Слайд 1ИОННЫЕ КАНАЛЫ
Ионный гомеостаз клетки
Свойства ионных каналов
Классификация ионных каналов
Потенциалозависимые ионные каналы
Хемочувствительные
ионные каналы
Механозависимые ионные канлы.
Слайд 2БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫЕ МЕТАЛЛЫ
ИОННЫЙ ГОМЕОСТАЗ КЛЕТКИ
Слайд 3СОДЕРЖАНИЕ ОСНОВНЫХ ИОНОВ В КЛЕТКАХ И ВНЕКЛЕТОЧНОЙ ЖИДКОСТИ НЕКОТОРЫХ ЖИВОТНЫХ
В СРАВНЕНИИ С ИОННЫМ СОСТАВОМ МОРСКОЙ ВОДЫ
Слайд 5ХАРАКТЕРИСТИКА ИОНОВ НАТРИЯ И КАЛИЯ
ШИРОКО РАСПРОСТРАНЕНЫ В НЕЖИВОЙ ПРИРОДЕ
НИЗКИЙ ПОТЕНЦИАЛ
ИОНИЗАЦИИ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОНА
ОБРАЗОВАВШИЙСЯ ИОН ИМЕЕТ КОНФИГУРАЦИЮ АТОМА ИНЕРТНОГО ГАЗА
ВЫСОКАЯ ПОДВИЖНОСТЬ
В ВОДНОЙ ФАЗЕ
Слайд 6ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИОНОВ НАТРИЯ И КАЛИЯ
ЭНЕРГИЯ ГИДРАТАЦИИ (ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ)
ДЛЯ
ИОНОВ НАТРИЯ +1,03 кДж/моль
ДЛЯ ИОНОВ КАЛИЯ - 1,05 кДж/моль
Слайд 7СВОЙСТВА ИОННЫХ КАНАЛОВ
СЕЛЕКТИВНОСТЬ
НАСЫЩЕНИЕ
КОНКУРЕНТНОЕ ПОДАВЛЕНИЕ ИОННЫХ КАНАЛОВ ИОНАМИ-БЛОКАТОРАМИ
КАНАЛЫ – УПРАВЛЯЕМЫЕ СТРУКТУРЫ
НЕЗАВИСИМОСТЬ
РАБОТЫ ИОННЫХ КАНАЛОВ
ДИСКРЕТНЫЙ ХАРАКТЕР ПРОВОДИМОСТИ КАНАЛОВ
Слайд 8 КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ПРИЗНАКИ КАНАЛОВ
СЕЛЕКТИВНОСТЬ (Na-, K-, Ca- КАНАЛЫ и др.)
ПРОВОДИМОСТЬ
(КАНАЛЫ ВЫСОКОЙ, СРЕДНЕЙ, НИЗКОЙ ПРОВОДИМОСТИ)
МЕХАНИЗМ УПРАВЛЕНИЯ
Слайд 9ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ИОННЫХ КАНАЛОВ ПО МЕХАНИЗМУ УПРАВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОУПРАВЛЯЕМЫЕ КАНАЛЫ
ХЕМОУПРАВЛЯЕМЫЕ КАНАЛЫ
МЕХАНОУПРАВЛЯЕМЫЕ КАНАЛЫ
Слайд 10ПОТЕНЦИАЛОЗАВИСИМЫЕ ИОННЫЕ КАНАЛЫ
Слайд 11МЕХАНИЗМЫ СЕЛЕКТИВНОСТИ ИОННЫХ КАНАЛОВ
Na-КАНАЛЫ
К-КАНАЛЫ
Слайд 12МЕХАНИЗМЫ СЕЛЕКТИВНОСТИ ИОННЫХ КАНАЛОВ
СТЕРИЧЕСКИЙ ФАКТОР
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ФАКТОР
Слайд 13ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНОВ С ВОДОЙ
ХАРАКТЕРИЗУЕТ ЭНЕРГИЯ ГИДРАТАЦИИ
Слайд 14РАДИУСЫ ИОНОВ И ЭНЕРГИЯ ГИДРАТАЦИЯ
Слайд 15СТЕРИЧЕСКИЙ ФАКТОР
ГИПОТЕЗА МУЛЛИНЗА:
ИОН МОЖЕТ ПРОЙТИ ЧЕРЕЗ ПОРУ, ЕСЛИ ЕГО
РАДИУС С ОДНИМ СЛОЕМ ГИДРАТАЦИИ РАВЕН РАДИУСУ ПОРЫ
Слайд 16ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ФАКТОР СЕЛЕКТИВНОСТИ
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ЭЙЗЕНМАНА
Ионный обмен для катионселективных стеклянных электродов:
катионы А+ и В+ взаимодействуют с анионной группировкой в стекле.
Слайд 17РЕАКЦИЯ СДВИГАЕТСЯ В СТОРОНУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИОНА А+ СО СТЕКЛОМ, ЕСЛИ
ΔGA(ВОДНАЯ СРЕДА→СТЕКЛО) < ΔGB (ВОДНАЯ СРЕДА → СТЕКЛО)
Слайд 18Анионная группировка сферическая с радиусом rА
Катион также сферический с радиусом
rС
Энергия взаимодействия катиона и аниона U:
Свободная энергия ΔG будет зависеть
от энергии взаимодействия катиона и аниона в стекле U и энергии гидратации катиона
Слайд 19ЗНАЧЕНИЕ rА ВЕЛИКО
АНИОННАЯ ГРУППИРОВКА СОЗДАЕТ СЛАБОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, ПОЭТОМУ ВЕЛИЧИНА
U МАЛА ДЛЯ ВСЕХ КАТИОНОВ
ПРЕВАЛИРУЕТ ЭНЕРГИЯ ГИДРАТАЦИИ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТИ ИОНООБМЕННОЙ РЕАКЦИИ:
Cs+>Rb+>K+>Na+>Li+
(I ряд Эйзенмана)
ЭТОТ РЯД СООТВЕТСТВУЕТ ПОДВИЖНОСТИ КАТИОНОВ В ВОДНОЙ СРЕДЕ
Слайд 20ЗНАЧЕНИЕ rА МАЛО
АНИОННАЯ ГРУППИРОВКА СОЗДАЕТ СИЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, ПОЭТОМУ
ВЕЛИЧИНА U ВЕЛИКА И ПРЕВЫШАЕТ ЭНЕРГИЮ ГИДРАТАЦИИ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТИ ИОНООБМЕННОЙ РЕАКЦИИ:
Li+>Na+>K+>Rb+>Cs+(XI
ряд Эйзенмана)
Слайд 21ПРОНИЦАЕМОСТЬ Na+КАНАЛА ДЛЯ ОДНОВАЛЕНТНЫХ КАТИОНОВ
PLi : PNa : PK :
PRb = 1,1 : 1 : 0,083 : 0,025 :
0,016
Соответствует XI ряду Эйзенмана
Слайд 22МОДЕЛЬ ХИЛЛЕ ОСНОВАНА НА ИЗУЧЕНИИ ПРОНИЦАЕМОСТИ Na-КАНАЛА ДЛЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ИОНОВ
Na
>ГИДРОКСИЛАМИН >ГИДРАЗИН >АММОНИЙ≈ФОРМАМИДИН ≈ГУАНИДИН >>МЕТИЛАММОНИЙ
РАДИУС ЭТИХ ИОНОВ ПРИМЕРНО ОДИНАКОВ: 0,37
– 0,38 НМ
НАИБОЛЬШЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ ПРОНИКАТЬ ЧЕРЕЗ Na-КАНАЛ ОБЛАДАЮТ ГИДРОКСИЛАМИН (Р=0,94) И ГИДРАЗИН (Р=0,59)
МЕТИЛАММОНИЙ (Р=0,007) НЕСМОТРЯ НА СХОДСТВО РАЗМЕРОВ С ГИДРОКСИЛАМИНОМ И ГИДРАЗИНОМ НЕ ПРОХОДИТ ЧЕРЕЗ КАНАЛ
ПРИЧИНА: НЕВОЗМОЖНОСТЬ МЕТИЛЬНОЙ ГРУППЫ ОБРАЗОВЫВАТЬ ВОДОРОДНЫЕ СВЯЗИ
Слайд 23СЕЛЕКТИВНЫЙ ФИЛЬТР НАТРИЕВОГО КАНАЛА
ИОН НАТРИЯ В СЕЛЕКТИВНОМ ФИЛЬТРЕ С МОЛЕКУЛОЙ
ВОДЫ
Н2О
Н2О
Слайд 24МОДЕЛЬ ХИЛЛЕ
ВХОД В КАНАЛ – ПРЯМОУГОЛЬНАЯ ПОРА 0,3х0,5 нм
СЕЛЕКТИВНЫЙ ФИЛЬТР
В Nа-КАНАЛЕ СОДЕРЖИТ 8 АТОМОВ КИСЛОРОДА
ПО МНЕНИЮ ДРУГИХ АВТОРОВ СЕЛЕКТИВНЫЙ
ФИЛЬТР ВКЛЮЧАЕТ КАРБОКСИЛЬНУЮ ГРУППУ, КОТОРАЯ СОЗДАЕТ СИЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
Слайд 25СВОБОДНЫЙ ИОН (1) СВЯЗЫВАЕТСЯ (2) И ДЕСОЛЬВАТИРУЕТСЯ (23) ЗАТЕМ РЕСОЛЬВАТИРУЕТСЯ
НА ВНУТРЕННЕЙ СТОРОНЕ МЕМБРАНЫ (3) И ДИССОЦИИРУЕТ ИЗ ОТКРЫТОГО КАНАЛА
(4)
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ДИАГРАММА ЭТОГО ПРОЦЕССА
ПРЕОДОЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАРЬЕРА
Слайд 26МОДЕЛЬ НАТРИЕВОГО КАНАЛА
1 – БЕЛКИ КАНАЛА
2 – СЕЛЕКТИВНЫЙ ФИЛЬТР, СОДЕРЖАЩИЙ,
ВИДИМО, КАРБОКСИЛЬНУЮ ГРУППУ
3 – ВОРОТА
4 – СЕНСОР НАПРЯЖЕНИЯ
5 – МЕМБРАННЫЕ
ЛИПИДЫ
Слайд 27ВОЗМОЖНАЯ ТРАНСМЕМБРАННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ НАТРИЕВОГО КАНАЛА
АМИНОКИСЛОТНЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ИМЕЮТ ЧЕТЫРЕ ВЫСОКОГОМОЛОГИЧНЫХ ДОМЕНА,
КАЖДЫЙ ИЗ НИХ СОДЕРЖИТ 6 ГИДРОФОБНЫХ УЧАСТКОВ
Слайд 28ТРАНСМЕМБРАННАЯ СТРУКТУРА НАТРИЕВОГО КАНАЛА
А – субъединица, формирующая канал
Б – схема
канала с селективным фильтром
В - трехмерная структура канала
Слайд 33МЕСТНЫЕ АНЕСТЕТИКИ КАК БЛОКАТОРЫ НАТРИЕВЫХ КАНАЛОВ
Слайд 34МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ МЕСТНЫХ АНЕСТЕТИКОВ
А – БЛОКИРУЮТ НАТРИЕВУЮ ПРОВОДИМОСТЬ ПОСРЕДСТВОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
С БЕЛКАМИ
Б - БЛОКИРУЮТ НАТРИЕВУЮ ПРОВОДИМОСТЬ ПОСРЕДСТВОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С МЕМБРАННЫМИ
ЛИПИДАМИ
А
Б
Слайд 36ВОЗДЕЙСТВИЯ, УСТРАНЯЮЩИЕ ИНАКТИВАЦИЮ НАТРИЕВОГО КАНАЛА
ПРОТЕОЛИТИЧЕСКИЕ ФЕРМЕНТЫ
ПЕПТИДНЫЕ ТОКСИНЫ (ЯД СКОРПИОНА,
ЯД
АНЕМОН)
АЛКОЛОИДНЫЕ НЕЙРОТОКСИНЫ (АКОНИТИН, БАТРАХОТОКСИН)
Слайд 37
ТетродотоксинСакситоксин
Блокируют транспорт
Токсины скорпиона, морской анемоны
Препятствуют инактивации, усиливают активацию
Вератридин, аконитин и
др.
Вызывают активацию
Слайд 39Схематический энергетический профиль К-канала.
По оси ординат кинетическая энергия, необходимая
для прохождения канала;
по оси абсцисс – расстояния между внутренней
и наружной поверхностями мембраны.
Энергетические минимумы соответствуют местам связывания положительно заряженных ионов с фиксированными отрицательными зарядами в стенке канала. Энергетические максимумы соответствуют препятствиям диффузии в канале.
Варианты энергетических профилей изображены сплошными и штриховыми линиями; эти осцилляции в значительной степени облегчают связывание ионов при преодолении энергетического барьера
Слайд 40ПРОНИЦАЕМОСТЬ КАЛИЕВОГО КАНАЛА
ДЛЯ ОДНОВАЛЕНТНЫХ КАТИОНОВ
НЕ КОРРЕЛИРУЕТ С РАДИУСОМ
ИОНА
PK : PRb : PCs : PLi : PNa= 1,0
: 0,91: 0,077: 0,018 : 0,01
Слайд 41СТРУКТУРА КАЛИЕВОГО КАНАЛА, УСТАНОВЛЕННАЯ С ПОМОЩЬЮ ТЕТРАЭТИЛАММОНИЯ
КАЛИЕВЫЙ КАНАЛ АСИММЕТРИЧЕН, ИМЕЕТ
ФОРМУ ВОРОНКИ
ДИАМЕТР ВЫХОДНОГО ОТВЕРСТИЯ 0,3нм
ДИАМЕТР УСТЬЯ ВОРОНКИ 0,8 нм
ТЕТРАЭТИЛАММОНИЙ
ИОН
КАЛИЯ, ОКРУЖЕННЫЙ ВОДОЙ
ТЭА, У КОТОРОГО ОДНА ИЗ ЭТИЛОВЫХ ГРУПП ЗАМЕНЕНА БОЛЕЕ ДЛИННОЙ ЦЕПЬЮ
Слайд 43ТРАНСМЕМБРАННАЯ ТОПОЛОГИЯ И АРХИТЕКТУРА КАЛИЕВОГО КАНАЛА
Слайд 44Р. Мак-Киннон
Нобелевская премия по химии за 2003 г. присуждена
Р.
Мак-Киннону
за открытия, касающиеся переноса ионов через клеточную мембрану
Родерик
Мак-Киннон (Roderick MacKinnon), родился в 1956 г. Окончил Университет Брендиса в Бостоне, в 1982 г. стал доктором медицины в бостонской Медицинской школе Тафтса. С 1996 г. - профессор молекулярной нейробиологии и биофизики в Рокфеллеровском университете (Нью-Йорк).
Слайд 45Мак-Киннон и его коллеги расшифровали структуру и механизм функционирования нескольких
бактериальных белков, каждый из которых формирует канал, проводящий ионы калия
в ответ на изменение мембранного потенциала.
МЕТОДЫ:
биохимические
мутагенез
клонирование белкового гена, экспрессия белка получение моноклональных антител .
биофизические методы:
изучение влияние ингибиторов в электрофизиологических опытах
масс-спектрометрия
рентгенокристаллография
и на ее основе построены стереомодели с помощью компьютера.
Слайд 46Рис.1Стереомодель полного KvAP канала и одной субъединицы
Слайд 47Рис. 3. Модели, иллюстрирующие перенос положительных зарядов канальным калиевым белком
в ответ на изменение потенциала на мембране
Слайд 48Рис. 4. Схема движения “лопастей” калиевого канала и их положение
внутри мембраны, когда его ворота закрыты и открыты, и изменение
структуры канала
Слайд 49ХЕМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ИОННЫЕ КАНАЛЫ
МЕХАНОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ИОННЫЕ КАНАЛЫ
Слайд 50ХЕМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ИОННЫЕ КАНАЛЫ
Слайд 51РЕЦЕПТОРУПРАВЛЯЕМЫЕ
Примеры:
АЦЕТИЛХОЛИНОВЫЙ РЕЦЕПТОР
ГАМК- И ГЛИЦИНОВЫЕ РЕЦЕПТОРЫ
В ПОСТСИНАПТИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЕ
Слайд 57АТФ-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ КАЛИЕВЫЕ КАНАЛЫ
А Трансмембранная топология двух субъединиц КАТФ канала
Б -
Схематическое изображение канального комплекса (поперечное сечение)
Слайд 58В Модель формирования поры КАТФ канала субъединицами (продольное сечение) с
формированием селективного фильтра в наружном (1) или внутреннем (2) участке
поры.
Г. Модель КАТФ канала, показывающая, что канальный комплекс содержит 4 АТФ-связывающих сайта (на Kir 6.2) и 8 Mg-нуклеотид-связывающих сайтов (на SUR1).
Слайд 59СЕКРЕЦИЯ ИНСУЛИНА: РОЛЬ ИОННЫХ КАНАЛОВ
1 — К+-АТФ чувствительный канал;
2
— вольтажзависимый Са2+-канал;
3 — Са2+-активируемый К+-канал;
ГТ'— ГЛЮТ-2;
ГК— глюкокиназа.
Повышение уровня АТФ
Закрывание К-АТФ
Деполяризация мембраны
Открывание Са-каналов, увеличение [Ca2+]in
Индукция экзоцитоза
Слайд 62Восприятие
звука и вибрации,
гравитации,
ускорения, скорости,
давления,
прикосновения,
изменения
формы и объема клетки,
ее местоположения относительно внеклеточного матрикса и
окружающих клеток.
Эта способность лежит в основе слуха и чувства равновесия, тактильной чувствительности, проприорецепции, осморегуляции.
Слайд 63Системы управления механочувствительным каналом
Слайд 64 А - ориентация белка механочувствительного канала в мембране.
Б
- 6 субъединиц механочувствительного группируются, образуя компактный цилиндр, пронизывающий мембрану.
Когда мембрана напряжена в центре цилиндра открывается гидрофильная пора (Sukharev et al., 1997).
1.Управление посредством латерального натяжения в клеточной мембране
Слайд 652. Управление молекулярными мостиками, которые связаны с одной стороны с
цитоскелетом, а с другой – с внеклеточными структурами
Слайд 66Возможная модель механочувствительности
а — внеклеточные петли свободно находятся с наружной
стороны клеточной мембраны;
б — реакция на изменения скорости и
давления внеклеточной жидкости.
Эпителиальный натриевый канал (ENaС)