УЧЕБА и НАУКА /Основные компоненты и характеристики ионного канала и потенциала действия. БИОФИЗИКА. Семинар2
Курс БИОФИЗИКА
в проекте Открытое образование (раздел курсы МГУ). Максимов Георгий Владимирович
(страница создана 25.08.2021)
СЕМИНАР 2 создан 3 апр. 2019 г.
оценка: 19 из 20 возможных баллов
ТЕМА .
Основные компоненты и характеристики ионного канала и потенциала действия.
ИОННЫЕ КАНАЛЫ В СИСТЕМАХ МЕМБРАННОГО ТРАНСПОРТА
Функции белков клеточной мембраны, довольно разнообразны. Это клеточное узнавание, рецепция, соединение молекул, есть молекулы эффекторов, есть белки - ионные каналы, ионные переносчики, ионные АТФ-фазы. Ионные каналы входят в основные ион-транспортирующие системы клетки. Мембранный транспорт ионов через такие системы осуществляется несколькими способами:
1. Через ионные каналы - пассивный перенос в силу разности градиентов концентрации;
2. Механизмом котранспорта - за счет градиента одного иона переносится другой ион;
3. Работа белков насосов - за счет энергии АТФ;
4. Механизм переносчиков.
Распределение ионов внутри клетки и за пределами ее мембраны отличается. Вне клетки больше ионов натрия, хлора, кальция. Калия наоборот - больше внутри.
Для каждой пары ионов существуют белки, которые эти ионы переносят. Это позволяет клетке жить, функционировать, поддерживать объем.
Около 20% генома человека кодирует ионные транспортеры плазматической мембраны клеток.
ГРУППА БЕЛКОВ - ИОННЫХ КАНАЛОВ
Ионный канал – интегральный белок, он образует в мембране регулируемую пору для обмена клетки с окружающей средой ионами натрия, хлора, кальция и калия, водорода, а также водой.
Функции ионных каналов зависят от структуры их белка. Есть потенциал-управляемые каналы и лиганд-оперируемые каналы.
ПОТЕНЦИАЛ-УПРАВЛЯЕМЫЕ
Первые также называются еще потенциал чувствительными, потенциал-зависимыми, потенциал-активируемыми, voltage-gated. Активируются под воздействием сдвига электрического потенциала мембраны, превышающего критический уровень деполяризации. Этот тип натриевых и калиевых каналов обеспечивает генерацию нервного импульса.
В лекциях приведено несколько примеров таких белков: тетродотоксин-чувствительные, натриевые, калиевые Kdr-каналы задержанного выпрямления, кальциевые каналы пресинаптических окончаний аксонов.
ЛИГАНД ОПЕРИРУЕМЫЕ
Ацетилхолиновые рецепторные системы, серотонин чувствительные рецепторы, глутамат чувствительные. Эти названия получены по нейромедиаторным веществам.
СТРУКТУРА
Каждый ионный канал состоит как минимум из четырех компонентов.
1. На внешней мембране белок содержит селективный фильтр.
2. Внутри водная пора.
3. Два типа ворот инактивируемые(постоянные) или активируемые(в разных состояниях открытые или закрытые).
4. Спираль, которая отвечает за чувствительность потенциала, то есть является сенсором потенциала.
ФУНКЦИИ
Неуправляемые каналы находятся в открытом состоянии и пропускают через себя ионы за счёт диффузии по градиенту их концентрации, по электрическому градиенту зарядов по обе стороны мембраны. Потенциал-зависимые в лекциях рассмотрены на примере натриевого канала. Их ворота открываются и закрываются, блокируя пору, из-за изменений мембранного потенциала. Если он поддерживается на уровне потенциала покоя – закрыты, ток отсутствует. Если мембранный потенциал сдвигается в положительную сторону, то открываются, и в клетку начнут входить ионы натрия по градиенту концентрации.
Порообразующая альфасубьединица состоит из трансмембранных цилиндров, представляющих собой альфаспиральные сегменты.
БЛОКАТОРЫ
Могут закрывать канал как пробка или наоборот держать его принудительно в открытом состоянии.
Примеры блокаторов ионных каналов – тетродотоксин, скситоксин, токсин морской анемоны, токсин скорпиона, тетраэтиламмоний.
Подробнее можно рассмотреть тетродотоксин – небелковый яд, большое его количество в рыбах отряда четырехзубобразные, это дало ему название. Синтезировать его могут многие бактерии, часть которых симбионты этих рыб, рыбы способны его накапливать. Механизм действия – представляет собой соединение аминопергидрохиназолина с гуанидиновой группой. Походит по своим размерам и форме на ионы натрия, закупоривает натриевые каналы как пробка, блокируя ток ионов. Использовался в истории медицины как мощное обезболивающее при проказе и неоперабельной онкологии. Запрещен в силу высокой токсичности.
МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ КАНАЛОВ И ФИКСАЦИИ ИХ РАБОТЫ
Существует много методов структурной биологии, которые за счет структурной микроскопии позволяют исследовать белки и обнаруживать их функционирование. Наиболее адекватно работу ионных каналов отражают электрические методы. В лекциях рассмотрены:
1. Внутриклеточное отведение – регистрация деятельности каналов с помощью электрода. Микропипетка, заполненная ионами, проникает в клетку и можно регистрировать мембранный потенциал в этой области и интегральные токи.
2. Patch-пипетка, позволяет регистрировать отдельные каналы не проникая этой пипеткой внутрь клетки. За счет разницы давлений она просто присасывается к мембране клетки, создается сопротивление и с помощью электрической схемы можно регистрировать отдельные каналы.
3. Метод специфических блокаторов, останавливает работу каналов в некоторых местах, это позволяет изучать их работу подробно.
ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ
На примере аксоплазмы (это часть цитоплазмы нейрона, входящая в состав аксона). Как и протоплазма многих других клеток, аксоплазма имеет высокую концентрацию калия и в относительно низкую - натрия и хлора. Ионы калия внутри волокна не связаны с белками или другими крупными молекулами. В состоянии покоя мембрана более проницаема для калия, чем для натрия. Из-за диффузии K+ наружу из аксоплазмы внутреннее содержимое нервного волокна в состоянии покоя заряжено отрицательно по отношению к наружному раствору.
Эта постоянная разность потенциалов (потенциал покоя) равна 50-70 мВ. Если бы мембрана была проницаема только для K+ , равновесная разность потенциалов достигла бы значения, определяемого уравнением Нернста.
Зависимость потенциала покоя от концентрации K+ в среде описывается уравнением Гольдмана, которое выведено в рамках электродиффузионной теории в приближении постоянного поля. В состоянии покоя распределение хлора близко к равновесному, значит потоки хлора из клетки и внутрь ее одинаковы.
ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ
Нервные импульсы, возникающие в конкретных волокнах, постоянны по амплитуде и форме. Одиночный нервный импульс называется потенциалом действия и длится в среднем около 1 мс. Распространяется со скоростью от 1 до 100 м/с.
Возникновение импульса в результате местной деполяризации при действии тока фиксированной длительности (порядка 2 мс), но различной силы и направления. Возникают изменения мембранного потенциала. При пропускании гиперполяризующих или подпороговых деполяризующих импульсов мембрана заряжается экспоненциально от исходного до нового уровня с характерным временем t, равным произведению сопротивления на емкость мембраны.
При надпороговых деполяризующих импульсах происходит быстрое смещение значений потенциала внутренней части волокна до уровня +(40-50) мВ и последующий возврат с кратковременной следовой гиперполяризацией.
ГЕНЕРАЦИЯ ИМПУЛЬСА
Реверсия мембранного потенциала во время развития импульса вызвана тем, то на гребне спайка потенциала действия мембрана избирательно проницаема для натрия , так то отношение ионных проницаемостей становится равным PK : PNa = 1 : 20. В этих условиях потенциал на мембране приближается к равновесному натриевому потенциалу. Разность потенциалов на мембране, проницаемой только для натрия, выражается формулой Нернста.
В мембранах предельное вычисленное значение потенциала, равно +55 мВ, то лишь немного превышает экспериментально наблюдаемые значения обращенного потенциала. Эти выводы сохраняются, если воспользоваться для выражения мембранного потенциала более полной формулой, где учтены потоки хлора.
Процесс возбуждения развивается из-за зависимости проницаемости мембраны для ионов от мембранного потенциала. При достижении критической деполяризации, когда возрастает проницаемость мембраны для натрия, эти ионы устремляются внутрь и вызывают дальнейшую деполяризацию мембраны. Процесс продолжается до тех пор, пока потенциал не сместится до равновесного натриевого потенциала.
Источники: лекции курса, курс В. А. Дубынина «Физиология ЦНС», Рубин А. Б. «Биофизика».
__________ВСЕ КУРСЫ И СЕРТИФИКАТЫ ____________
я получила 5 сертификатов Московского Государственного Университета в проекте Открытое образование, чтобы не писать совсем уже ненаучную ересь, они доступны по ссылкам
Физиология ЦНС (центральной нервной системы) , экзамен - июнь 2018 года сертификат с отличием
Основы астрономии - экзамен - июнь 2018 года, с отличием
Нейрофизиология поведения -экзамен - декабрь 2018 года, с отличием Огромная благодарность куратору курса.(она же куратор Физиологии ЦНС) -Аника Абрамова )
Биофизика - сертификат, экзамен - май 2019 года. Курс сложный, считаю, что не знаю его даже на те баллы, которые получены на экзамене. Просто повезло. Огромная благодарность куратору курса - Эвелина Никельшпарг.. Продолжаю изучать это направление по учебникам.
Язык, культура и межкультурная коммуникация - сертификат - июнь 2019 года, Курс очень простой, но экзамен был в диких условиях, пришлось отвечать на вопрос за секунды, после каждого вопроса система грузилась минутут и это считалось временем ответа, в итоге все вопросы даже не были загружены я их не увидела и все они были помечены как не отвеченные соответственно никакого сертификата с отличием нет. По этому направлению, я думаю, знаю на порядок больше чем в материалах курса.
Физиология растений в который входит биохимия, цитология, генетика, гистология растений(строение тканей) Собственно для меня это четыре курса одновременно. Самый интересный и самый сложный материал из всего пройденного в проекте, самое лучшее его структурирование и оформление.
Сертификат не получала, экзамен вначалебыл мной отложен, а потом так и не сдавался по причине проблем с сердцем (вероятно мне больше нельзя сдавать экзамены, возможно в будущем это изменится). Но все семинары этого курса были сданы на отлично, поэтому приведены в качетстве примера в этой серии страниц
