Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга




Скачать 14.26 Mb.
НазваниеВаллас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга
страница9/169
Дата04.11.2012
Размер14.26 Mb.
ТипДокументы
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   169

§ 2. Измерение токов одиночного канала

Пэтч-кламп метод

Для измерения ионных токов через одиночные каналы первоначально был предложен непрямой метод анализа мембранного шума 2· 3). Затем был разработан способ прямой регистрации одиночных ионных каналов с помощью метода, который называется пэтч-кламп (patch-clamp 4· 5)). В совокупности эти подходы дали прямые ответы на вопросы, касающиеся функции ионных каналов, как то: какой заряд проходит через одиночный канал? как долго канал остается открытым? как время нахождения ионного канала в открытом или закрытом состоянии зависит от мембранного потенциала?

Пэтч-кламп метод, предложенный Э. Неером, Б. Сакманном и их коллегами, значительно углубил наши знания о функционировании ионных каналов. Для пэтч-кламп регистрации необходимо, чтобы кончик стеклянной пипетки с внутренним диаметром около 1 мкм плотно контактировал с мембраной исследуемой клетки. При удачном подведении, благодаря легкому присасыванию, между клеточной мембраной и стеклом пипетки (рис. 2.3А—В) создается сопротивление больше 109 Ом (отсюда возник термин «гигаомный контакт», gigaohm seal). Когда пипетка соединена с соответствующим усилителем, можно зарегистрировать небольшие токи, проходя-щие через участок мембраны, находящейся внутри кончика пипетки (рис. 2.3F). Такая конфигурация пэтч-кламп метода называется cell attached (контакт с клеткой). Высокоомный контакт гарантирует, что ионные токи, проводимые этим участком клеточной мембраны, проходят преимущественно через

Глава 2. Ионные каналы υ нейрональная сигнализация                                    39

Рис. 2.3. Регистрация ионных токов методом пэтч-кламп. Электрод образует плотный контакт с мембраной (А), который благодаря легкому понижению давления превращается в гигаомный контакт (В). Оттягивание мембраны с последующим отрывом ее фрагмента приводит к конфигурации inside-out (С). Другой вариант основан на последовательном образовании конфигурации whole cell, и затем — outside-out (E).

Fig. 2.3. Patch Clamp Recording. (A-E) Patch configurations, represented schematically. The electrode forms a seal on contact with the cell membrane (A), which is converted to a gi-gaohm seal by gentle suction (B)   Records may then be made from the patch of membrane within the electrode tip (cell-attached patch). Pulling away from the cell results in the formation of a cell-free vesicle, whose outer membrane can then be ruptured to form an inside-out patch (C). Alternatively, the membrane within the electrode tip may be ruptured by further suction to obtain a whole-cell recording (D) or, by pulling, to obtain an outside-out patch (E). (F) Recording arrangement. The patch electrode is connected to an amplifier that converts channel currents to voltage signals. The signals are then displayed on an oscilloscope trace or computer screen so that amplitudes and durations of single-channel currents can be measured. (A-E after Hamill et al., 1981.)



усилительную аппаратуру, а не теряются в месте контакта пэтч-пипетки с клеткой. При использовании пэтч-кламп метода регистрируемые события состоят из прямоугольных токовых сигналов, отражающих процессы открытия и закрытия одиночных ионных каналов. Таким образом, мы в реальном времени можем наблюдать активность одиночных белковых молекул мембраны.

В простом случае токи одиночных каналов появляются нерегулярно и с различной продолжительностью, но с постоянной амплитудой (рис. 2.4А). В некоторых случаях, однако, картина токов может быть более сложной. Некоторые ионные каналы, например, в открытом состоянии могут иметь более чем один уровень проводимости, как это показано на рис. 2.4В. Кроме того, ионные каналы могут проявлять комплексную кинетику. Например, ток через одиночный ионный канал может выглядеть не как простой прямоугольник, а как «вспышка» открытий канала (рис.2.4С).

Таким образом, пэтч-кламп метод предоставляет новые уникальные возможности для изучения поведения ионных каналов. Во-первых, изоляция маленького участка мембраны позволяет наблюдать активность всего нескольких ионных каналов, а не тысяч, которые активируются в целой клетке. Во-вторых, высокое сопротивление контакта дает возможность регистрировать даже крайне

40 Раздел П. Передача информации в нервной системе



Рис. 2.4. Примеры одиночных ионных каналов, зарегистрированных методом пэтч-кламл.

Fig. 2.4. Examples of Patch Clamp Recordings. (A) Glutamate-activated channel currents recorded in a cell-attached patch from locust muscle occur irregularly, with a single amplitude and varied open times. Downward deflections indicate current flowing into the cell. (B) Acetylcholine-activated currents from single channels in an outside-out patch from cultured embryonic rat muscle reach a maximum amplitude of about 3 pA and relax to a substate current of about 1,5 pA. Downward deflections indicate inward current. (C) Pulses of outward current through glycine activated chloride channels in an outside-out patch from cultured chick spinal cord cells are interrupted by fast closing and reopening transitions to produce bursts. (A after Cull-Candy, Miledi, and Parker, 1980; В after Hamill and Sakmann, 1981; С from A. I. McNiven and A. R. Martin, unpublished.)

малые токи. В результате мы имеем возможность точного измерения амплитуд токов одиночных ионных каналов и можем провести анализ кинетики каналов.
Конфигурации пэтч-кламп метода

Пэтч-кламп метод позволяет осуществлять также регистрацию ионных каналов и в других конфигурациях. Достигнув контакта в конфигурации cell attached, можно, отводя электрод, оттянуть участок мембраны для формирования inside-out (внутренняя сторона наружу) конфигурации (рис. 2.3С). В последнем случае цитоплазматическая сторона мембраны будет обрашена к перфузионному раствору. С другой стороны, с помощью небольшого дополнительного присасывания можно прорвать участок мембраны, расположенный внутри регистрирующего электрода, обеспечив контакт последнего с цитоплазмой клетки (рис. 2.3D). В этих условиях будут регистрироваться токи в конфигурации whole-cell (целая клетка). Наконец, после получения конфигурации «целая клетка», можно оттянуть электрод от клетки, сформировав из мембраны сначала тонкую перемычку, а затем, после отделения этого участка, получить конфигурацию outside-out (наружная сторона наружу; рис. 2.3Е). Каждая из этих конфигураций имеет свои преимущества, их использование зависит от типа изучаемого ионного канала и той информации, которую мы хотим получить в данном эксперименте. Например, для аппликации веществ на внешнюю сторону мембраны предпочтительной является конфигурация outside-out.

Пэтч-кламп конфигурация «целая клетка» предполагает обмен между цитоплазмой

Глава 2. Ионные каналы и нейрональная сигнализация                                    41

клетки и раствором, заполняющим регистрирующую пипетку. Этот обмен, называемый иногда «диализ», может быть использован для намеренной замены внутриклеточного состава ионов на те, которые находятся в пипетке. С другой стороны (особенно в тех случаях, когда клетка мала), необходимо учитывать, что важные цитоплазматические компоненты могут быть потеряны из-за их быстрого перехода во внутрипипеточный раствор. Такой потери можно избежать, используя так называемый перфорированный пэтч-кламп метод 6). В этом случае для формирования начальной cell attached конфигурации используется пипетка, заполненная веществом, способным формировать мембранные поры (например антибиотик нистатин). По прошествии некоторого времени в изолированном с помощью электрода участке мембраны образуются проницаемые для электролитов поры, позволяющие регистрировать ионные токи в конфигурации «целая клетка».
Внутриклеточная микроэлектродная регистрация

До разработки пэтч-кламп метода свойства ионных каналов в клеточных мембранах исследовались в экспериментах, в которых для измерения мембранного потенциала или мембранного тока использовались стеклянные микроэлектроды. Использование Лингом и Джерардом 7) в 1949 году стеклянных микроэлектродов для внутриклеточной регистрации ионных токов в живых клетках было не менее важным событием, чем введение пэтч-кламп метода три десятилетия спустя. Этот метод обеспечивал точное измерение мембранного потенциала покоя клетки, потенциала действия, а также ответов на синаптическую активацию мышечных волокон и нейронов (глава 1).

Метод внутриклеточной регистрации проиллюстрирован на рис. 2.5А. Острая стеклянная микропипетка, диаметр кончика которой не превышает 0,5 мкм, заполненная концентрированным солевым раствором (например, 3 M KC1), служит электродом и присоединяется к вольтметру для записи потенциала. Момент прокалывания пипеткой клеточной мембраны, приводящий к проникновению ее в клеточную цитоплазму, проявляется мгновенным появлением потенциала, соответствующего мембранному потенциалу покоя. При удачном проникновении в клетку мембрана обхватывает внешнюю поверхность пипетки, благодаря чему цитоплазма остается изолированной от внеклеточной жидкости.
Внутриклеточная регистрация шума ионных каналов

В начале 1970-х годов, используя нервно-мышечный синапс лягушки, Катц и Миледи предприняли оригинальные эксперименты, в которых метод внутриклеточной микроэлектродной регистрации использовался для изучения характеристик «шумов», продуцируемых медиатором ацетилхолином (АХ). В таком синапсе АХ, освобождаюшийся из моторного нервного окончания, открывает хемовозбудимые ионные каналы постсинаптической мембраны. Вход катионов в волокно через открытые ионные каналы вызывает деполяризацию мембраны (глава 9). Когда Катц и Миледи локально апплицировали экзогенный АХ на область синапса, они обнаружили, что вызванная деполяризация сопровождалась электрическим «шумом». Во время стабильной деполяризации быстрые колебания потенциала были гораздо больше колебаний изолинии в покое. Они предположили, что возрастание электрического шума в присутствии АХ было связано с хаотичным открытием и закрытием АХ-активируемых ионных каналов. Иными словами, аппликация АХ приводила к открытию большого числа ионных каналов, и число это случайно колебалось в зависимости от числа взаимодействий АХ с рецепторами.

Используя известную из физики технику анализа шума, Катц и Миледи смогли получить информацию о среднестатистическом поведении отдельного ионного канала, активируемого АХ. Позднее подобные эксперименты были проведены на том же объекте Anderson и Stevens 3). В отличие от предшественников, эти исследователи измеряли мембранный ток, вызванный АХ, что позволило установить величину и продолжительность ионных токов через одиночный канал (рис. 2.5В).

Принципы анализа шума достаточно просты: во-первых, если токи одиночного канала являются большими, суммарный шум также будет большим. Во-вторых, ионные каналы, открывающиеся на относительно длительное время, будут продуцировать низкочастотный шум; наоборот, каналы, открывающиеся на короткое время, будут продуцировать высокочастотный шум. Исследование амплитудно-временных характеристик шумов, ак-

42 Раздел II. Передача информации в нервной системе



Рис. 2.5. Внутриклеточное отведение электрического «шума», производимого функционированием ионных каналов. (А) Схема установки для регистрации мембранного потенциала. (В) Внутриклеточная регистрация эффекта ацетилхолина. (С) При большем усилении виден ацетилхолиновый «шум».

Fig. 2.5.   Intracel ular   Recording   of  Channel Noise. (A) Arrangement for recording membrane potentials of muscle fibers with a microelectrode. The electrode is connected to a preamplifier, and the signals are displayed on an oscilloscope or computer screen. Penetration of the electrode into a fiber is marked by the sudden appearance of the resting potential (downward deflection on the screen). After penetration, changes in potential due to channel activation can be measured. (B) Intracellular records of the effect of acetylcholine (ACh). In this experiment additional circuitry was used to record membrane current (rather than membrane potential). At rest (upper trace), there is no current across the membrane; application of ACh produces about 130 nA of inward current (lower trace). (C) Traces in В shown at greater amplification. The baseline shows little fluctuation at rest; the inward current produced by ACh shows relatively large fluctuations ("noise"), due to random opening and closing of ACh-activated channels. Analysis of the increased noise yields values for the single-channel current and the mean open time of the channels. (B and С after Anderson and Stevens, 1973.)

тивированных АХ в нервно-мышечном синапсе, показало, что через одиночный открытый ионный канал проходит около 10 миллионов ионов в секунду. Кроме того, выяснилось, что значение среднего открытого времени () ионного канала составляет от 1 до 2 мс.

Несмотря на широкое вытеснение пэтч-кламп методом, анализ шума до сих пор используется для изучения ионных каналов в клетках, которые не поддаются исследованию с помощью пэтч-клампа, например, в некоторых областях центральной нервной системы 8). Кроме того, анализ шума является сравнительно быстрым методом для получения информации о свойствах большой популяции каналов и используется в комбинации с пэтч-кламп регистрацией от целой клетки для идентификации типов каналов. Тем не менее, надо понимать, что с помощью анализа шума невозможно получить детальную информацию о поведении одиночного канала, особенно в каналах со сложной кинетикой или при наличии нескольких уровней проводимости канала.
Проводимость каналов

Кинетическое поведение канала, то есть время его нахождения в закрытом и открытом состояниях, может предоставить информацию о механизмах открытия и закрытия канала, а также о константах скоростей этих процессов. С другой стороны, величина тока, проходящего через ионный канал, является прямым отражением того, как быстро проникающие ионы движутся через канал. Ток ионов зависит не только от свойств канала, но также от трансмембранного потенциала. Пример такого рода показан на рис. 2.6. На этом рисунке изображен фрагмент мембраны, который содержит один спонтанно активный ионный канал, проницаемый для калия. Растворы, как в пипетке, так и в ванночке для объекта, содержат одинаковую (150 ммоль) концентрацию ионов калия. Ионы калия через открытый канал могут двигаться в обоих направлениях. Однако поскольку концентрации ионов по обе стороны мембраны идентичны, а трансмембранный потенциал отсутствует, то нет никакого движения ионов ни в одном

Глава 2. Ионные каналы и нейранальная сигнализация                                    43



Рис. 2.6. Влияние потенциала на ток через   одиночный   калиевый   канал в симметричном растворе ионов калия по обе стороны мембраны. (А) Схема установки. (B-D) Примеры токов через одиночные ионные каналы при разных уровнях мембранного потенциала. (Е) Ток через калиевый канал как функция мембранного потенциала.

Fig. 2.6. Effect of Potential on Currents through a single, spontaneously active potassium channel in an outside-out patch, with 150 mM potassium in both the electrode and the bathing solution. (A) The recording system. The output from the patch clamp amplifier is proportional to the current across the patch. The potential across the patch is equal to the potential (VC) applied to the input of the amplifier as shown. Positive charge flowing out of the electrode is defined as positive current. (B) When no potential is applied to the patch, no channel currents are seen because there is no net flux of potassium through the channels. (C) Application of +20 mV to the electrode results in an outward current (upward deflections) of about 2 pA through the channels. (D) A -20 mV potential results in inward channel currents (downward deflections) of the same amplitude as in С. (Е) Channel currents as a function of applied voltage. The slope of the line is the channel conductance (7). In this case, 7 = 110 pS (picosiemens).





из направлений. Поэтому на данном рис. 2.6В показано отсутствие мембранного тока.

Пэтч-кламп метод имеет достоинство, которое еще не было упомянуто: мы можем менять потенциал на регистрирующей пипетке и варьировать, таким образом, трансмембранную разность потенциалов. Например, при мембранном потенциале +20 Мв каждое открытие калиевого ионного канала сопровождается током, направленным наружу (рис. 2.6С). Это связано с тем, что положительно заряженные ионы калия двигаются через канал по электрическому градиенту между раствором в пипетке и в ванночке. С другой стороны, когда внутри пипетки создан отрицательный потенциал величиной в -20 мВ

44 Раздел II. Передача информации в нервной системе

(рис. 2.6D), ток направлен в обратном направлении (через открытый канал в пипетку).

Зависимость тока от величины потенциала на мембране представлена на рис. 2.6Е. Эта зависимость является линейной: ток (I), проходящий через канал, пропорционален потенциалу (V):

Это формула представляет собой преобразованный закон Ома (приложение А). Константа 7 называется проводимостью канала. При одном и том же потенциале на мембране канал с высокой проводимостью переносит много тока, канал с низкой проводимостью проводит малый ток.

Проводимость измеряется в сименсах (См). В нейронах трансмембранный потенциал обычно выражается в милливольтах (1 мВ = 10–3 В), токи одиночных ионных каналов в пикоамперах ( 1 пА = 10–12 А), проводимость в пикосименсах (1 пСм = 10–12 См). На рис. 2.6 потенциал +20 мВ продуцировал ток около 2,2 пА, соответственно проводимость канала ( = I/V) составила 2,2 пА/20 мВ = 110 пСм.
Проводимость и проницаемость

Проводимость ионного канала  зависит от двух факторов: во-первых, от той легкости, с которой ионы проходят через открытый канал. Это внутреннее свойство канала известно как проницаемость канала. Во-вторых, проводимость зависит от концентрации ионов около устьев канала. Ясно, что если ионы калия отсутствуют как внутри, так и снаружи клетки, то не может быть и тока. При этом становится не важно, какова проницаемость канала или насколько велик мембранный потенциал. Если присутствует всего несколько ионов калия, то, при одной и той же величине проницаемости и стандартном трансмембранном потенциале, ток через ионный канал будет гораздо меньше, чем при избыточной концентрации ионов калия. Эти взаимоотношения могут быть представлены следующим образом:

Открытый канал  —> проницаемость

Проницаемость + ионы —> проводимость.
Равновесный потенциал

В уже рассмотренных примерах ионного тока концентрации ионов калия были одинаковыми по обе стороны мембраны. Что произойдет, если мы сделаем концентрации этого иона в пипетке и в ванночке различными? Представим, что после получения конфигурации outside-out, как это показано на рис. 2.7 А, концентрация калия в ванночке составляет 3 ммоль (подобно нормальной внеклеточной концентрации этого иона), а внутри электрода эта концентрация равняется 90 ммоль (подобно цитоплазматической концентрации). Если калиевый канал в мембране будет открыт, то ионы калия начнут двигаться из пипетки в ванночку. Такой ток будет происходить даже при отсутствии потенциала на пипетке (рис. 2.7В), так как движущей силой для ионов калия является градиент концентраций. Если же мы зарядим пипетку положительно, градиент потенциала на мембране будет еще более увеличивать движение положительно заряженных ионов калия наружу (к минусу). В результате ток ионов через калиевые каналы будет возрастать (рис. 2.7 С). И наоборот, если придать пипетке отрицательный заряд, движение ионов калия из электрода наружу через мембрану замедлится и канальный ток уменьшится (рис. 2.7 D). Важно отметить, что при достаточно большом отрицательном заряде ионы калия начнут движение внутрь, то есть против градиента концентрации (рис. 2.7Е). Зависимость ионного тока от напряжения на мембране для этой экспериментальной модели показана на рис. 2.7 F.

Рис. 2.7 F иллюстрирует, что ток ионов калия через канал зависит от электрического потенциала мембраны и градиента концентрации калия. Сочетание этих двух факторов формирует электрохимический градиент для калия. В отличие от начального результата, полученного при одинаковых концентрациях ионов калия по обе стороны мембраны (рис. 2.6), в данном примере ионный ток равен нулю при потенциале на пипетке -85 мВ. При этом потенциале стремление ионов калия выйти через канал наружу по градиенту концентраций полностью уравновешено трансмембранной разницей электрического потенциала, которая направляет движение ионов в противоположном направлении. Этот трансмембранный потенциал называется калиевым равновесным потенциалом K) Равновесный потенциал зависит только от концентрации ионов по обе стороны мембраны, но не от свойств ионного канала или механизма проникновения ионов через канал.

Глава 2. Ионные каналы и нейрональная сигнализация                                    45



Рис. 2.7. Потенциал реверсии для калиевого тока в асимметричном растворе калия. Остальные обозначения такие же, как на рис. 2.6.

Fig. 2.7. Reversal  Potential For  Potassium Currents in a hypothetical experiment using an outside-out patch with the concentration of potassium in the recording pipette ("in-tracellular" concentration) 90 mM and in the bathing solution ("extracellular" concentration) 3 mW. (A) Recording arrangement as in Figure 2.6. (B) With no potential applied to the pipette, the flux of potassium from the electrode to the bath along its concentration gradient produces outward channel currents. (C) When a potential of +20 mV is applied to the pipette, outward currents increase in amplitude. (D) Application of -50 mV to the pipette reduces outward currents. (E) At -100 mV, currents are reversed. (F) The current-voltage relation indicates zero current at —85 mV, which is the potassium equilibrium potential (EK).




Уравнение Нернста

Какой именно потенциал необходим для того, чтобы уравновесить эффект реальной разницы концентраций ионов калия? Предположение о том, что Ек просто пропорционален разнице между внутриклеточной [К]i и внешней [К]0 концентрацией ионов калия, не совсем верно. Точнее, равновесный потенциал зависит от разницы между логарифмами концентраций:



Константа k определяется из формулы RT/(zF), где Rгазовая постоянная, Т — абсолютная температура, z  — валентность иона (в данном случае +1 ) и F — число Фарадея

(число кулонов электричества в 1 молярном растворе иона). Таким образом,



что можно представить как:



Это уравнение называется уравнением Нернста для ионов калия. Аналогично, можно построить уравнение Нернста и для других основных ионов. Отношение RT/(zF) измеряется в вольтах и равно примерно 25 мВ при температуре 20° С. Иногда более удобно пользоваться десятичным (log), а не натуральным логарифмом (ln). Тогда значение

46 Раздел II. Передача информации в нервной системе

RT/(zF) должно быть умножено на In 10, или 2,31, что даст в результате 58 мВ. То есть:



При температуре тела млекопитающих (37° С) вместо 58 мВ следует использовать 61 мВ. Для клетки, показанной на рис. 2.7, значение £?к = —85 мВ соответствует отношению концентраций 1/30.

Необходимо отметить, что диффузия иона по градиенту концентрации не строго зависит от его концентрации. Во всех растворах, кроме очень слабых, ионы взаимодействуют друг с другом, что проявляется в электростатическом притяжении или отталкивании заряженных частиц. Результатом таких взаимодействий является снижение эффективной концентрации ионов. Эффективная концентрация иона называется активностью. Поэтому более точным теоретическим параметром для уравнения Нернста является соотношение активностей, а не соотношение концентраций. Однако поскольку суммарные концентрации ионов внутри и вне клетки близки (глава 5), соотношение активности ионов не будет существенно отличаться от соотношения концентраций.
Движущая сила

Рис. 2.7F иллюстрирует важный момент для прохождения тока через ионные каналы: без приложения потенциала ток составляет около 4 рА, тогда как с потенциалом на пипетке -85 мВ ионный ток равен нулю. Следовательно, ионный ток определяется не абсолютным значением мембранного потенциала (Vm), a разницей между мембранным потенциалом и равновесным потенциалом для данного иона, в данном случае для иона калия к). Эта разница VmЕк является движущей силой для прохождения ионов через канал. Вновь обратимся к рис. 2.7F: при мембранном потенциале, равном нулю, движущая сила составляет +85 мВ.
Нелинейные отношения «ток—напряжение»

Вторым характерным свойством зависимости «ток—напряжение» на рис. 2.7F, в отличие от рис. 2.6Е, является ее нелинейность. При сдвиге от равновесного потенциала -85 м В

в сторону деполяризации (то есть к нулю) ток меняется более быстро, чем при переходе в сторону гиперполяризации. Это происходит из-за того, что проводимость канала является функцией концентрации иона. В нашем примере концентрация ионов калия внутри пипетки гораздо выше концентрации этого иона во внешнем растворе. Это приводит к тому, что током, идущим наружу, переносится больше ионов, чем током, направленным внутрь. По мере сдвига от равновесного потенциала в сторону деполяризации, этот эффект становится все более заметным. Поэтому зависимость «ток—напряжение» имеет направленный вверх изгиб, несмотря на то, что проницаемость этого типа канала практически не зависит от потенциала.

Нелинейные отношения «ток—напряжение» наблюдаются также в ионных каналах, обладающих выпрямляющими свойствами. В таких каналах проницаемость зависит от потенциала, поэтому при определенном потенциале ионы двигаются в одном направлении гораздо легче, чем в обратном. Одним из таких примеров является потенциалзависимый калиевый канал, называемый каналом внутреннего выпрямления (inward rectifier). Такой тип канала позволяет ионам калия двигаться внутрь клетки при потенциале, более негативном, чем равновесный калиевый потенциал. Однако при потенциалах, менее негативных по отношению к равновесному калиевому потенциалу, выходящий ток или очень мал, или полностью отсутствует.
Проницаемость ионных каналов

Каким же образом ионы проходят через каналы? Одним из возможных механизмов является диффузия через водную среду, заполняющую пору. Представление о диффузии лежало в основе ранних гипотез о процессе ионной проницаемости. Однако для большинства каналов простая диффузия описывает ионную проницаемость недостаточно адекватно. Главная причина в том, что проникающие ионы вступают во взаимодействие с белками ионного канала. Так, в растворе, благодаря наличию заряда, ионы всегда покрыты гидратной оболочкой (рис. 2.1). В случае катионов молекулы воды ориентированы таким образом, что отрицательно заряженный кислород

Глава 2. Ионные каналы и нейрональная сигнализация                                    47

обращен в сторону иона. Если пора ионного канала достаточно узкая, необходимо некоторое количество энергии, чтобы освободить ион от ассоциированных молекул воды и позволить ему проникнуть через этот участок (глава 3). В канале ион может быть объектом притяжения или отталкивания электростатическими зарядами стенки канала. Взаимодействие иона с комплементарными центрами ионного канала может приводить к тому, что процесс проникновения будет представлять собой своеобразный «перескок» иона с одного центра связывания на другой. Такие взаимодействия иона со стенкой канала могут влиять как на ионную избирательность, так и на скорость потока ионов. Модели, описывающие ионную проницаемость по этому механизму, называются моделями Эйринга 9). В целом, такие модели описывают ионную избирательность и проводимость гораздо более адекватно, чем модели простой диффузии.
Значение ионных каналов

Функционирование ионных каналов, описанных в этой главе, дает возможность нейронам реагировать на сигналы из внешней среды или от других нейронов, передавать импульсы на большие расстояния к исполнительным органам или к другим нейронам. Таким образом, вся сложная система восприятия и анализа сигналов, так же как генерация двигательной команды, определяется, в конечном счете, активностью ионных каналов.

Важно понимать, что все ионные токи, лежащие в основе нейрональной сигнализации, обусловлены пассивным движением ионов через открытые ионные каналы по градиенту концентрации и в зависимости от заряда клеточной мембраны. Другими словами, нейроны используют электрохимические градиенты для генерации потока ионов и, как следствие, для формирования электрических сигналов. Потенциально ионные токи могли бы нарушать эти градиенты, однако в действительности этого не происходит, так как клетки используют энергию, образуемую в ходе метаболизма, для поддержания ионного состава цитоплазмы. Специализированные механизмы, лежащие в основе активного транспорта ионов, описаны в главе 4.
Выводы

∙  Электрические сигналы в нервной системе генерируются движением ионов через мембрану нервной клетки. Эти ионные токи протекают через водные поры трансмембранных белков, известных как ионные каналы.

∙  Каналы различаются  по  своей  избирательности: некоторые катионные каналы пропускают только  натрий,  калий  или кальций, другие являются менее избирательными. Анионные каналы сравнительно не избирательны для малых анионов, но они пропускают в основном ионы хлора, так как хлор является самым распространенным анионом внеклеточной и внутриклеточной жидкостей.

∙  Каналы совершают переходы между открытым и закрытым состояниями. Каждый канал имеет присущее ему время открытого состояния. Когда каналы активированы, вероятность их открытия возрастает. Деактивация снижает частоту открытия. Каналы также могут быть инактивированы или блокированы.

∙  Каналы  могут быть  классифицированы по типу их активации: механочувствительные, потенциал-активируемые, лиганд-активируемые.

∙  Ионы движутся через каналы пассивно в соответствии с градиентом концентрации или электрическим градиентом на мембране.

∙  Результирующий поток ионов через канал по градиенту концентрации может быть снижен   противоположно  направленным электрическим  градиентом.  Электрический потенциал, снижающий результирующий поток какого-либо иона до нуля, называется равновесным потенциалом данного иона. Отношение между равновесным потенциалом и градиентом концентрации описывается уравнением Нернста.

∙  Движущая сила для движения ионов через мембрану есть разница между равновесным и мембранным потенциалами. Ионный ток, протекающий через одиночный канал, зависит от движущей силы для данного иона и проводимости канала для этого иона. В свою очередь, проводимость зависит от проницаемости данного канала и внешней и внутренней концентраций ионов.

48                                   Раздел II. Передача информации в нервной системе
Рекомендуемая литература

о Hille, В. 1992. Ion Channels in Excitable Membranes, 2nd Ed. Sinauer, Sunderland, MA, pp. 291-314.

о Pun, R. Y. K., and Lecar, H. 1998. Patch clamp techniques and analysus. In N. Sperelakis (éd.), Cell

Physiology Source Book, 2nd Ed. Academic Press, San Diego, CA, pp. 391-405.
Цитированная литература

1.   Karplus, M., and Petsko, G. A. 1990. Nature 347: 631-639.

2.   Katz, В., and Miledi, R.  1972. J. Pliysiol. 224: 665-699.

3.  Anderson, C. R., and Stevens, C. F. 1973. /. Pliysiol. 235: 665-691.

4.   Neher, E., Sakmann, В., and Sieinbach, J. H. 1978. Pflugers Arch. 375: 219-228.

5.   Hamill, O. P., et al. 1981. Pflugers Arch. 391:85-100.

6.   Horn, R., and Marty, A. 1988. J. Gen. Pliysiot. 92: 145-149.

7.   Ling, G., and Gerard, R.W. 1949. J. Cell Сотр. Physiol. 34: 383-396.

8.  Gold, M. R., and Martin, A. R. 1983. /. Physiol. 342:99-117.

9.  Johnson, F. H., Eyring, H., and Polissar, M. J. 1954. Tlie Kinetic Basis of Molecular Biology. Wiley, New York.
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   169

Похожие:

Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconВаллас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга
Настоящее издание осуществлено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №02-04-62007)
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconБоггс У., Боггс М. Uml и Rational Rose/ Пер с англ
Бадд Т. Объектно-ориентированное программирование в действии./ Пер с англ. – Спб.: Питер, 1997
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconДжеффри М. Медицина неотложных состояний: пер с англ. / Дж. М. Катэрино, С. Кахан; пер с англ под ред. Д. А. Струтынского
...
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconАнастази А. А 64 Дифференциальная психология. Индивидуальные и групповые разли- чия в поведении /Пер с англ
Пер с англ. — М.: Апрель Пресс, Изд-во эксмо-пресс, 2001. — 752 с. (Серия «Кафедра психологии»)
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconАхо А. Компиляторы: Принципы, технологии, инструменты: Пер с англ./ А. Ахо, Р. Сети, Д. Ульман
Учебный курс mcse: Пер с англ. 2-е изд., перераб. М.: Рус. Редакция, 2001. 672 с. Isbn 5-7502-0183-Х: 35,00 грн
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconМорган М.; Пер с англ. А. Дикарёв, О. Сиротенко
Послание с того края Земли / Морган М.; Пер с англ. А. Дикарёв, О. Сиротенко. М.: Ид «Гаятри», 2005. 152 с.: (Терра Мистика)
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconНовые поступления литературы (июль сентябрь 2002) математика инв. 62350 в 161. 8 Б 93
Одномерные вариационные задачи. Введение / Пер с англ. Рожковская Т. Н.; Ред пер. Уральцева Н. Н. Новосибирск: Научная книга, 2002....
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconБир С. Мозг фирмы: Пер с англ
Бир С. Мозг фирмы: Пер с англ. М.: Радио и связь, 1993. — 416 с.: ил. Isbn 5-256-00426-3
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconЦитренбаум Ч., Кинг М., Коэн У. Ц 59 Гипнотерапия вредных привычек /Пер с англ. Л. В. Ерашовой
Ц 59 Гипнотерапия вредных привычек/Пер с англ. Л. В. Ерашовой. — М.: Не­зави­симая фирма “Класс”, 1998. — 192 с. — (Библиотека психологии...
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconЛитература Мэдник С., Донован Дж. Операционные системы: Пер с англ. М. Мир, 1987. 792с
Дейтел Г. Введение в операционные системы: Пер с англ. М.: Мир, 1987. т 359с., т 398с
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница