Ионные каналы биологических мембран

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Ионные каналы биологических мембран

1. Потенциал зависимые ионные каналы в биологических мембранах

мембрана потенциалзависимый рецептор ионный

Ионы не могут пересечь гидрофобную бислойную липидную мембрану. Они проходят через нее по специальным ионным каналам. Это пассивный диффузионный процесс, происходящий под влиянием трансмембранного градиента концентрации, ранее созданного ионными насосами. Ионные каналы пропускают до 10? ионов в секунду, что более, чем на два порядка превышает производительность других переносчиков.

Вследствие движения ионов по каналам генерируется мембранный потенциал - разность электрических потенциалов между цитозолем и наружной средой, и генерируются потенциалы действия, передающие информацию в нервной системе. За счет энергии ионных градиентов могут усиливаться слабые сигналы, так как открытие ионного канала под влиянием слабого физического воздействия или в результате связывания молекулы лиганда индуцирует значительный поток ионов и каскад внутриклеточных процессов.

Ионные каналы - сложнейшие и высококонсервативные белковые структуры, которые могут управляться физическими воздействиями, такими как трансмембранная разность электрических потенциалов или механическое растяжение мембраны, либо химическими сигналами - лигандами. Высокая сложность позволяет точно распознавать ионы и пропускать их через мембрану управляемым образом. Ионные каналы высокоселективны; они пропускают ионы только определенного вида: Na+, K+, CaІ+ или Cl-. Их, соответственно, называют натриевыми, калиевыми, кальциевыми или хлорными каналами. Каналы для каждого вида ионов далее классифицируются по их структуре, пороговым характеристикам, кинетике, чувствительности к различным лигандам и т.д.

Ионные каналы обычно закрыты, но могут открываться под влиянием определенных внешних факторов. Поэтому различаются потенциалзависимые, механочувствительные и лиганд-активируемые ионные каналы. Первые управляются изменениями мембранного потенциала; вторые - механическим воздействием на мембрану, третьи - связыванием сигнальных молекул-лигандов (агонистов или антагонистов) с белками-рецепторами.

2. Общий взгляд и биофизика

Рассмотрим сначала классические представления о структуре, свойствах и механизмах действия ионных каналов, а затем данные последнего десятилетия, прояснившие многие аспекты их работы.

Основные части ионного канала: устья - сужающиеся воронки, обращенные в среду или цитоплазму, куда входят или откуда выходят ионы; селективный фильтр - наиболее узкая часть канала, позволяющая проходить только ионам определенного вида; и ворота - воротный механизм, открывающий или закрывающий канал (Рис.1). В потенциалзависимых ионных каналах должен существовать потенциалчувствительный сенсор, реагирующий на изменения трансмембранного потенциала и управляющий состоянием ворот.

В устье расположены отрицательно заряженные карбоксильные группы (СОО-). Они притягивают из раствора положительно заряженные катионы, например, Na+ или К+. Это создает повышенную концентрацию катионов у устья канала. Это место является первой потенциальной ямой в канале: катион, связанный отрицательными группами в устье имеет минимальную потенциальную энергию. В состав селективного фильтра входит еще одна или несколько групп СОО-, образующие вторую или третью потенциальные ямы. Потенциальный профиль канала изображен на рис.1. Проходя по каналу, положительный катион связывается с этой отрицательно заряженной группой и попадает в потенциальную яму. Для дальнейшего прохождения по каналу и выхода из него он должен преодолеть это электростатическое притяжение.



Рис.1. Схема строения ионного канала (А) и распределение в нем потенциальной энергии катиона (Б)

Что заставляет ионы двигаться по каналу? Первичным источником энергии в клетке является, разумеется, химическая энергия, запасенная в молекулах АТФ. За ее счет (Na+-K+)-АТФаза создает электрохимический градиент ионов натрия и калия, а Ca2+-АТФаза - ионов кальция, на плазматической мембране. Ионы двигаются по каналу за счет энергии, запасенной в этих градиентах. Отрицательные заряды во входном устье канала собирают большее катионное облако, чем у выходного устья. Эти ионы создают электростатическое поле, проталкивающее катионы в канал. Если в первом центре связывания есть ион, он будет выталкиваться, как биллиардный шар, во вторую яму следующим подлетающим ионом. Так как благодаря повышенной концентрации число таких ударов на входе в канал больше, чем на выходе, то ионы будут двигаться по каналу по градиенту концентрации. Если вторая яма занята, то ион, вытолкнутый из первой ямы, будет выталкивать второй ион, чтобы занять его место. То есть, одномерная диффузия ионов по каналу осуществляется путем прыжков ионов между потенциальными ямами (отрицательно заряженными группами СОО-).

Все ионные каналы имеют сходный план строения. Они состоят из четырех трансмембранных доменов (Рис.2). Но если у Na+- и Ca2+-каналов эти домены - составляющие одной большой полипептидной цепи (Рис.2А,Б), то K+-канал составляют четыре отдельных белка, по структуре напоминающие домены Na+- и Ca2+-каналов (Рис.2В). Чаще всего трансмембранные домены содержат шесть трансмембранных (ТМ) фрагментов, хотя некоторые калиевые каналы состоят из двух или четырех ТМ-фрагментов. При объединении четырех доменов между ними формируется ион-проницаемая пора (Рис.2Г).

Рис.2. План строения потенциалзависимых каналов. А. Натриевый канал. Б. Кальциевый канал. В. Калиевый канал. Г. Гипотетическая структура натриевого или кальциевого канала (По: Николлс и др. 2013)

3. Селективность ионных каналов

Ионные каналы высокоселективны и пропускают только ионы определенного вида. Например, проницаемость натриевых каналов гигантского аксона кальмара для разных ионов щелочных металлов составляет (в отн. ед.): Na+ - 1,0; Li+ - 1,1; K+ - 0.083; Rb+ - 0.025; Cs+ - 0.016. Селективность калиевых каналов еще выше: их проницаемость для ионов натрия на два-четыре порядка ниже, чем для ионов калия. Казалось бы, понятно, почему больший ион калия не может пройти через натриевый канал: его диаметр, определенный Л. Полингом, составляет 0,27 нм, тогда как диаметр иона натрия - 0.19 нм (Табл.1). Но почему меньший ион натрия не может пройти через больший калиевый канал? Ясно, что здесь не годится представление о канале, как об ионном сите, через ячейки которого проходят частицы определенного размера.

Таблица. 1. Свойства биологически важных ионов (По данным Л. Полинга)

Ион	Радиус иона, нм	Гидратационное число
K+	0,133	2,9
Na+	0,095	4,5
Cl-	0,181	2,9
Ca2+	0,099	7,0
Mg2+	0,066	10,0

Высокая избирательность канала для ионов Na+ определяется размерами самой узкой области, называющейся селективным фильтром. По данным Б. Хилле, изучившего проницаемость натриевого канала для неорганических и органических катионов разного размера, селективный фильтр Nа+-канала должен иметь размеры 0,32х0,52 нм. Соответствующие размеры кальциевого канала - 0,34х0,34 нм, а калиевого канала - 0,41х0,41 нм. Хилле пришел к выводу, что ионы проникают через канал более сложным способом, чем простая диффузия. Селективность канала обеспечивается как стерическими причинами (размеры поры и катиона вместе с гидратной оболочкой), так и энергетикой взаимодействия иона и его гидратной оболочки с полярными группами в стенках канала. Увеличение свободной энергии в результате потери гидратной оболочки иона компенсируется ее уменьшением при взаимодействии с полярными группами канала. Важную роль в ионной проницаемости играют атомы кислорода, выстилающие стенку канала в области селективного фильтра.

Согласно модели Хилле (Рис.3), свободный ион вместе с гидратной оболочкой (состояние А на Рис.3.А) входит в канал, преодолевая некоторый потенциальный барьер. В канале он связывается с кислородными атомами (состояние В) и частично дегидратируется, т.е. теряет некоторое количество связанной воды с помощью других кислородных атомов, которые образуют водородные связи с молекулами воды. Энергетическая стабилизация иона достигается за счет притяжения к кислороду карбоксильной группы внутри канала. Для входа в узкий селективный фильтр ион должен преодолеть еще один потенциальный барьер (С). Энергия комплекса иона с каналом, т.е. высота потенциального барьера (С) различна для разных ионов, что обеспечивает селективность канала. Преодолев селективный фильтр, ион входит в более широкую область канала и вновь гидратируется, т.е. связывает некоторое количество воды (состояние D). Затем он перемещается по каналу, преодолевая ряд меньших потенциальных барьеров, и выходит наружу. Энергетическая диаграмма этого процесса (Рис.3,Б) принципиально сходна с ранее обсуждавшейся диаграммой (Рис.1,Б). Наиболее высокий потенциальный барьер, который должен преодолеть ион, соответствует области селективного фильтра. Он определяет скорость всего процесса.

По данным Хилле, селективный фильтр натриевого канала "выстлан" 8 атомами кислорода, принадлежащим к разным аминокислотам. Зависимость натриевой проводимости от рН свидетельствует о присутствии в этой области карбоксильных групп СОО^-. Диаметр иона Nа⁺ намного меньше диаметра К⁺ (0,19 против 0,27 нм), а заряды у них одинаковые. Поэтому энергия гидратации Nа⁺ намного выше, и они связывают воду сильней, чем К⁺. По данным Хилле (1981), диаметры гидратированных ионов натрия могут варьировать от 0,48 до 0,66 нм., а ионов калия - от 0,32 до 0,44 нм, а энергия их гидратации - 98 и 81 ккал/моль. По другим данным, приводимым в этой статье Хилле, энергии гидратации Na⁺ и К⁺ равны 72 и 42 ккал/моль, соответственно. Эти значения приближаются к энергиям ковалентных связей. Поэтому в водных растворах катионы всегда гидратированы, но К⁺ связывает меньше молекул воды, чем Na⁺: 2,9 и 4,5, соответственно (Табл.1).

Поскольку размер иона К⁺ хорошо соответствует диаметру селективного фильтра, он взаимодействует с наибольшим количеством атомов кислорода на внутренней поверхности канала (допустим, например, с четырьмя). Если энергия взаимодействия К⁺ с атомами кислорода стенки калиевого канала примерно равна энергии его взаимодействия с молекулами воды гидратной оболочки, он сможет легко освобождаться от гидратационной воды, молекулы которой будут замещаться атомами кислорода, координирующими этот ион. В отличие от ионов калия, ионы Na⁺ связывают воду значительно сильнее, и энергия их взаимодействия с атомами кислорода стенок канала ниже энергии их связи с молекулами воды.

Кроме того, поскольку ионы Na⁺ меньше, они не точно прилегают к стенкам канала, могут обменять на кислородные атомы не четыре молекулы связанной воды, как калий, а только две, как в примере, приведенном на рис.4, или три, по данным Хилле (1981). Поэтому ион Na⁺ должен продвигаться по каналу вместе с некоторым количеством связанных молекул воды (в данном примере - одной), и эффективный размер этой группы значительно выше, чем размер свободного от гидратной оболочки иона К⁺. Эти рассуждения позволяют прояснить возможный механизм селективности ионных каналов. Они были недавно подтверждены МакКинноном и соавторами (1998) в блестящих рентгеноструктурных исследованиях калиевых каналов KcsA.

Нужно отметить, что открытый натриевый канал проницаем для ионов кальция, и при генерации нервных импульсов в клетку могут попадать ионы кальция.

Рис.3. (А). Модель транспорта ионов по каналу. Б. Потенциальный профиль иона, движущегося по каналу. (по: B. Hille 1984)

Рис.4. Модель движения гидратированных ионов натрия и калия по калиевому каналу (По Армстронг, 1981)

4. Воротный механизм

В отличие от простых пор, ионные каналы открыты не все время. Натриевый канал может находиться в трех основных состояниях: открытом, закрытом и инактивированном. Переходы между ними регулируются мембранным потенциалом: деполяризация мембраны активирует канал, т.е. повышает вероятность его открытия. Инактивация - закрытие канала. Эти процессы могут быть быстрыми, протекающими менее чем за миллисекунду, или медленными, длящимися десятки миллисекунд. Из потенциалзависимости проводимости канала можно предположить, что в мембране есть «ворота» или «воротный механизм», несущий электрические заряды или диполи, которые позволяют ему перемещаться при изменении электрического поля и закрывать или открывать канал. Эти подвижные заряды могут служить сенсором напряжения, реагирующим на изменения трансмембранного потенциала и приводить в движение воротную частицу.

Перемещение электрических зарядов, как бы мало оно ни было, - это электрический ток. Ток, соответствующий перемещениям зарядов в воротах ионных каналов был назван воротным током. Он кратковременен (около 1 мкс или меньше) и очень мал, на два-три порядка ниже основного ионного тока, идущего по каналу (Рис.5). Поэтому обнаружить его было очень нелегко. Для его регистрации основные ионные токи - натриевый и калиевый - подавлялись специфическими блокаторами Na+- и К+-каналов, тетродотоксином и тетраэтиламмонием, соответственно. Кроме того, поскольку воротный ток, обусловленный смещением частиц, открывающих ионный канал, должен предшествовать натриевому току (INa), то он маскируется протекающим в это же время быстрым емкостным током, возникающим при электрической перезарядке мембраны, обусловленной изменением мембранного потенциала. Для его выделения из намного более сильного емкостного тока, на аксон подавали одинаковые, но противоположно направленные прямоугольные импульсы напряжения и вычитали противоположно направленные токи. Поскольку в обоих случаях емкостные токи были одинаковы, а воротные токи, возникают только при деполяризации мембраны, то вычитание давало только воротный ток. Для выделения его из шумов эту процедуру многократно повторяли и проводили усреднение. Это позволило выделить из шумов малый воротный ток.

Рис.5. Воротный ток Iв в аксоне кальмара (А) по сравнению с натриевым током (Б). Обратите внимание на разный масштаб этих кривых (По Армстронг, 1981)

Воротный ток оказался нечувствительным к тетродотоксину, действующему с наружной стороны мембраны. Обработка мембраны протеолитическим ферментом проназой с одной или с другой ее стороны показала, что только протеолитическое воздействие изнутри клетки устраняет инактивацию натриевого канала. Следовательно, воротный механизм удален от устья канала, где связывается тетродотоксин, и находится с внутренней стороны мембраны.

Был выдвинут ряд предположений о структуре этих «ворот» и механизме перекрывания ионного канала, в результате, например, движения каких-то молекулярных группировок, или их поворота, или сужения канала. Оказалось, что в некоторых ионных каналах воротная частица имеет неожиданную структуру, а механизм ее действия на удивление прост и нагляден. По данным Antz et al. (1997), полученным методом ядерного магнитного резонанса, в быстрых потенциалзависимых калиевых каналах млекопитающих Kv3.4 и Kvl.4 воротная частица представляет собой “ball-and-chain” или «пробку на цепочке» - располагающийся в устье канала полипептидный домен из 37 аминокислот, связанный с каналом белковой цепочкой. Благодаря асимметричному распределению заряженных групп Glu-, Lys+ и Arg+, он может перемещаться при изменении мембранного потенциала и затыкать или открывать канал (Рис.6).

Рис.6. Схема устройства воротного механизма типа «ball-and-chain» («пробка на цепочке») у быстрых потенциалзависимых калиевых каналов млекопитающих Kv3.4, построенная по данным ядерного магнитного резонанса.

На верхнем рисунке в двух проекциях изображен подвижный домен (пробка), являющийся электрическим диполем. На нижнем показано положение этого домена в калиевом канале и направление его смещений под влиянием трансмембранного потенциала (красные стрелки) (по Antz et al., 1997)

В других каналах, однако, могут работать иные воротные механизмы. Так, Webster et al. (2014) предложили модель воротного механизма бактериального калиевого канала KcsA и калиевого канала Shaker нейронов дрозофилы основанную на повороте внутримембранных -спиралей (Рис.7).

Рис.7. Гипотетические схемы воротных механизмов калиевых каналов KcsA бактерии (А,Б) и Shaker дрозофилы (В). Канал открывается или закрывается при повороте внутримембранных -спиралей (по Webster et al. 2014)

С помощью метода криоэлектронной микроскопии двумерных кристаллов недавно получены микрофотографии поперечного сечения калиевых каналов KirBac 3.1 в закрытом и открытом состоянии (Рис. 8). Размер канального белка в закрытом состоянии (9,9х11,0 нм) незначительно изменяется при открытии канала (9,9х11,5 нм). Но в открытом состоянии внутри канала отчетливо видна пора размером 1,5 нм (Vйnien-Bryan, 2014). Предполагается, что канал открывается или закрывается при смещении образующих канал трансмембранных -спиралей, как изображено на рис. Рис.9.

Рис.8. Поперечное сечение калиевых каналов KirBac 3.1 в закрытом и открытом состоянии, полученные методом криоэлектронной микроскопии высокого разрешения (0.9 нм) двумерных кристаллов этих белков (По Vйnien-Bryan, 2014)

5. Структура бактериального калиевого канала KcsA

Использование методов генной инженерии и рентгеноструктурного анализа позволило получить детальные данные о структуре и механизме действия калиевого канала. МакКинноном и соавторы выделили и детально изучили калиевый канал KcsA бактерии Streptomyces lividans (Doyle et al., 1998). При исследовании ее генома был найден ген из 1080 нуклеотидов, кодирующий белок KcsA с молекулярной массой 17,6 кДа. Этот белок был экспрессирован в бактериях и получен в большом количестве.



Рис.9. Схема конформационных превращений ионного канала KirBac1.1. А. Закрытое состояние. Б. Открытое состояние. В - схема открывания канала

Встраивание его в гигантские липосомы и электрофизиологическое исследование подтвердило, что это высокоселективный потенциалзависимый калиевый канал. Он образован четырьмя мономерами KcsA, формирующими центральную пору, через которую проходят ионы К+ (Рис.10-12). Отношение проницаемости для K+ и Na+ составляет 1:10000. В области поры белка KcsA найден консервативный участок из пяти аминокислот: -Тре-Вал-Гли-Тир-Гли-, идентичный у потенциалзависимых К+-каналов различных организмов от бактерий до человека. Вероятно, он необходим для распознавания ионов К+, и природой изобретен только один механизм для выполнения этой функции.

Каждый мономер KcsA содержит две трансмембранные -спирали: наружную, контактирующую с липидами мембраны, и внутреннюю, участвующую в образовании поры вместе с такими же спиралями трех других субъединиц (Рис.11А,В). Еще одна, короткая -спираль, нужна, вероятно, для центровки иона внутри канала (Рис.11Б,Г).

Рис.10. Структура К+ канала KcsA, определенная методом рентгеноструктурного анализа с разрешением 0,2 нм. Вид сверху (По Doyle et al., 1998)

В обоих устьях - внутриклеточном, куда входят ионы, и наружном есть отрицательно заряженные аминокислоты (Рис.12). Они притягивают катионы и способствуют их входу в канал. Они притягивают катионы и способствуют их входу в канал. Внутри канала есть расширение диаметром около 1 нм, где катионы центруются отрицательно заряженными концами коротких -спиралей перед входом в наиболее узкую часть - селективный фильтр. Видимо, тут катионы начинают терять свою гидратную оболочку. Наиболее узкая часть поры имеет длину примерно 1,2 нм. Это селективный фильтр, выстланный отрицательно заряженными аминокислотами (Рис.12).

Рис.11. Ленточное представление К+ канала KcsA. А. Вид сбоку, Б. Изображение только внутренний и поровых спиралей. В. Вид сверху. Г. Схема центровки иона К+ в канале KcsA с помощью коротких спиралей (По Doyle et al., 1998)

Взаимодействие с их кислородными атомами помогает иону К+ освободиться от связанной воды, так как энергия его взаимодействия с карбонильным кислородом того же порядка, что и энергия его взаимодействия с молекулами воды. Внутри селективного фильтра может поместиться два иона К+, третий ожидает своей очереди в «пещере» (Рис.11,12). Предполагается, что меньшие ионы Na+ не могут одновременно взаимодействовать со всеми атомами кислорода, а взаимодействуют только с одним из них, и этой энергии недостаточно для освобождения от связанной воды.

Рис.12. А. «Пластилиновая модель» К+ канала KcsA показывает поверхность половины канала, так что видна пора и ионы внутри нее. Б. Схема строения поры (По Doyle et al., 1998)

6. Потенциалзависимые калиевые каналы

Калиевые каналы в нейронах и других клетках различаются по структуре и биофизическим свойствам. Их действие регулируется трансмембранными потенциалами, ионами кальция и различными нейромедиаторами. Многие болезни, такие как сердечная аритмия, эпилепсия, диабет, нестабильность кровяного давления и рак связаны с нарушениями их работы. В наименованиях ионных каналов нелегко разобраться при чтении современной физиологической литературы. Поэтому подробнее остановимся на их классификации.



Рис.13. Структура доменов и вольтамперные характеристики 2ТМ, 4ТМ и 6ТМ К+-каналов. (А). Аномально выпрямляющий канал входящего тока с 2ТМ структурой; (Б). Канал утечки с 4ТМ структурой; (В). Потенциалзависимый канал с 6ТМ структурой (по Smith, 2002)

В отличие от Na+ или Ca2+-каналов, K+ каналы формируются не из одного белка с четырьмя доменами, а из четырех отдельных доменов, которые могут содержать два (2ТМ), четыре (4ТМ) или шесть (6ТМ) трансмембранных фрагментов (Рис.2,В и 13). 6TM домены похожи на домены белков Na+ или Ca2+-каналов (Рис.2А и Б). Общее свойство всех доменов - наличие дополнительной небольшой петли, вероятно, необходимой для центровки иона внутри канала.

Изоформы 2ТМ калиевых каналов представлены в таблице 2. К этой группе каналов относится и бактериальный К+-канал KcsA. В соответствии с вольт-амперными характеристиками, т.е. зависимостями между током и разностью потенциалов, I(U), они обладают необычными выпрямляющими свойствами. В отличие от других К+-каналов, они пропускают только входящий ток, вызванный гиперполяризацией мембраны, и блокируются при деполяризации. Поэтому они называются выпрямляющими каналами входящего тока (inward rectifying K+ channels) или калиевыми каналами с аномальным выпрямлением. Это отражает их вольт-амперная характеристика (Рис.13). Они часто обозначаются как Kir. Такие каналы широко распространены в мозгу, сердце, почках и других тканях.

Таблица 2. Семейство калиевых каналов с аномальным выпрямлением (2ТМ каналы) (По данным Международного Союза фармакологов IUPHAR 2002)

Наименование	Альтернативные наименования	Тканевая принадлежность	Функции
Kir 1.x	Kir1.1 (ROMK1)	Кора мозга, гиппокамп, почки, легкое	Регуляция трансэпителиального транспорта
Kir 2.x	Kir2.1-2.4 (IRK1-4)	Мозг, сетчатка, сердце, почки, мышцы	Поддержание потенциала покоя, реполяризация сердечных потенциалов действия
Kir 3.x	Kir3.1-3.4 (GIRK1-4)	Мозг, сердце	Рецепторзависимая гиперполяризация
Kir 4.x	Kir4.1 (Kir1.2) Kir4.2 (Kir1.3, ROMK3)	Мозг, сетчатка, эпителий	Не известно
Kir 5.x	Kir5.1	Мозг, почки, легкое, печень	Не известно
Kir 6.x	KATP (Kir6.1 или (Kir1.2) Kir6.2	Мозг, сердце, скелетные и гладкие мышцы, поджелудочная железа	Регуляция секреции инсулина, сенсор глюкозы и кислорода, защита нервных и сердечных клеток от ишемии, контроль давления крови
Kir 7.x	Kir5.1	Мозг, почки, легкое, тонкий кишечник	Поддержание потенциала покоя

Важная разновидность таких каналов - АТФ-чувствительный калиевый канал (КАТР), состоящий из канала Kir 6.2 и еще одной белковой субъединицы. КАТР контролируется не столько разностью потенциалов, сколько АТФ. Высокие концентрации АТФ закрывают этот канал, сопрягая клеточный метаболизм с электрической возбудимостью клеточной мембраны.

Каналы с 4ТМ структурой (11 изоформ) называют каналами утечки или KCNK каналами. Известны их подтипы TWIK, TREK, TASK, TALK, THIK. Они представляют собой димеры с двумя трансмембранными порами. При слабой деполяризации мембраны К+ медленно входит в клетку через эти каналы по электрохимическому градиенту. Это восстанавливает мембранный потенциал и сглаживает его флуктуации. Такие каналы распространены в разных тканях: в мозгу, сердце, почках, печени, легких и т.д. Но их функции и участие в патофизиологических процессах пока не известны.

Наиболее многочисленны калиевые каналы с 6ТМ структурой. К ним относятся потенциалзависимые каналы (Kv), у которых деполяризация мембраны индуцирует выходящий ток; лиганд-активируемые каналы (KCNQ и EAG), управляемые циклическими нуклеотидами, и Ca2+-зависимые BK и SK-каналы. Kv каналы были впервые изолированы у дрозофилы и названы Shaker-каналами. Поэтому аналогичные каналы Kv1.1- Kv1.8 позвоночных называются Shaker-подобными каналами. Позднее у дрозофилы были найдены каналы Shab, Shaw и Shal, а у млекопитающих - гомологичные Kv 2.x, Kv 3.x и Kv 4.x (Табл.3).

Таблица 3. Семейство потенциалзависимых и кальций-зависимых калиевых каналов (6ТМ каналы) (По данным Международного Союза фармакологов IUPHAR 2002)

Наименование	Другие наименования	Тканевая принадлежность	Функции
Kv 1.x	Kv1.1- Kv1.8 Shaker-подобные	Мозг, сетчатка, сердце, легкое скелетные мышцы	Регуляция и поддержание мембранного потенциала, модуляция возбудимости
Kv 2.x	Kv2.1- Kv2.2 Shab-подобные	Мозг, сетчатка, сердце, легкое, скелетные мышцы	Поддержание мембранного потенциала, модулирование возбудимости
Kv 3.x	Kv3.1- Kv3.4 Shaw-подобные	Мозг, легкое, тимус скелетные мышцы, простата, яичники	Поддерживает высокую частоту некоторых нейронов
Kv 4.x	Kv4.1- Kv4.3 Shal-подобные	Мозг, сердце, легкое, кишечник, желудок, гладкие мышцы, железы, печень, почки	Реполяризация сердечных потенциалов действия, регуляция проведения импульсов в нейронах гиппокампа
Kv 7.x	Kv7.1- Kv7.5 (KCNQ1-5)	Нервная система, сердце, легкое, яичники, плацента, почки	Регуляция подпороговой возбудимости нейронов, реполяризация сердечных потенциалов действия,
Kv 10.x	Kv10.1- Kv10.2 (eag 1-2)	Мозг, опухолевые клетки	Контроль клеточного цикла
Kv 11.x	Kv11.1- Kv11.3 (erg1-3)	Мозг, сердце, легкое, железы, печень, почки, яичники, простата	Регулирование потенциала покоя в сердце
Kv 12.x	Kv12.1- Kv12.3 (elk3, elk2, elk1)	Мозг, легкое, кишечник, яичник	Не известно
BK	KCa1.1 KCNMA1, Slo	Мозг, скелетные и гладкие мышцы, кишечник, почки	Гиперполяризация нейронов, модуляция пресинаптических потенциалов, регуляция сокращения гладких мышц
SK	SK1-3 (Kca2.1-2.3) SK4 (KCa3.1)	Мозг, легкое, олигодендроглия, скелетные и гладкие мышцы	Следовая гиперполяризация нейронов

Существует также классификация потенциалзависимых калиевых каналов по их характеристикам. Так, есть быстрые К+-каналы, или А-каналы (KA), К+-каналы с задержанным выпрямлением (Kvdr), Ca2+-зависимые К+-каналы (KCa). Текущие через них токи обозначаются, как IK(A), IK(dr) или IK(Ca).

Быстрые КА каналы, или просто А-каналы, широко распространены у беспозвоночных и позвоночных животных. Они быстро открываются при деполяризации и независимо от мембранного потенциала закрываются через несколько десятков или сотен миллисекунд (Рис.14). Это поведение характерно для Na+, но не К+-каналов. Одной из их возможных функций может быть предотвращение случайной генерации потенциалов действия при действии подпороговых стимулов, т.ек. быстрый выход ионов K+ через них реполяризует мембрану и не позволяет клетке возбудиться. Другая возможная функция - регуляция частоты потенциалов действия.

У мух дрозофила аналогичные каналы называются Shaker. ДНК, кодирующая один домен этого канала (всего их 4), была выделена и клонирована в ооцитах лягушки, что позволило наработать большое количество этого белка и подробно изучить его свойства. Оказалось, что это полипептид из 616 аминокислот с молекулярной массой 80 кДа.

Рис.14. Быстрые K+-каналы. А. Кинетика быстрого IKA и замедленного IK K+ токов при ступенчатой деполяризации мембраны, начинающейся в момент 0 мс. Б. Структура одного домена быстрого K+-канала Shaker дрозофилы. Трансмембранный сегмент 4 несет несколько положительных зарядов. Большой внутриклеточный фрагмент на N-конце, возможно, играет роль «пробки на цепочке», перекрывающей канал при изменениях мембранного потенциала (по Smith, 2002)

Трансмембранные фрагменты 5 и 6 четырех таких доменов формируют центральную пору размером 0,4 нм. Петля Р между 5-м и 6-м фрагментами (H5 фрагмент) является компонентом селективного фильтра. Методом сайт-специфического мутагенеза показано, что замены положительно заряженных аминокислот во фрагменте 4 сильно влияют на его чувствительность к мембранному потенциалу. Следовательно, этот фрагмент входит в состав сенсора трансмембранного потенциала. Большой внутриклеточный фрагмент на N-конце участвует в инактивации канала через 10-100 мс после открытия. Замена в нем двух Arg+ или двух Lys+ на нейтральные аминокислоты ослабляет инактивацию. Возможно, этот фрагмент, как «пробка на цепочке», перекрывает канал при деполяризации и открывает его при реполяризации мембраны. Хотя калиевый канал образован из четырех доменов, N-концевой фрагмент только одного из доменов участвует в этом воротном механизме. Такой тип инактивации ионного канала называется N-типом.

Калиевые каналы Kvdr с задержанным выпрямлением (delayed rectifier K+ channels) в покое закрыты. Они открываются с некоторой задержкой после начала деполяризации мембраны и не инактивируются в течение последующих десятков миллисекунд (Рис.14А). Эти каналы широко распространены. Именно они играют центральную роль в генерации нервных импульсов.

В нервной системе также широко распространены Ca2+-активируемые К+-каналы, которые открываются при повышении внутриклеточной концентрации ионов Ca2+ до 10-6-10-5 М. При фиксированной концентрации ионов кальция они ведут себя как другие K+-каналы с задержанным выпрямлением, активирующиеся при деполяризации мембраны. Но вероятность их открывания возрастает при повышении концентрации ионов кальция. Эти каналы вносят свой вклад в реполяризацию мембраны после продолжительной деполяризации и даже могут обуславливать гиперполяризацию мембраны. Они участвуют в таких явлениях, как адаптация, следовая гиперполяризации после длительного импульсного разряда и формирование пачечной активности.

Известно три подтипа таких каналов с разной проводимостью: очень высокой (200 пСм), средней (20-30 пСм) и низкой (10 пСм). Первые образуют группу BK каналов, а вторые и третьи - SK каналов (Табл.3). Комплекс кальций/кальмодулин управляет проводимостью SK каналов. Их пороговые свойства также регулируются фосфорилированием, опосредованным цАМФ и протеинкиназой А. Существуют и другие K+-каналы. Большое их разнообразие лежит в основе разных физиологических процессов, связанных с калиевой проводимостью биомембран.

7. Потенциалзависимые натриевые каналы

Изучение молекулярной структуры ионных каналов затруднено тем, что это большие интегральные белки, несколько раз пересекающие мембрану. При попытках выделения они теряют пространственную структуру и свойства. Но в 1980-х годах удалось клонировать ДНК, кодирующую натриевые каналы электрического угря, встроить клонированную ДНК в ооциты лягушки, экспрессировать в большом количестве канальный белок, расшифровать его аминокислотную последовательность и изучить электрофизиологические свойства. Он оказался очень похожим по строению на K+-каналы, за исключением того, что он строится не из отдельных 6ТМ доменов, а в нем эти домены соединены в одну полипептидную цепь из 1820 аминокислот с молекулярной массой 260 кДа. (Рис.2). Кольцо из этих доменов формирует канал, в котором центральная пора диаметром 0,31 нм образована пятым и шестым фрагментами каждого домена, как показано на рис.2,Г. Короткие -спирали между пятым и шестым фрагментами, видимо, центрируют ион в центральной поре. Четвертый фрагмент содержит три положительно заряженных аргинина, разделенных двумя другими аминокислотами: -Arg+-X-X-Arg+-X-X-Arg+-. Возможно, он играет роль потенциал-чувствительного сенсора, способного открывать канал при деполяризации мембраны.

В мозгу млекопитающих аналогичный белок с массой 260 кДа составляет основную -субъединицу Na+-канала. Кроме него в состав канала входят два дополнительных полипептида 1 (36 кДа) и 2 (33 кДа), которые, как предполагается, связывают канал с белками внеклеточного матрикса, а также ускоряют его закрывание и открывание. Семейство потенциалзависимых Na+-каналов млекопитающих содержит 10 изоформ, перечисленных в таблице 4.

Таблица 4. Семейство потенциалзависимых натриевых каналов (По данным Международного Союза фармакологов IUPHAR 2002)

Тип	Локализация	Функции
NaV 1.1	ЦНС, ПНС, кардиомиоциты	Потенциалы действия
NaV 1.2	ЦНС, немиелинизированные аксоны	Потенциалы действия
NaV 1.3	ЦНС, кардиомиоциты	Потенциалы действия
NaV 1.4	Скелетные мышцы	Потенциалы действия
NaV 1.5	Мозг, кардиомиоциты, скелетные мышцы	Потенциалы действия
NaV 1.6	ЦНС и ПНС	Потенциалы действия
NaV 1.7	ПНС, шванновские клетки	Потенциалы действия
NaV 1.8	ПНС	Потенциалы действия
NaV 1.9	ПНС	Деполяризация, потенциал покоя
Nax	Скелетные и гладкие сердечные мышцы, астроциты	Участие в потреблении соли

8. Потенциалзависимые кальциевые каналы

В теле нейрона, в отличие от аксона, есть потенциалзависимые Ca2+-каналы, отвечающие за генерацию «кальциевых» потенциалов действия. Они высоко селективны. Так, в гигантских аксонах кальмара кальциевая проницаемость превосходит натриевую в 100 раз. Условием селективности является наличие в среде ионов Ca2+. Без них Ca2+-канал проницаем для ионов Na+. Возможно, связывание Ca2+ в селективном фильтре препятствует Na+ проницаемости мембраны, но точного объяснения Ca2+/Na+ селективности пока нет.

Ca2+-каналы могут активироваться низкой или высокой разностью потенциалов. Низкопотенциальные каналы называются Т-каналами, а высокопотенциальные подразделяются на пять групп: L, N, P, Q и R. Они различаются по биофизическим характеристикам и чувствительности к разным ингибиторам. Согласно современной системе классификации кальциевых каналов (Табл. 5): группа каналов CaV1 (CaV1.1 - CaV1.4) соответствует L-типу каналов; группа каналов CaV2 (CaV2.1 - CaV2.3) соответствует P/Q-, N- и R-типам каналов; группа каналов CaV3 (CaV3.1 - CaV3.3) соответствует T-типу каналов.

Рис.15. Схема строения кальциевого канала L-типа (по Smith, 2002)

Таблица 5. Семейство потенциалзависимых кальциевых каналов (По данным Международного Союза фармакологов IUPHAR 2002)

Тип	Другие обоз.	Пороговый потенциал	Инактивация	Локализация	Функции
CaV 1.1	L	Высокий	Медленная	Скелетные, гладкие, сердечные мышцы, эндокринные клетки	Сопряжение возбуждения-сокращения мышц, Секреция гормонов
CaV 1.2
CaV 1.3		Умеренный
CaV 1.4
CaV 2.1	P/Q	Умеренный	Умеренная	ЦНС и ПНС	Высвобождение медиаторов
CaV 2.2	N	Высокий
CaV 2.3	R	Умеренный	Быстрая
CaV 3.1	T	Низкий	Быстрая	Скелетные, гладкие, сердечные мышцы, эндокринные клетки	Ритмическая активность нейронов, эндокринных клеток, гладких мышц
CaV 3.2
CaV 3.3			Умерен-ная

Ca2+-каналы строятся из разных комбинаций одного из десяти подвидов 1 субъединиц, а также , и 2 субъединиц. Строение 1 субъединицы примерно такое же, как и у натриевых каналов или тетрамера калиевого канала (Рис.2), что указывает на их общее эволюционное происхождение (Smith, 2002). У канала L-типа субъединица 1 состоит из 1873 аминокислот с молекулярной массой 170 кДа. Кроме нее в состав L-канала входят , и 2 субъединицы (Рис.15).

Кальциевые каналы отличаются медленной активацией и очень медленной инактивацией. Порог активации у них значительно выше, чем у натриевых. Например, в кардиомиоцитах с потенциалом покоя - 90 мВ, порог активации Ca2+ каналов L-типа и Na+-каналов 55 и 35 мВ, соответственно.

9. Распределение ионных каналов в мембранах

Измерения плотности ионных каналов в мембранах разных типов клеток показали, что она довольно невелика. В разных нервных клетках плотность натриевых каналов составляет от десятков до нескольких тысяч на 1 мкм2. Например, в немиелинизированных нервных волокнах кролика примерно 100, в гигантском аксоне кальмара - 300, а в перехватах Ранвье несколько тысяч каналов на 1 мкм2. Соответственно, среднее расстояние между отдельными каналами можно оценить как 100, 70 и 10-30 нм. При этом следует иметь ввиду, что по данным электронной микроскопии размер одного канала равен примерно 10х11 нм (Vйnien-Bryan, 2014).

10. Лиганд-активируемые ионные каналы

Ионные каналы другого типа, лиганд- или рецептор-активируемые, нечувствительны к изменениям мембранного потенциала, но способны открываться при связывании сигнальных молекул - нейромедиаторов или других лигандов, например, агонистов, оказывающими такое же активирующее действие, или антагонистов, предотвращающих активацию канала. Они также называются ионотропными рецепторами, так как их свойства определяются не столько пропускаемыми ионами (обычно селективность лиганд-активируемых ионных каналов невелика), сколько природой лигандов - самих нейромедиаторов и их агонистов. Рецепторные белки обычно входят в состав канала.

Связывание одной молекулы лиганда и последующее открытие канала вызывает поток ионов, изменяющий клеточный гомеостаз и запускающий каскады ферментативных реакций в клетках. Это является механизмом усиления слабых входных сигналов в клетках.

Существует множество ионотропных рецепторов, образующих несколько рядов эволюционно-связанных суперсемейств. К числу важнейших для физиологии нейронов относятся рецепторы нейромедиаторов, передающих синаптические сигналы, - никотиновый рецептор ацетилхолина (nAChR), рецепторы гамма-аминомасляной кислоты (GABAAR), глицина (GlyR) и серотонина (5-HT3R). Возможно, они имеют общее эволюционное прошлое, так как их структура с четырьмя трансмембранными -спиралями имеет общие черты. Другое важное семейство составляют рецепторы глутамата, способные также распознавать их агонисты: каинат, AMPA или NMDA. У них не четыре, а три трансмембранных -спирали. Еще одно семейство с двумя трансмембранными -спиралями включает пуринорецепторы типа P2X.

11. Никотиновый ацетилхолиновый рецептор

Ацетилхолин (ACh) передает нервное возбуждение между нейронами или от нейрона к иннервируемой им мышце.

Он воспринимается на постсинаптической клетке ацетилхолиновыми рецепторами (AChR), или, говоря короче, холинорецепторами, Существует два вида AChR - мускариновые или никотиновые, агонистами которых являются мускарин или никотин, соответственно.

Рис.16. Структура никотинового ацетилхолинового рецептора электрического ската. А. Изображение, полученное с помощью электронной микроскопии высокого разрешения (по Николс и др., 2013). Б. Ориентация субъединиц nAChR в мембране (по Николс и др., 2013). В и Г. Схема расположения трансмембранных фрагментов -субъединицы nAChR (на Г - вид сверху) (по Smith, 2002)

Мускариновые холинорецепторы (mAChR) являются метаботропными - связывание Ach с ними инициирует цепь внутриклеточных метаболических процессов. Никотиновые холинорецепторы (nAChR) - ионотропные. При связывании ацетилхолина они открывают ионный канал, пропускающий в клетку ионы натрия, калия и кальция.

Никотиновые холинорецепторы присутствуют в центральной и периферической нервной системе и нервно-мышечных соединениях. У разных видов животных и внутри организма они несколько варьируют по строению и характеристикам. Особенно хорошо изучены nAChR из электрического органа ската Torpedo,где их особенно много.

Хотя пока не удалось получить кристаллы этих сложных мембранных белков и изучить их трехмерную структуру методом рентгеноструктурного анализа, они тщательно исследованы с помощью современных электрофизиологических и молекулярно-биологических методов. Этот белок состоит из пяти субъединиц 2, , и (Рис.16). Аминокислотные последовательности всех субъединиц похожи друг на друга. Их общая молекулярная масса примерно 268 кДа.

По данным об аминокислотной последовательности небольшого участка -субъединицы был сконструирован короткий олигонуклеотидный ДНК-зонд, с помощью которого провели скрининг библиотеки клонированных ДНК электрического органа ската и нашли гены, кодирующие субъединицы nAChR. Их клонировали и получили соответствующие мРНК. Инъекция их в ооцит Xenopus привела к синтезу соответствующих полипептидов, сборке их в функционально активный nAChR и встраиванию его в мембрану ооцита, который сам по себе не экспрессировал этот белок. Его также встроили в мембраны многослойных липосом (бислойные липосомы были слишком хрупки для этого очень большого белка) или в плоские бислойные мембраны (так называемые черные мембраны) и изучили их электрофизиологические свойства. Сайт-специфический мутагенез позволил получить мутанты с заменами разных аминокислот и решить, участвуют ли эти аминокислоты в работе функционально значимых участков - центральной поры, селективного фильтра или воротного механизма. Связывание молекул с определенными физико-химическими свойствами - токсинов, ингибиторов или активаторов каналов - позволило определить характеристики каналов в местах связывания этих веществ, например, их доступность для разных молекулярных групп.

С помощью электронной микроскопии высокого разрешения изучена форма nAChR и определены его размеры: 8,5х11 нм. Рецептор выступает из мембраны примерно на 5,5 нм. Кластеры отрицательно заряженных аминокислот образуют три кольца отрицательных зарядов: одно у наружного и два у внутреннего устья канала nAChR. Они способствуют втягиванию положительных ионов и прохождению канала. Анализ аминокислотной последовательности показал, что каждая из пяти субъединиц nAChR содержит по четыре гидрофобных трансмембранных участка: М1, М2, М3 и М4 (Рис.16В). Положение в мембране этих участков у всех субъединиц - сходно. Предполагается, что, в отличие от других интегральных белков, фрагмент М2 имеет форму -спирали с изломом посредине, а остальные, М1, М3 и М4, вероятно, образуют -структуры, связанные водородными связями (Рис.17А). Спирали М2 всех пяти субъединиц формируют ионную пору (Рис.16Г, 17Б и 18). Ее диаметр около 2 нм в устье и 0,7 нм в самом узком месте. Места связывания молекул ацетилхолина находятся между субъединицами и и между и (Рис.18).

Нормально закрытый канал nAChR открывается при связывании молекулы ацетилхолина или его агониста никотина, причем связывание второй молекулы ацетилхолина резко увеличивает вероятность открытия ионного канала. Методом пэтч-кламп показано, что связывание ацетилхолина - обратимый процесс. Элементарный ток представляет собой не один импульс, а серию коротких быстрых импульсов, т.е. при связывании ацетилхолина канал флуктуирует - несколько раз открывается и закрывается.

Рис.17. Предполагаемый ход полипептидной цепи в -субъединице nAChR (А) и возможный механизм открывания и закрывания ионного канала вследствие поворота фрагмента М2 (Б) (по Николс и др., 2013)

Рис.18. Цикл работы nAChR (По Nelson, Cox, 2005)

Можно выделить 4 состояния nAChR: 1) свободен и закрыт (R на рис.19); 2) связан с одной молекулой ацетилхолина и непродолжительно закрыт (AR на рис.19); 3) связан с двумя молекулами ацетилхолина и кратковременно открыт (AR2 на рис.19); 4) связан с двумя молекулами ацетилхолина и длительно открыт (AR2* на рис.19).

Рис. 19. Микроскопические состояния nAChR: R - рецептор свободен и закрыт, AR - рецептор связал ацетилхолин, но пока закрыт, A2R - связывание второй молекулы ацетилхолина инициирует временное открывание рецептора, это короткоживущее состояние, A2R* - связывание двух молекул ацетилхолина; это длительно открытый рецептор (По Hille,1992)

При продолжительном воздействии ацетилхолина открытый канал, связавший ацетилхолин, может закрыться на несколько секунд и даже минут. При этом в результате фосфорилирования серина или треонина в петле между третьим и четвертым трансмембранными фрагментами он теряет способность открываться ацетилхолином. Этот феномен называют десенситизацией. Она напоминает инактивацию натриевых каналов. Десенситизация, как и открывание канала, сначала проходит быструю и неустойчивую стадию, а потом канал медленно и стабильно закрывается. Физиологическое значение этого феномена пока неясно.

Изучение влияния разных химических агентов, атакующих различные группы nAChR, показало, что его воротный механизм находится ближе к цитоплазматической стороне мембраны. Предполагается, что открывание и закрывание поры происходит в результате поворота -спиралей субъединиц А2 (Рис.17Б)

Открытый nAChR не отличается высокой ионной специфичностью. Он пропускает ионы Na+, K+ и Ca2+, следующие по концентрационным градиентам. Это приводит к деполяризации плазматической мембраны и возбуждению нейронной активности. Основной вклад вносит движение ионов Na+. Действительно, поскольку мембранный потенциал близок к равновесному для ионов К+, то для них ион-движущая сила невелика. Для ионов Na+ мембранный потенциал далек от равновесного и ион-движущая сила намного больше. Поток ионов Na+ через канал составляет порядка 30000 ионов за 1 мс.

Плотность nAChR в постсинаптической мембране нервно-мышечного соединения очень велика: 104/мкм 2, а в остальных частях мембраны их мало.

GABAA и глициновый рецепторы

Гамма-аминомасляная кислота (ГАМК или в международной научной литературе - -aminobutiric acid, GABA) и глицин являются тормозными медиаторами в нервной системе. Они открывают хлорные каналы в нейрональной мембране. Рецепторы ГАМК имеются и у позвоночных, и у беспозвоночных животных. У позвоночных они локализованы главным образом в головном мозге, а рецепторы глицина в спинном мозге и стволе мозга.

Известны три вида рецепторов ГАМК: ионотропные GABAAR и GABACR и метаботропный рецептор, связанный с G-белком: GABABR. Рецепторы GABAAR и GABAC R контролируют каналы для ионов хлора, открытие которые влечет за собой гиперполяризацию мембраны. Они различаются по чувствительности к разным агонистам и антагонистам. GABAAR состоит из 5 субъединиц: , , , и , каждая из которых состоит из 400-500 аминокислот и имеет молекулярную массу около 50 кДа. Существует несколько разновидностей каждой субъединицы, поэтому возможно много вариантов рецепторов. Как и холинорецепторы, все субъединицы GABAAR содержат по четыре трансмембранных фрагмента М1, М2, М3 и М4, причем М1, М2 и М4 образуют -структуры, и только фрагмент М2 представляет собой -спираль (Рис.20). Пять таких фрагментов формируют пору диаметром не более 0,56 нм в самой узкой части.

Рецепторы глицина (GlyR) устроены примерно так же, как и рецепторы nAChR и GABAAR: пять субъединиц, в каждой из которых есть по четыре трансмембранных фрагмента. Размер поры у них, однако, не более 0,52 нм.

Рис.20. Предполагаемое устройство GABAAR рецептора (по Smith, 2002)

Ионотропные глутаматные рецепторы

В головном и спинном мозгу млекопитающих и других животных наиболее распространены два вида возбуждающих нейромедиаторов - глутамат (Glu) и аспартат (Asp). Их называют возбуждающими аминокислотами (ВАК). Лучше изучены рецепторы глутамата GluR, которые тоже делятся на ионотропные и метаботропные. Их стимуляция может вызвать: (а) быструю деполяризацию мембраны (порядка 1 мс), как в случае стимуляции nAChR ацетилхолином; (б) более длительную деполяризацию (около 10-15 мс), сопровождающуюся вторичными процессами; и (в) активацию G-белков, сопровождаемую вторичными сигнальными и метаболическими процессами.

Обычно, ионотропные глутаматные рецепторы классифицируют по их агонистам:

NMDA-рецепторы (агонист: N-метил-D-аспартат).

AMPA-рецепторы или Q-рецепторы (агонист: -амино-3-гидрокси-5-метил-4-изксазолпропионовая кислота, или квисквалат),

каинатные рецепторы или КА-рецепторы (агонист - каиновая кислота);

Их также обозначают цифрами: GluR1, GluR2 и т.д. На начало XXI века было выявлено 22 ионотропных и 6 метаботропных рецепторов, а также определены их гены. Рецепторы GluR1- GluR4 представляют группу AMPA рецепторов. У них 5 одинаковых субъединиц, содержащих по три гидрофобных трансмембранных фрагмента с петлей между ТМ1 и ТМ3. Эти петли от всех пяти субъединиц и образуют центральную пору (Рис.21), через которую при активации глутаматом проходят ионы натрия, калия, кальция и магния. Это приводит к деполяризации и возникновению возбуждающего постсинаптического потенциала. Протеинкиназа А может фосфорилировать и таким образом десенситизировать этот канал.

Каинатные рецепторы бывают высоко- или низкоаффинными (КА1 и КА2 или GluR5- GluR7, соответственно). У них примерно такая же третичная и четвертичная (но не первичная) структура, как у AMPA рецепторов.

NMDA рецепторы (NMDA-R) также состоят из пяти субъединиц, каждая из которых содержит три трансмембранных фрагмента (Рис.21). Но они отличаются от других глутаматных рецепторов по первичной структуре, в частности, у них есть большие внеклеточные N-концевые последовательности. Их подтипы: NMDA-R2A, NMDA-R2B, NMDA-R2C и NMDA-R2D.

Рис.21. Схема строения ионотропного глутаматного рецептора. А. Положение трансмембранных спиралей, вид сбоку. Б. Положение трансмембранных спиралей, вид сверху (по Smith, 2002)

Все эти глутаматные рецепторы есть в разных отделах мозга. Особенно много их в гиппокампе, что позволяет предположить их участие в процессах синаптической пластичности и кратковременной памяти. В отличие от других лиганд-активируемых ионных каналов, NMDA рецепторы также чувствительны к трансмембранной разности потенциалов, т.е. они одновременно проявляют потенциалозависимость. На это свойство NMDA рецепторов влияют ионы магния (Mg2+), которые блокируют ионные каналы так, что их нельзя открыть небольшой деполяризацией. Только деполяризация свыше 30 мВ может преодолеть эту блокаду и открыть канал.

Через открытые глутаматные каналы проходят ионы Na+, K+ и Ca2+. В случае AMPA и каинатных каналов наибольшее значение имеют потоки ионов Na+ и K+, но NMDA каналы особенно проницаемы для ионов Ca2+, и это имеет большое физиологическое значение, так как Ca2+ участвует в синаптической передаче и является вторым мессенджером. При достаточной деполяризации, когда преодолевается магниевая блокада, NMDA каналы открываются и уровень Ca2+ в цитозоле ([Ca2+]i) быстро возрастает. Это обуславливает продолжительную реакцию клетки (10-15 мс) по сравнению с реакциями других каналов (1-3 мс).

Магниевая зависимость потенциалочувствительности NMDA каналов лежит в основе работы так называемых Хеббовских синапсов, позволяющих осуществлять логическую операцию «И» в нервной системе, необходимую для ассоциативного обучения. Действительно, для срабатывания NMDA рецептора нужно, чтобы мембрана была несколько деполяризована. Это возможно, например, когда на нейрон приходят синаптические терминали от двух других нейронов. Одна высвобождает возбуждающий медиатор (не NMDA) и деполяризует нейрональную мембрану, что облегчает реакцию нейрона на NMDA, высвобождаемый второй терминалью. Этот эффект может участвовать в явлении долговременной потенциации (LTP).