимые Na+-каналы

• Пора потенциал-зависимых Na+-каналов образуется из одной субъединицы, однако их общая структура напоминает структуру 6ТМ/1Р К+-каналов

• Потенциал-зависимые Na+-каналы инактивируются специфическими гидрофобными остатками, которые блокируют пору

Клетка поддерживает градиент концентрации Na+, направленный от внеклеточной среды, что является необходимой предпосылкой для работы многочисленных систем мембранного транспорта, зависимых от ионов Na+. Электрохимический градиент Na+ по обеим сторонам мембраны создается с помощью Na+/K+-АТФазы. Эта АТФаза также называется Na+-насосом, поскольку использует энергию АТФ для транспорта ионов Na+ и К+ против их электрохимического градиента.

На каждые два иона К+, поступающих в клетку, из нее удаляются три иона Na+. Таким образом, Na+-Hacoc выполняет функцию электрогенератора, поскольку вызывает снижение общего электрического заряда клетки. Выход из клетки положительных зарядов приводит к тому, что ее содержимое заряжается более отрицательно по отношению к внеклеточной среде. Na+-насос позволяет клетке поддерживать отрицательное значение потенциала покоя. Энергия, необходимая для установления электрохимического градиента Na+, поставляется за счет гидролиза АТФ и сохраняется в форме электрохимического градиента Na+ и К+ по сторонам плазматической мембраны.

Биологическая роль электрохимического градиента Na+ выяснилась после обнаружения большого количества Na+-зависимых каналов и белков переносчиков, функционирование которых непосредственно связано с существованием этого градиента. Некоторые из этих вторичных транспортных систем, зависимых от Na+ или от электрического заряда, перечислены на рисунке ниже. Они используют электрохимический градиент Na+, направленный в клетку, и запасенную энергию для транспорта метаболитов против градиента концентрации или для генерации электрических сигналов в виде потенциала действия.

Две основные группы Na+-зависимых мембранных белков включают потенциал-зависимые натриевые каналы, которые рассматриваются в данной статье, и эпителиальные Na+-каналы.

Топология потенциал-зависимых натриевых каналов
Предполагаемая топология а-субъединицы потенциал-зависимых Na+-каналов.
Так же как и в К+-каналах, четыре порообразующих сегмента, состоящие из трансмембранных спиралей 5 и 6 и соединяющих их Р-петель,
образуют селективный фильтр и ворота канала.
Слева показан трансмембранный градиент Na+.

Возбудимые клетки, например нейроны, мышечные и эндокринные, генерируют электрические сигналы или реагируют на них. Эти клетки активируются за счет быстрых и обратимых изменений их мембранного потенциала покоя, которые, например, происходят при возникновении и распространении потенциала действия. При активации эти клетки используют трансмембранный градиент Na+, образованный за счет Na+/К+-АТФазы, для перевода электрических сигналов на мембране в клеточные функции.

Критическую роль в этом процессе играют потенциал-зависимые Na+-каналы, поскольку они активируются при деполяризации, которая приводит к тому, что мембранный потенциал быстро приобретает более положительный заряд. Когда величина мембранного потенциала достигает критического порогового значения, происходит открытие Na+-канала, и ионы начинают транспортироваться в клетку, в направлении электрохимического градиента. Через несколько миллисекунд Na+-канал самопроизвольно инактивируется (закрывается) и поток ионов прерывается. В физиологических условиях быстрый поток относительно небольшого количества ионов Na+-приводит к перемене знака электрического заряда плазматической мембраны (деполяризация), однако он не влияет на общую концентрацию Na+ в клетке.

Na+-каналы являются интегральными белками плазматической мембраны и транспортируют ионы Na+ в клетку в направлении градиента. Они катализируют транспорт ионов с высокой скоростью, достигающей 108 ионов на канал в 1 с Потенциал-зависимые Na+-каналы содержат порообразующую а-субъединицу и дополнительные субъединицы, b1 и b2. Субъединица а состоит из четырех повторяющихся доменов (I—IV), обладающих близким строением. Каждый из повторяющихся доменов содержит шесть трансмембранных сегментов, обладающих структурой а-спирали (1-6), в том числе сегменты 5 и 6, с соединяющими поровыми (Р) петлями. Сенсоры заряда расположены в сегменте 4, который содержит положительно заряженные остатки аминокислот. Строение потенциал-зависимого Na+-канала на уровне атомарных структур еще не выяснено.

Однако предполагается, что он обладает осью симметрии четвертого порядка, расположенной вдоль пути транспорта ионов, который облицован четырьмя доменами, состоящими из сегментов 5,6 и Р-петель. По предполагаемому строению, Na+-канал напоминает потенциал-зависимый К+-канал, с тем исключением что последний собран из четырех отдельных идентичных субъединиц.

Эксперименты по мутагенезу, в которых оценивали влияние замен аминокислот на функции ионных каналов, позволили предположить, что Р-петли являются частью селективного фильтра Na+-канала. Р-петли содержат сигнатурную последовательность Trp-Asp-Gly-Leu. Мутации в этой последовательности влияют на селективность канала по отношению к катионам. Р-петля также способна связывать тетродотоксин рыбы фугу. Связывание этого токсина приводит к инактивации потенциал-зависимых Na+-каналов, участвующих в генерации и распространении потенциала действия нейронов, что вызывает паралич ЦНС.

Считается, что происходящие при деполяризации мембраны изменения конформации и перемещение сенсоров заряда лежат в основе быстрой активации (открытия) потенциал-зависимых Na+-каналов, подобно тому как это имеет место для потенциал-зависимых К+-каналов. При этом на кинетику и зависимость воротного механизма от заряда влияют b-субъединицы. Они также участвуют в транспорте ионов и определяют локализацию Na+-каналов в плазматической мембране.

После потенциал-зависимой активации Na+-каналов происходит их потенциал-зависимая инактивация (закрытие). Предполагается, что инактивация происходит в два этапа, вначале наступает быстрая инактивация, а затем вторая фаза медленной инактивации. Как установлено в экспериментах с использованием сайт-направленного мутагенеза, основным компонентом системы быстрой инактивации является цитоплазматическая петля между доменами III и IV а-субъединицы Na+-канала. Как предполагают, эта цитоплазматическая петля, подобно крышке, закрывает отверстие поры канала, причем последовательность Ile-Phe-Met (IFM) служит в качестве гидрофобной «задвижки».

Фланкирующие IFM остатки глицина и пролина сообщают необходимую гибкость «петле задвижки» и обеспечивают закрытие поры. В то же время медленная инактивация зависит от Р-петли и включает фазу конформационных изменений наружного устья поры. В событиях медленной фазы инактивации также может принимать участие центральная область четвертого сегмента сенсора электрического заряда.

Na+-каналы служат важными мишенями действия анестетиков. Исследования с применением сайт-направленного мутагенеза показали, что местные анестетики имеют повышенное сродство к домену IV и к трансмембранномусегменту6,которыйвыстилаетпоры Na+-каналов. Некоторые лекарственные препараты, используемые для коррекции сердечного ритма, также ингибируют транспорт ионов через потенциал-зависимые Na+-каналы. Эти препараты, относящиеся к антиаритмическим средствам I класса, по химической структуре близки к таким местным анестетикам, как четвертичные амины, которые действуют на нейроны.

При развитии сердечных аритмий происходит аномальная деполяризация мембраны. Считается, что антиаритмические средства I класса селективно подавляют потенциал-зависимые Na+-каналы, которые находятся в инактивированном состоянии. Эти антиаритмические препараты и близкие к ним по структуре местные анестетики очевидно, связываются с Na+-каналом со стороны клетки, и ингибируют деполяризацию мембраны, которая служит причиной развития аритмии.

Инактивация потенциал-зависимых натриевых каналов
Для быстрой инактивации Na+-каналов с внутренней стороны поры используется механизм шарнирной крышки.
На внутриклеточной петле, соединяющей домены III и IV канала,
находится гидрофобная последовательность инактивации IFM (Ile-Phe-Met), которая блокирует пору закрытого канала
Транспорт ионов натрия через плазматическую мембрану
Na+/K+-АТФаза поддерживает градиент Na+ по сторонам плазматической мембраны, удаляя из клетки ионы Na+.
Транспорт ионов в клетку в направлении градиента обеспечивается Na+-каналами.
Некоторые переносчики используют высвобождающуюся при этом энергию для транспорта других метаболитов против градиента концентрации.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

- Также рекомендуем "Эпителиальные натриевые каналы (ENaCs) мембраны клетки"

Оглавление темы "Проницаемость мембраны клетки":
  1. Механизмы деления клеток
  2. Механизмы дифференцировки клеток в специализированные
  3. Проницаемость мембраны клетки для ионов и молекул
  4. Транспортные каналы и белки клеточной мембраны
  5. Гидратная оболочка клетки и степень гидратации
  6. Мембранный потенциал и электрохимический градиент
  7. Калиевые каналы мембраны клетки
  8. Воротный механизм калиевых каналов - гейтинг
  9. Транспорт ионов натрия через плазматическую мембрану
  10. Эпителиальные натриевые каналы (ENaCs) мембраны клетки
Медунивер Мы в Telegram Мы в YouTube Мы в VK Форум консультаций врачей Контакты, реклама
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.