Белки различных каналов очень сходны между собой по структуре и функциям; полагают, что все они происходят от Са2+-канала. Поскольку наиболее тщательно исследована молекула Na+-канала, мы вновь обратимся к нему. Na+-канал состоит из гликопротеина с молекулярной массой ~ 300 000. Недавно установлена его аминокислотная последовательность. Изолированные молекулы можно включить в искусственные липидные мембраны, где они продолжают функционировать [8]. Число имеющихся в мембране Na+-каналов можно определить путем «титрования» тет-родотоксином, который связывается с этими каналами, или путем деления величины Na+-токa через мембрану площадью 1 мкм2 на амплитуду тока одного канала. Разные типы мембран содержат от 1 до 50 каналов на 1 мкм2. При плотности 50 каналов-мкм-2 среднее расстояние между ними составляет около 140 нм. Если принять диаметр молекулы канала равным примерно 8 нм, а диаметр просвета канала, когда он открыт,- около 0,5 нм, то оказывается, что каналы находятся друг от друга довольно далеко.
Рис. 2.15. Модель натриевого (Na)-канала в мембране. Компоненты мембраны и ионы изображены в приближенном масштабе. Ионы Na+ проходят через пору; прерывистыми стрелками показано место действия ингибиторов-тетродотоксина (ТТХ, блокирует вход в пору) и проназы или иодата (предотвращают инактивацию) (по [9. 14] с изменениями)
В течение 1 мс открытого состояния через один такой канал входит примерно 1 пА тока, перенося заряд, равный 10~15 Кл. Емкость мембраны обычно равна 1 мкФ*см-2 или 10~14 Фмкм-2. Поскольку 1Ф = 1 КлВ-1, заряд величиной 10~15 Клмкм-2, который входит в клетку за время одного открывания каналов, достаточен для смещения мембранного потенциала на 100 мВ; иными словами, такой заряд обеспечивает фазу нарастания потенциала действия. Заряд величиной 10~15 Кл переносит 6000 ионов Na+. Повышение внутриклеточной концентрации, обусловленное поступлением 6000 ионов Na+ в примембранную область объемом 1 мкм3, пренебрежимо мало, 10~5 М. Следовательно, токи каналов достаточно велики для обеспечения генерации потенциала действия, но не создают заметных изменений внутриклеточных концентраций ионов (за исключением [Са2+];). Таким образом, восстановление трансмембранных ионных градиентов посредством Na/K-насоса не играет роли в случае одиночного потенциала действия.
Белок Na+-канала должен быть способен не только быстро включать массивный поток Na+, но и предотвращать одновременный вход других ионов, особенно К+, которые имеют почти те же размеры. Значит, Na+-каналы должны характеризоваться избирательностью. Что касается анионов, то они удерживаются отрицательными зарядами у входа в канал, как это показано на схеме (рис. 2.15). Из мелких катионов Li+ проходит через Na+-канал относительно хорошо, тогда как К+ практически не пропускается. Избирательность можно объяснить только специфическим связыванием иона во время его прохождения через канал, о чем уже говорилось при обсуждении энергетического уровня связывания вдоль канала.
Кроме избирательности для Na+, Na+-канал должен обладать способностью быстро изменять свою проницаемость при изменениях мембранного потенциала. Следовательно, молекула Na+-канала должна нести заряды, которые могут смещаться под влиянием сдвигов силы электрического поля через мембрану. Смещения этих зарядов регистрируются в виде «воротных токов» [3, 9, 23] после полной блокады ионных каналов; воротные токи свидетельствуют о смещении по крайней мере 4 зарядов на канал. Эти 4 заряда представлены на рис. 2.15 как «датчик электрического поля», способствующий изменению конформации молекулы, при котором канал открывается. Открытое состояние нестабильно и преобразуется спонтанно в закрытое инактивиро-ванное состояние. Инактивация осуществляется участками канального белка, находящимися на внутренней стороне мембраны. Вещества, которые действуют внутриклеточно, например иодат или прона-за, а также специфические токсины и фармакологические препараты, могут блокировать инактивацию.
Еще один способ блокады Na+-канала представляет интерес для медицины. Местные анестетики используются для предотвращения генерирования и распространения возбуждения в нервах, с тем чтобы потенциалы действия от «болевых рецепторов» не поступали в ЦНС. Анестетики обычно вводят около того нерва, который нужно блокировать. Однако их молекулы связываются только с открытыми каналами, в участке между входом в селективную пору и «воротами» (рис. 2.15) [25, 30]. Молекулы местных анестетиков слишком велики, чтобы войти в устье канала с наружной стороны мембраны. Они могут входить в открытый канал только с внутренней стороны мембраны или же, если они жирорастворимы, через липидную мембрану. Вызываемые ими закрывания канала часто продолжаются только несколько миллисекунд, но повторяются с высокой частотой; разбивая ток одиночного канала на много коротких фрагментов, анестетики делают вход Na+ неэффективным.
