§ 1. Свойства ионных каналов Клеточная мембрана нервной клетки

Клеточные мембраны состоят из жидкой фазы липидов и встроенных в липиды белковых мо-

(А)

Рис. 2.1. Клеточная мем­брана и ионный канал. (А) Клеточные мембраны состоят из жидкой фа­зы липидов и встроен­ных в липиды белковых молекул. Пронизывающие мембрану (трансмембран­ные) белки образуют ион­ные каналы. (В) Схематич­ное представление ионно­го канала с центральной водной порой и воротным механизмом (G).

lOnm

Fig. 2.1. Cell Membrane and Ion Channel. (A) The cell membrane is composed of a lipid bilayer embedded with proteins. Some of the proteins traverse the lipid layer, and some of these membrane-spanning proteins form membrane channels. (B) This schematic representation shows a membrane channel in cross section, with a central water-filled pore and channel "gate" (G). The gate opens and closes irregularly; the probability of opening may be regulated by the membrane potential by the binding of a ligand to the channel or by other biophysical or biochemical conditions. A sodium ion, surrounded by a single shell of water molecules, is shown to scale in the pore for size comparison.

36

Раздел П. Передача информации в нервной системе

лекул. Как показано на рис. 2.1 А, молекулы липидов организованы в двухслойную мем­брану (бислой) толщиной около 6 нм. Поляр­ные гидрофильные головки липидов обраще­ны к поверхностям мембраны, а гидрофобные хвосты вытянуты к середине бислоя. Лип иды плохо пропускают воду и практически не­проницаемы для ионов. Белковые молекулы частично погружены в слой липидов, либо с внеклеточной, либо с цитоплазматической стороны. Некоторые белки целиком прони­зывают мембрану. Именно пронизывающие мембрану (трансмембранные) белки образу­ют ионные каналы. Основные ионы, участ­вующие в генерации электрических сигналов, такие как калий, натрий, кальций или хлор, движутся через ионные каналы пассивно бла­годаря градиенту концентраций и электриче­скому потенциалу мембраны.

Другие трансмембранные белки служат в качестве насосов и переносчиков, обеспечи­вающих транспорт веществ через клеточную мембрану против электрохимических гради­ентов. Транспортные механизмы поддержи­вают ионный состав цитоплазмы, удаляя или возвращая те ионы, которые прошли кле­точную мембрану по их электрохимическим градиентам. Они также выполняют важную функцию переноса через клеточные мембра­ны субстратов метаболических реакций, та­ких как глюкоза и аминокислоты. Свойства транспортных молекул обсуждаются в главе 4.

Как выглядят ионные каналы?

Молекулярное строение ионных каналов и их внутримембранное устройство обсуждаются в деталях в главе 3. В контексте данной главы полезно, однако, дать несколько общих харак­теристик физическим свойствам ионных ка­налов. Трансмембранный ионный канал име­ет центральную водную пору, сообщающуюся как с внеклеточным, так и с внутриклеточ­ным пространством (рис. 2.1В). С обеих сто­рон канала пора расширяется, образуя устья. Узкая внутримембранная часть ионного кана­ла формирует ворота, которые могут откры­ваться и закрываться, регулируя прохождение ионов.

Размер белка ионного канала варьирует в значительной степени в зависимости от ти­па канала. Некоторые ионные каналы имеют дополнительные структуры (и связанные с ни­ми новые свойства). На рис. 2.1В представлен типичный канал средних размеров. Для со­поставления размеров иона и ионного канала

на рисунке изображен гидратированный ион натрия.

Избирательность каналов

Мембранные каналы отличаются по своей из­бирательности: некоторые проницаемы для катионов, другие для анионов. Некоторые катионные каналы являются селективными по отношению только к одному виду ио­на. Например, некоторые каналы проница­емы исключительно для ионов натрия, другие для ионов калия, прочие для ионов каль­ция. Однако существуют относительно несе­лективные катионные каналы, позволяющие проходить даже небольшим органическим ка­тионам. Анионные каналы, связанные с пе­редачей электрического импульса, обладают низкой специфичностью. Однако они, как правило, называются «хлорными каналами», потому что ион хлора является наиболее рас­пространенным подвижным анионом в био­логических жидкостях. Вдобавок, некоторые каналы (называемые коннексонами) соеди­няют соседние клетки и проницаемы как для многих неорганических ионов, так и для не­которых мелких органических молекул. Кон-нексоны обсуждаются в главе 7.

Открытое и закрытое состояния

Хотя для простоты мы часто представляем белковые молекулы как статические структу­ры, они таковыми вовсе не являются. Из-за своей тепловой энергии все большие молеку­лы внутренне нестабильны. При комнатной температуре химические связи растягивают­ся и ослабляются, то есть постоянно коле­блются по отношению к устойчивому состо­янию. Несмотря на то, что эти индивиду­альные движения составляют величину толь­ко около 10~¹² м (с частотой, достигающей 10¹³ Гц), такие атомные колебания могут при­водить в итоге к гораздо более значитель­ным и более медленным изменениям в струк­туре молекул. Это происходит потому, что многочисленные быстрые движения атомов периодически создают условия для взаимо­действия функциональных групп белка, не­смотря на наличие взаимных отталкивающих сил. Взаимодействия функциональных групп приводят к кинетическим переходам белка, которые, раз возникнув, могут длиться мно­гие миллисекунды или даже секунды. Извест­ным примером может служить молекула ге­моглобина. Центры связывания кислорода за­ключены внутри макромолекулы этого белка,