Глава 2. Ионные каналы и нейрональная сигнализация

37

и к ним нет постоянного свободного доступа. Связывание кислорода может быть достигнуто только за счет транзиторного доступа молекул газа к центрам связывания на молекуле гема. Таким образом, молекула гемоглобина «ды­шит», периодически становясь доступной для связывания кислорода, иначе данный белок был бы не способен выполнять предназна­ченную функцию по переносу газов¹).

Для ионных каналов функционально важ­ными яаляются переходы .между открытым и закрытым состояниями. Эти переходы со­вершаются практически моментально. С дру­гой стороны, при системном изучении пове­дения любого ионного канала мы обнаружим, что время открытого состояния варьирует слу­чайным образом. Иногда канал открыт толь­ко одну миллисекунду или даже меньше, хотя в следующий раз он может быть открыт на го­раздо более продолжительное время (рис. 2.4). Тем не менее, каждый канал имеет характер­ное среднее время открытого состояния (г), и все вариации происходят вокруг этого сред­него показателя.

Некоторые ионные каналы открываются достаточно часто даже в покое. Иными сло­вами, вероятность нахождения таких кана­лов в открытом состоянии в неактивирован­ной клетке относительно высока. Большин­ство таких ионных каналов проницаемо для калия или хлора. Они важны для генерации мембранного потенциала покоя. Остальные ионные каналы при этом закрыты, то есть вероятность нахождения их в открытом со­стоянии очень низка. Активация этих каналов адекватным стимулом резко увеличивает ве­роятность открытия. Этот же стимул может деактивировать ионные каналы, бывшие ак­тивными в покое. Важно помнить, что акти­вация или деактивация канала означает возра­стание или снижение вероятности открытия канала, но не увеличение или уменьшение времени открытого состояния (г) канала.

Помимо активации и деактивации, ион­ный ток через каналы регулируется двумя другими факторами. Первый фактор заключа­ется в том, что ионный канал переходит в но­вое конформационное состояние, в котором обычный активирующий стимул не способен вызвать открытие канала. Для ионных кана­лов, активируемых деполяризацией, такое со­стояние называется инактивацией. Для кана­лов, отвечающих на химические стимулы, это состояние известно как десенситнзация. Вто­рой механизм — блок открытого канала. Такое

случается, когда, например, крупная молеку­ла (такая как токсин) связывается с ионным каналом и физически закупоривает пору. Дру­гим примером может служить блокирование некоторых катионных каналов ионами маг­ния. В этом случае ионы магния сами не про­никают через ионный канал, но связываются с каналом в области его устья и тем самым мешают проникновению других катионов.

Способы активации

Рис. 2.2 суммирует представления о спосо­бах активации ионных каналов. Некоторые каналы специфически отвечают на физичес­кие изменения в клеточной мембране нейро­на. Наиболее яркими представителями этой группы являются потенциал-активируемые ка­налы. Примером может служить чувствитель­ный к потенциалу натриевый канал, который отвечает за регенеративную деполяризацию, лежащую в основе генерации потенциала дей­ствия (глава 6). К этой группе относятся также механочувствительные ионные каналы, кото­рые отвечают на механическое воздействие на клеточную мембрану. Рецепторы растяже­ния, содержащие ионные каналы такого рода, найдены в механорецепторах кожи (глава 17).

Другие ионные каналы открываются тогда, когда химические агенты активируют связы­вающие центры на молекуле канала. Такие лнганд-актнвнруемые ионные каналы подраз­деляются на две подгруппы, в зависимости от того, являются ли активные центры вну­триклеточными или внеклеточными. Кана­лом, отвечающим на внеклеточную актива­цию, является катионный канал постсинапти-ческой мембраны в скелетной мышце. Этот канал активируется нейротрансмиттером аце-тилхолином, освобождающимся из двигатель­ного нервного окончания (глава 9). Открытие ацетилхолин-активируемого ионного канала позволяет ионам натрия войти в клетку, вы­зывая деполяризацию мышечного волокна.

Лиганд-активируемые каналы, отвечаю­щие на внутриклеточные стимулы, включа­ют каналы, чувствительные к местным изме­нениям концентрации специфических ионов. Например, кальций-активируемые калиевые каналы активируются локальным повышени­ем концентрации внутриклеточного кальция. Такие каналы играют важную роль в реполя-ризации клеточной мембраны во время завер­шения потенциала действия. Помимо ионов кальция, типичными представителями лиган-дов, активирующих ионные каналы с ци-

38

Раздел П. Передача информации в нервной системе

(A) Channels activated by physical changes in the cell membrane

Voltage-activated (B) Channels activated by ligands

Stretch-activated

i Ligand

Extracellular activation

Рис. 2.2. Способы акти­вации ионных каналов. (А) Ионные каналы, ак­тивируемые изменением мембранного потенциала или растяжением мембра­ны. (В) Ионные каналы, активируемые химически­ми агентами, либо с вне­клеточной, либо с внутри­клеточной стороны.

Fig. 2.2. Modes of Channel Activation. The probability of channel opening is influenced by a variety of stimuli. (A) Some channels respond to changes in the physical state of the membrane, specifically changes in membrane potential (voltage-activated) and mechanical distortion (stretch-activated). (B) Ligand activated channels respond to chemical agonists, which attach to binding sites on the channel protein. Neurotransmitters, such as glycine and acetylcholine, act on extracellular binding sites. Included among a wide variety of intracellular ligands are calcium ions, subunits of G proteins, and cyclic nucleotides.

топлазматической стороны мембраны, явля­ются циклические нуклеотиды. Циклический ГМФ, например, отвечает за активацию на­триевых каналов в палочках сетчатки. Такой тип канала играет принципиальную роль в ра­боте зрительного анализатора (глава 19).

Эта классификация не является достаточ­но строгой. Например, кальций-активируе-мые калиевые каналы чувствительны также к изменению потенциала, а некоторые потен-циал-активируемые ионные каналы чувстви­тельны к внутриклеточным лигандам.