17.3: Ліганд і напруга закриті канали в нейротрансмісії

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6111

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

А. Вимірювання потоку іонів та мембранного потенціалу

Коли нейромедіатори зв'язуються зі своїми рецепторами, відкриваються іонні канали у реагуючих нейронів або м'язових клітинок. Отриманий в результаті приплив іонів Na ⁺ порушує потенціал спокою клітини-мішені. Ефект є тимчасовим лише в тому випадку, якщо мембранний потенціал залишається негативним. Однак якщо в клітину потрапляє достатня кількість іонів Na+, мембрана деполяризується. Якщо клітина відчуває гіперполяризацію, локалізована зміна нормальної полярності мембрани (скажімо, від -70 мВ до+65 мВ або більше) генерує потенціал дії. Цей потенціал дії буде подорожувати як струм вздовж мембрани нервової або м'язової клітини, врешті-решт викликаючи фізіологічну реакцію, наприклад, збудження наступної нервової клітини в нейрональному шляху або скорочення м'язової клітини. Пристрій патч-затискача виявляє специфічний іонний потік і будь-яку результуючу зміну різниці потенціалів на мембрані. Принципи вимірювання патч-затиску проілюстровані нижче.

У наведеному вище прикладі замикання вимикача на блоці живлення посилає електричний заряд на осередок, відкриваючи іонний канал, що закривається напругою. При цьому датчик калію в пристрої виявляє потік іонів К+ по каналу і з осередку. При цьому вольтометр реєструє результуючу зміну потенціалу мембрани.

297 Патч-затискач може записувати мембранний потенціал та іонний потік

298 Патч-затискач вимірює потенціал відпочинку та деполяризацію

На додаток до іонних каналів з напругою, патч-затискач може вимірювати потік іонів через лігандні іонні канали та механічно закриті іонні канали.

Колишні канали є рецепторно-іонними затворами, які відкриваються при зв'язуванні молекули ефектора. Механічно закриті іонні канали виявляють фізичний тиск або напругу, які призводять до локальної деформації мембрани, відкриваючи канал.

299 закритих іонних каналів

300 типів закритих іонних каналів

Нарешті, клітини підтримують високу внутрішньоклітинну концентрацію іонів K ⁺, внаслідок чого іони K ⁺ повільно витікають з клітини, явище, яке можна виявити за допомогою патч-затиску. Наявність негативних іонів (кліонів, органічних іонів) всередині клітини обмежує витік. Це створює електронегативний інтер'єр клітини відносно зовні клітини, тобто потенціал спокою через її плазматичну мембрану. Техніка патч-затиску була використана для кореляції потоку іонів та змін мембранного потенціалу, коли нейрон спрацьовує, викликаючи потенціал дії у відповідній клітині.

Така кореляція описана на наступній сторінці. На ілюстрації стежте за відкриттям і закриттям іонних каналів і потоком іонів. Потенціал дії (фактично будь-який зсув від потенціалу спокою) виникає внаслідок полегшеної дифузії конкретних іонів у комірку або з неї через закриті іонні канали (зелений, вище), які повинні відкриватися і закриватися послідовно. Поведінка двох різних іонних каналів із напругою проілюстровано на графіку. Електростимуляція відкриває Na ⁺ канали. Іони Na ⁺ спрямовуються в клітину, знижуючи мембранний потенціал зі стану спокою до нуля або навіть роблячи цитоплазму більш позитивною, ніж позаклітинна рідина. Якщо розворот полярності досить високий, відкривається напружений K ⁺ і іони калію спрямовуються в клітку, відновлюючи потенціал спокою клітини.

Клітина може продовжувати реагувати на подразники потенціалами дії до тих пір, поки є достатня кількість Na+ поза клітиною і K ⁺ всередині клітини. Хоча активний транспорт Na ⁺ і K ⁺ не потрібен для відновлення потенціалу спокою, врешті-решт потрібно буде відновити баланс двох іонів в клітині. Якщо нервова або м'язова клітина спрацьовує кілька разів (або навіть якщо вона просто витікає іони), [K ⁺] всередині клітини і [Na ⁺] поза клітиною впаде до точки, де клітина не може генерувати потенціал дії при стимулюванні. ^{Зрештою, це роль АТФ-залежних насосів Na +/K ⁺ для відновлення відповідного ^{балансу} Na ^+:K + через відповідну клітинну мембрану.} Як ми бачили, кожен цикл накачування обмінює 3 іони Na ⁺ з внутрішньоклітинного простору на 2 K ⁺ іони з позаклітинного простору. Насос має два ефекти:

Відновлює концентрації Na ⁺ в позаклітинному просторі щодо цитоплазми.
Він відновлює концентрації К ⁺ в цитоплазмі щодо позаклітинного простору.

301 Закриті іонні канали відкриваються та закриваються в порядку під час дії потенціалу

Разом з більш високими концентраціями негативних іонів у цитозолі нерівний обмін Na+ на іони K+ підтримує потенціал спокою клітини протягом тривалого часу і гарантує, що нервові та м'язові клітини залишаються збудливими. Далі ми докладніше розглянемо роль як лігандних, так і іонних каналів з напругою в нейротрансмісії.

B. іонні канали при нейротрансмісії

Потенціали дії призводять до впорядкованого послідовного відкриття та закриття каналів напруги та ліганди вздовж нейронного аксона. За посиланням нижче ви можете побачити послідовну циклічність каналів із напругою, що поширює локалізований потенціал дії (мембранна деполяризація) вздовж аксона до синапсу.

302 Пропозиція потенціалу дії вздовж аксона

Коли поширена деполяризація досягає синапсу, закриті іонні канали або відкриваються, або закриваються в нейроні та відповідній клітині. Співпраця напруг- і лігандних каналів на нервово-м'язовому переході проілюстровано нижче.

Як видно з ілюстрації, після запуску нейрона електричний імпульс (рухома область гіперполяризації) рухається вниз по аксону до нервового закінчення. На нервовому закінченні різниця заряду (електричний потенціал) через клітинну мембрану стимулює відкриття каналу, специфічного напруги Ca ++. Потім іони Ca ++ потрапляють в клітину, оскільки вони знаходяться в більш високих концентраціях в синаптичній щілині, ніж у цитоплазмі.

Іони Ca ² ⁺ в клітині змушують синаптичні бульбашки зливатися з мембраною на нервовому закінченні, вивільняючи нейромедіатори в синаптичну щілину. Потім нейромедіатори зв'язуються з рецептором на відповідній клітинній плазматичній мембрані. Цей рецептор є лігандним каналом (також називається хімічно закритим каналом). При зв'язуванні ліганда нейромедіатора канал відкривається. Швидка дифузія іонів Na+ в клітину створює потенціал дії, який призводить до клітинної відповіді, в даному випадку до скорочення м'язів. ^{Ми вже бачили, що K+ канали беруть участь у відновленні мембранного потенціалу після потенціалу дії, а також роль натрієвого/калієвого насоса у відновленні клітинного балансу Na +/K ⁺.}

303 Роль закритих іонних каналів на нервово-м'язовому переході