Калиевый канал. Активация и управление калиевым каналом
Рисунок ниже демонстрирует электроуправляемый калиевый канал в двух состояниях: в покое (слева) и в конце потенциала действия (справа). В условиях покоя ворота калиевого канала закрыты, и это препятствует выходу ионов калия во внешнюю среду. Когда мембранный потенциал смещается от -90 мВ в направлении к нулевому уровню, это изменение потенциала вызывает конформационное открытие ворот, что обеспечивает усиленную диффузию ионов калия наружу через канал. Однако поскольку открытие калиевых каналов происходит с некоторой задержкой, большинство из них открываются в то время, когда натриевые каналы начинают закрываться в связи с их инактивацией. Таким образом, уменьшение входа натрия в клетку и одновременное увеличение выхода калия из клетки вместе ускоряют процесс реполяризации, приводя к полному восстановлению мембранного потенциала покоя в течение нескольких долей миллисекунды.
Типичные изменения состояния электроуправляемых натриевых (вверху) и калиевых (внизу) каналов при изменении мембранного потенциала от нормального отрицательного значения до положительных величин.
Показана последовательная активация и инактивация натриевых каналов и задержанная активация калиевых каналов.
Метод фиксации потенциала, позволяющий исследовать влияние уровня потенциала на открытие и закрытие электроуправляемых каналов. Первое исследование, которое привело к количественному пониманию работы натриевых и калиевых каналов, было настолько оригинальным, что выполнившие его ученые Ходжкин (Hodgkin) и Хаксли (Huxley) были удостоены Нобелевской премии.
На рисунке представлена схема экспериментальной установки для фиксации напряжения («вольт-кламп»), которую обычно используют для измерения величины ионных токов, протекающих через различные каналы. При использовании этого метода внутрь нервного волокна вводят два электрода. С помощью одного из них измеряют величину мембранного потенциала, а через другой пропускают ток внутрь волокна или из него. Эта систему используют следующим образом.
Исследователь решает, какой потенциал нужно установить внутри нервного волокна. Электронную часть аппарата настраивают на заданный потенциал, при этом через токовый электрод автоматически вводится положительный или отрицательный электрический ток такой величины, которая требуется для поддержания измеряемого другим электродом потенциала на уровне, установленном оператором. Когда мембранный потенциал с помощью этой системы внезапно повышается с -90 мВ до нуля, электроуправляемые ворота натриевых и калиевых каналов открываются, и ионы натрия и калия текут через каналы. Чтобы противостоять влиянию движения этих ионов на уровень внутриклеточного потенциала, через токовый электрод автоматически вводится электрический ток, необходимый для удержания внутриклеточного потенциала на заданном нулевом уровне.
Для достижения этого результата инъецируемый ток должен быть равен суммарному току, протекающему через мембранные каналы, но иметь противоположную полярность. С целью измерения величины тока, протекающего в каждый момент, токовый электрод соединяется с осциллоскопом, который регистрирует протекающий ток. Наконец, исследователь может изменять концентрации ионов относительно нормального уровня внутри или снаружи волокна и вновь повторять эксперимент. Это легко сделать при использовании в эксперименте крупных нервных волокон ракообразных, особенно гигантского аксона кальмара, диаметр которого иногда достигает 1 мм. Когда в растворах внутри и снаружи аксона кальмара единственным ионом, проникающим через мембрану, является натрий, система «вольт-кламп» измеряет ток, протекающий только через натриевые каналы. Когда единственным проникающим ионом является калий, измеряется ток, протекающий только через калиевые каналы.
Метод фиксации потенциалов для изучения ионных токов через специфические каналы.
Типичные изменения проводимости натриевых и калиевых ионных каналов при внезапном повышении мембранного потенциала от нормального значения в покое -90 мВ до уровня +10 мВ в течение 2 мсек.
Видно, что натриевые каналы открываются (активируются) и затем закрываются (инактивируются) до окончания 2 мсек, в то время как калиевые каналы только открываются (активируются), и скорость их открытия намного медленнее, чем у натриевых каналов.
Другим способом изучения тока ионов через особый тип каналов является блокирование каналов разных типов. Например, натриевые каналы можно блокировать с помощью так называемого тетродотоксина при действии его снаружи клеточной мембраны, где расположены активационные ворота для ионов натрия. И наоборот, тетраэтиламмоний блокирует калиевые каналы при действии токсина изнутри нервного волокна.
На рисунке показаны типичные изменения проводимости электроуправляемых натриевых и калиевых каналов при внезапном изменении мембранного потенциала с помощью системы фиксации потенциала от -90 до +10 мВ с последующим (через 2 мсек) возвращением к уровню -90 мВ. Видно, что в ответ на увеличение мембранного потенциала до положительного значения происходит стремительное (в течение долей миллисекунды) открытие натриевых каналов (фаза активации). Однако в течение примерно следующей миллисекунды натриевые каналы автоматически закрываются (фаза инактивации).
Обратите внимание на открытие калиевых каналов. Они открываются медленно и достигают максимального открытия после того, как натриевые каналы почти полностью закрылись. Сразу после открытия калиевые каналы остаются в открытом состоянии во время всего периода поддержания положительного уровня мембранного потенциала и не закрываются до тех пор, пока мембранный потенциал не вернется к своему отрицательному значению.
