3. К-КАНАЛЫ
Потенциал-зависимые калиевые каналы так же, как и натриевые, распространены повсеместно в наружных мембранах нервных клеток и играют столь же важную роль в передаче скоростных сигналов. В отличие от ионов натрия, которые вызывают локальную деполяризацию мембраны и генерирование потенциала действия, калиевые каналы приводят к гиперполяризации нейрона и появлению тормозных потенциалов. Система быстрых калиевых каналов играет большую роль в стабилизации ритмической деятельности нейрона, которая является основным способом кодирования и передачи клеткой химических сигналов. Характерной чертой участия калиевых каналов в ритмической активности является резкое замедление нарастания деполяризации мембраны, вызванной предшествующим входом ионов Na.
Калиевые каналы являются более избирательными для ионов: они не пропускают практически ионы Na, проницаемость для ионов Rb, NH4+ сравнительно мала. Полагают, что селективный фильтр калиевого канала имеет размеры порядка 0,26-0,3 нм. Ионы большего размера не проходят через канал по стерическим причинам, ионы меньшего диаметра — в связи с тем, что они не могут успешно взаимодействовать с кислородо-содержащими анионами, находящимися в боковых цепях гидрофильных аминокислот, которые выстилают внутреннюю белковую пору.
Калиевые каналы подразделяются на три подтипа в зависимости от скорости проведения: быстрые, средние и медленные. Первые два подтипа каналов являются зависимыми от ионов Са и блокируются токсином скорпиона, в то время как третий вид калиевого канала блокируется одним из токсинов ада кобры и пчелы — апамином.
Структура К-каналов в принципе сходна со структурой Na-каналов. На основании данных радиационной инактивации замороженных мембран были определены молекулярные массы для целого олигомерного комплекса — от 165 до 400 кД в зависимости от типа клетки. Обнаружено, что у разных организмов сочетание полипептидных компонентов, составляющих макромолекулу ионофора, существенно различается. В отличие от белков других каналов белки калиевых каналов практически не гликозилированы.
Недавно были проведены работы по выделению генов, кодирующих синтез калиевых канальных полипептидов. Специфическая мРНК, выделенная из мозга крыс, была инъецирована в ооциты лягушки. Показано, что в этом случае регистрируются "новые" калиевые каналы. Найдена высокая степень го-мол огичности между нуклеотидными последовательностями, кодирующими синтез калиевых каналов в разных клетках. Особенно это касалось гидрофобных доменов, которые оказались наиболее консервативными в эволюции.
4. Са-КАНАЛЫ
Транспорт Са+ через кальциевые каналы жизненно важен для разнообразных клеточных функций, особенно в нервной ткани. Электровозбудимые кальциевые каналы изучены преимущественно на нейронах моллюсков. Сейчас становится очевидным, что у высших позвоночных они мало отличаются по физико-химическим характеристикам.
Специфичность кальциевых каналов не очень высока, они способны пропускать из наружной среды Na+ и ионы других щелочных металлов, если концентрация Са+ в наружной среде находится ниже микромолекулярного уровня. Кальциевые каналы пропускают также катионы других двухвалентных металлов, например Mg+ и Мп+. Однако эти катионы легко связываются внешней химической группировкой канала и становятся при определенных концентрациях эффективными блокаторами кальциевого канала. Полагают, что эта группировка является карбоксильной группой, находящейся в устье канала.
Общая схема молекулярной организации кальциевых каналов сходна с описанной выше для Na-каналов. Однако главная а-субъединица окружена большим числом субъединиц, служащих модуляторами активности канала. Пока не ясно, какие химические группировки ответственны за трансмембранный перенос кальция, понятно только, что он - существенно зависит от внутриклеточной концентрации Са+ и функционирования системы циклических нуклеотидов.
Несмотря на то, что численность кальциевых каналов значительно меньше, чем натриевых и калиевых ион-транспортных систем, при определенных условиях они могут самостоятельно вызывать деполяризацию нейрона. Однако сейчас очевидно, что главная функция кальциевых каналов состоит в сопряжении электровозбудимости с внутриклеточными процессами. Эта функция кальциевых каналов особенно важна для включения механизма выхода нейромедиатора из нервного окончания.
5. СИСТЕМЫ АКТИВНОГО ТРАНСПОРТА ИОНОВ. Na+/K+ И Na+/Ca+ - НАСОСЫ
Как уже упоминалось, электрическое возбуждение в нервной ткани существенно зависит от механизмов пассивного и активного мембранного транспорта, контролирующего концентрации ионов и молекул внутри клеток и нередко в межклеточном пространстве. Аксоны обладают большим резервом Кононов и дефицитом Na+-noHOB. Миграции ионов, обеспечивающие прохождение импульсов и создающие изменения потенциала мембраны, быстро компенсируются этими резервами. "Выносливость" аксона очень велика — утомление наступает лишь после прохождения 10 — 10 импульсов, тем не менее перемещения ионов при прохождении импульса должны быть компенсированы в стадии покоя. Кроме того, мембрана в стадии покоя не является абсолютным барьером для перемещений ионов и постепенного уменьшения потенциала.
Ряд внутриклеточных процессов требует постоянной регуляции за счет активных ионных потоков через -мембрану. Наконец, особенно велики нарушения градиентов ионных концентраций при функционировании синапсов. Для компенсации всех этих нарушений градиентов служат ионные насосы.
Основной транспортной системой в нейронах, как и в большинстве других эукариотических клеток, является насос, который вытесняет Na+ и постоянно накапливает К+. Этот процесс требует присутствия АТФ и специфически ингибируется кардиоактивными гликозидами типа оуабаина.
Na+, К+-активируемая аденозинтрифосфотяза, или АТФ-фосфогидролаза К.Ф.3.6Л плазматических мембран нервных клеток осуществляет трансмембранный перенос одновалентных катионов против градиентов их электрохимических потенциалов, используя энергию гидролиза АТФ. Работая с максимальной скоростью, этот ферментативный комплекс способен транспортировать через мембрану около 200 ионов Na и 130 ионов К в 1с. Однако фактическая скорость работы фермента определяется потребностями клетки. У большинства нейронов на поверхностной мембране расположено до 200 натриевых насосов на квадратный микрон, причем в некоторых участках этой поверхности их плотность в 10 раз выше.
Молекула фермента состоит из каталитической а-субъединицы и $-гликопротеида, функциональная роль которого до сих пор неизвестна. Молекулярная масса комплекса белковых субъединиц Na+, К+-АТФазы составляет около 275 000, и размеры фермента колеблются в пределах 6-8 нм. Кроме полипептвдов Na+, К+-АТФаза содержит 3 углеводные цепи, которые присоединены к р-субъединице гликозидными связями. Одновременное использование методов генной инженерии и химии белка привело к установлению первичной структуры Na+, К+-АТФазы. С помощью моноклональных антител установлено внутри- и внеклеточное расположение некоторых участков а- и р-субъединиц. Предложена модель полипептидной цепи фермента, согласно которой сс-субъединица 7 раз пересекает бислойную мембрану и локализована главным образом в цитоплазме. свидетельствует в пользу того, что существуют общие функциональные и структурные взаимодействия между Na+, К+-АТФазой и ионными каналами для транспорта К+.
Сходным с Na+, К+-АТФазой является другой ионный насос — Ка+/Са+-АТФаза. Она производит обмен каждого иона Са+ на 3 иона Na+. Значение этой системы особенно велико в нервных окончаниях, где система медиаторов связана с вхождением Са+ в терминаль и необходимостью компенсировать далее эти смещения градиента. Кроме того, ряд событий в постсинапти-ческой зоне тоже сопряжен с временным вхождением Са+.
6. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ, РЕЦЕПТОРЫ
Нейрон способен иметь до нескольких десятков тысяч межклеточных контактов, большинство из которых обеспечивается определенными морфологическими структурами — синапсами. Клеточную поверхность нейронов можно рассматривать как приемник разнообразнейших сигналов.
Чем выше степень эволюционной организации нервной системы, тем разнообразнее природа химических синапсов. Особенно это касается головного мозга высших млекопитающих, включая человека. Очевидно, химические синапсы оказались эволюционно более выгодными для передачи дискретных сигналов по сравнению с другими типами межклеточных контактов, поскольку на их 'основе возможна не только передача сигнала, ко и его разнообразная модуляция, в том числе гуморальными факторами. Основой восприятия нейроном химического сигнала в синапсе, а также ряда модулирующих влияний являются рецепторы.
Рецепторы представляют собой надмолекулярные образования, состоящие из белков, а также гликолипидных компонентов. Они способны под действием медиатора либо нашэсредственно изменять потоки ионов через мембрану, либо индуцировать образование вторичш>тх мессенджеров, которые, в свою очередь, меняют ряд свойста лейрона.
Межнейрональные химические синапсы подразделяются на два типа: возбуждающие и тормозные, причем.первые, как известно, способствуют генерации новых импульсов, а вторые приводят к снятию действия приходящих сигналов. Это деление определяется в значительной мере природой рецепторов. Известны случаи, когда один и тот же медиатор оказывает возбуждающее или тормозное действие в зависимости от природы рецептора.