Canais iônicos representado por proteínas integrais de membrana. Essas proteínas são capazes, sob certas influências, de alterar sua conformação (forma e propriedades) de tal forma que o poro por onde qualquer íon pode passar se abra ou feche. São conhecidos canais de sódio, potássio, cálcio e cloro; às vezes, um canal pode passar dois íons, por exemplo, são conhecidos canais de sódio-cálcio; Apenas o transporte passivo de íons ocorre através de canais iônicos. Isso significa que para o movimento de um íon é necessário não apenas canal aberto, mas também o gradiente de concentração deste íon. Nesse caso, o íon se moverá ao longo de um gradiente de concentração - de uma área com maior concentração para uma área com menor concentração. Deve ser lembrado que estamos falando de íons - partículas carregadas, cujo transporte também é determinado pela carga. Situações são possíveis quando o movimento ao longo do gradiente de concentração pode ser direcionado em uma direção e as cargas existentes neutralizam essa transferência.
Os canais iônicos têm dois as propriedades mais importantes: 1) seletividade (seletividade) para certos íons e 2) capacidade de abrir (ativar) e fechar. Quando ativado, o canal se abre e permite a passagem dos íons (Fig. 8). Assim, o complexo de proteínas integrais que formam o canal deve necessariamente incluir dois elementos: estruturas que reconhecem “seu” íon e são capazes de deixá-lo passar, e estruturas que permitem saber quando deixar esse íon passar. A seletividade do canal é determinada pelas proteínas que o formam; o “próprio” íon é reconhecido pelo seu tamanho e carga.
Ativação de canal possível de várias maneiras. Primeiro, os canais podem abrir e fechar à medida que o potencial da membrana muda. A mudança na carga leva a uma mudança na conformação das moléculas de proteína, e o canal torna-se permeável ao íon. Para alterar as propriedades do canal, é suficiente uma ligeira flutuação no potencial da membrana. Tais canais são chamados dependente de tensão(ou controlado eletricamente). Em segundo lugar, os canais podem fazer parte de um complexo proteico complexo denominado receptor de membrana. Nesse caso, a mudança nas propriedades do canal é causada por um rearranjo conformacional das proteínas, que ocorre como resultado da interação do receptor com uma substância biologicamente ativa (hormônio, mediador). Tais canais são chamados quimiodependente(ou controlado por receptor ) . Além disso, os canais podem abrir sob influência mecânica - pressão, alongamento (Fig. 9). O mecanismo que fornece ativação é chamado canal gating. Com base na velocidade de abertura e fechamento dos canais, eles podem ser divididos em rápidos e lentos.
A maioria dos canais (potássio, cálcio, cloreto) pode estar em dois estados: aberto e fechado. Existem algumas peculiaridades no funcionamento dos canais de sódio. Esses canais, como potássio, cálcio e cloreto, tendem a estar no estado aberto ou fechado, porém, o canal de sódio também pode ser inativado, este é um estado em que o canal está fechado e não pode ser aberto por qualquer influência ( Figura 10).
Figura 8. Estados do canal iônico
Figura 9. Exemplo de canal controlado por receptor. ACh – acetilcolina. A interação da molécula de ACh com o receptor de membrana altera a conformação da proteína de porta de tal forma que o canal começa a permitir a passagem de íons.
Figura 10 Exemplo de canal dependente de potencial
O canal de sódio dependente de voltagem possui portas (portas) de ativação e inativação. As portas de ativação e inativação mudam a conformação em diferentes potenciais de membrana.
Ao considerar os mecanismos de excitação, estaremos interessados principalmente no funcionamento dos canais de sódio e potássio, porém, detenhamo-nos brevemente nas características dos canais de cálcio, precisaremos deles no futuro. Os canais de sódio e cálcio diferem em suas propriedades. Os canais de sódio são rápidos e lentos, enquanto os canais de cálcio são apenas lentos. A ativação dos canais de sódio leva apenas à despolarização e a ocorrência de LO ou AP, a ativação dos canais de cálcio pode causar alterações metabólicas na célula. Essas alterações se devem ao fato do cálcio se ligar a proteínas especiais sensíveis a esse íon. A proteína ligada ao cálcio altera suas propriedades de tal forma que se torna capaz de alterar as propriedades de outras proteínas, por exemplo, ativando enzimas, desencadeando contração muscular e liberando mediadores.
A seletividade é o aumento seletivo da permeabilidade do IR para certos íons. Para outros íons, a permeabilidade é reduzida. Essa seletividade é determinada pelo filtro seletivo - o ponto mais estreito do poro do canal. O filtro, além de tamanhos estreitos, também pode ter um local carga elétrica. Por exemplo, canais seletivos de cátions geralmente possuem resíduos de aminoácidos carregados negativamente na molécula de proteína em sua região de filtro seletivo, que atraem cátions positivos e repelem ânions negativos, impedindo-os de passar pelo poro.
A permeabilidade controlada é a capacidade do IR de abrir ou fechar sob certas influências de controle no canal. Um canal fechado reduziu a permeabilidade, enquanto um canal aberto aumentou a permeabilidade. Com base nesta propriedade, os ICs podem ser classificados dependendo dos métodos de sua abertura: por exemplo, ativados por voltagem, ativados por ligante, etc.
A inativação é a capacidade dos CIs, algum tempo após sua abertura, de reduzir automaticamente sua permeabilidade mesmo no caso em que o fator ativador que os abriu continua atuando. A inativação rápida é um processo especial com mecanismo próprio, diferente do fechamento lento do canal (inativação lenta). O fechamento (inativação lenta) do canal ocorre devido a processos opostos aos processos que garantiram sua abertura, ou seja, devido a mudanças na conformação da proteína do canal. Mas, por exemplo, em canais ativados por voltagem, a inativação rápida ocorre com a ajuda de um “plug-plug” molecular especial, que lembra um plugue de corrente, geralmente usado em banhos. Este tampão é uma alça de aminoácidos (polipeptídeo) com um espessamento na extremidade na forma de três aminoácidos, que conecta a boca interna do canal pelo lado citoplasmático. É por isso que o IR dependente de voltagem para o sódio, que garante o desenvolvimento de um potencial de ação e o movimento de um impulso nervoso, pode permitir que íons de sódio entrem na célula apenas por alguns milissegundos, e então eles são automaticamente fechados por seus tampões moleculares, apesar de a despolarização que os abre continuar a agir. Outro mecanismo de inativação do IR pode ser a modificação da boca intracelular do canal por subunidades adicionais.
Bloqueio é a capacidade do IR, sob a influência de substâncias bloqueadoras, de fixar um de seus estados e não responder às influências de controle comuns. Neste estado, o canal simplesmente para de dar respostas às entradas de controle. O bloqueio é causado por substâncias bloqueadoras, que podem ser chamadas de antagonistas, bloqueadores ou líticos. Antagonistas são substâncias que interferem no efeito ativador de outras substâncias na RI. Tais substâncias são capazes de se ligar bem ao sítio receptor do IR, mas não são capazes de alterar o estado do canal ou causar sua resposta. Isto resulta num bloqueio do receptor e, junto com ele, num bloqueio do IR. Deve-se lembrar que os antagonistas não causam necessariamente o bloqueio completo do receptor e de sua IR; eles podem agir de forma mais fraca e apenas inibir (deprimir) o funcionamento do canal, mas não interrompê-lo completamente; efeito estimulante fraco no receptor, mas ao mesmo tempo, bloqueiam a ação de substâncias de controle endógenas naturais. Bloqueadores são substâncias que interferem no funcionamento de um canal iônico, por exemplo, na interação de um mediador com seu receptor molecular e, portanto, atrapalham o controle do canal, bloqueando-o. Por exemplo, a ação da acetilcolina é bloqueada por medicamentos anticolinérgicos; norepinefrina com adrenalina - bloqueadores adrenérgicos; histamina - bloqueadores de histamina, etc. Muitos bloqueadores são usados para fins terapêuticos como medicamentos. Os líticos são os mesmos bloqueadores, o termo é mais antigo e é usado como sinônimo de bloqueador: anticolinérgico, adrenolítico, etc.
Plasticidade é a capacidade do IR de alterar suas propriedades, suas características. O mecanismo mais comum que proporciona plasticidade é a fosforilação de aminoácidos de proteínas de canal no lado interno da membrana por enzimas proteína quinase. Os resíduos de fósforo do ATP ou GTP são ligados às proteínas do canal - e o canal muda suas propriedades. Por exemplo, é fixado em estado constantemente fechado ou, inversamente, em estado aberto.
), Cl − (cloro) e Ca 2 + (cálcio). Devido à abertura e fechamento dos canais iônicos, a concentração de íons em diferentes lados da membrana muda e ocorre uma mudança no potencial da membrana.
As proteínas canal são constituídas por subunidades que formam uma estrutura com configuração espacial complexa, na qual, além do poro, costumam existir sistemas moleculares de abertura, fechamento, seletividade, inativação, recepção e regulação. Os canais iônicos podem ter vários locais (locais) para ligação às substâncias de controle.
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✪ Potenciais de membrana - Parte 1
✪ Transporte passivo Difusão simples e facilitada Canais iônicos
✪ Bomba de potássio-sódio.flv
✪ 207. Planejando uma revisão em canais do youtube sobre Educação. Universidade de Oxford
✪ Revisão do canal, edição 15 - Canais educacionais
Vou desenhar uma pequena célula. mais íons potássio, que tende a sair devido à presença de um gradiente de concentração. Esta é a primeira etapa. tudo é muito parecido, mas acontece paralelamente às mudanças no gradiente de concentração.
E acontece que a carga é menos 92 milivolts.
Neste ponto, onde praticamente não há diferença em termos do movimento total dos íons potássio, observa-se o equilíbrio. Tem até nome próprio - “potencial de equilíbrio para potássio”. Quando o valor atinge menos 92 - e difere dependendo do tipo de íons - quando menos 92 é alcançado para o potássio, cria-se um equilíbrio potencial.
Deixe-me escrever que a carga do potássio é menos 92. Isso só acontece quando a célula é permeável a apenas um elemento, por exemplo, íons potássio.
Além disso, a mesma família inclui canais iônicos com diferentes seletividades iônicas, bem como receptores para diferentes ligantes. Mas as proteínas que formam esses canais são muito semelhantes em estrutura e origem.
Os canais iônicos também podem ser classificados por seletividade dependendo dos íons que passam por eles: sódio, potássio, cálcio, cloro, próton (hidrogênio).
De acordo com a classificação funcional, os canais iônicos são agrupados por métodos de gestão sua condição nos seguintes tipos:
Os dois tipos mais comuns de canais são canais iônicos dependentes de ligantes (localizados, em particular, na membrana pós-sináptica das junções neuromusculares) e canais iônicos dependentes de voltagem. Canais controlados por ligantes convertem sinais químicos que entram na célula em sinais elétricos; são necessários, em particular, para o funcionamento das sinapses químicas. Canais dependentes de voltagem são necessários para propagar potenciais de ação.
Esses canais geralmente estão em estado aberto e permitem constantemente a passagem de íons através deles devido à difusão ao longo de seu gradiente de concentração e/ou ao longo do gradiente de carga elétrica em ambos os lados da membrana. Alguns canais não controlados distinguem entre substâncias e permitem que todas as moléculas inferiores a um determinado valor passem através delas ao longo de um gradiente de concentração, são chamados de “canais não seletivos” ou “poros”. Existem também “canais seletivos”, que, devido ao seu diâmetro e à estrutura da superfície interna, transportam apenas alguns íons. Exemplos: canais de potássio envolvidos na formação do potencial de membrana em repouso, canais de cloreto, canais de sódio epiteliais, canais de ânions eritrocitários.
Esses canais são responsáveis pela propagação de potenciais de ação e abrem e fecham em resposta a alterações no potencial de membrana. Por exemplo, canais de sódio. Se o potencial de membrana for mantido no potencial de repouso, os canais de sódio estão fechados e não há corrente de sódio. Se o potencial da membrana mudar para uma direção positiva, os canais de sódio se abrirão e começarão a entrar na célula. Mas, tendo fechado, diferem do estado em que se encontravam antes da abertura, agora não podem abrir em resposta à despolarização da membrana, ou seja, são inativados; Eles permanecerão neste estado até que o potencial de membrana retorne ao seu valor original e um período de recuperação de vários milissegundos tenha passado.
Esses canais se abrem quando um transmissor se liga aos locais receptores externos e altera sua conformação. Quando se abrem, deixam entrar íons, alterando assim o potencial da membrana. Canais controlados por ligantes são quase insensíveis a mudanças no potencial de membrana. Eles geram um potencial elétrico cuja intensidade depende da quantidade de transmissor que entra na fenda sináptica e do tempo que permanece lá.
Os canais são caracterizados pela especificidade iônica. Um tipo de canal permite a passagem apenas de íons de potássio, outro tipo permite a passagem apenas de íons de sódio, etc.
Seletividade é a permeabilidade seletivamente aumentada de um canal iônico para certos íons e diminuída para outros. Essa seletividade é determinada pelo filtro seletivo - o ponto mais estreito do poro do canal. O filtro, além de suas dimensões estreitas, também pode ter carga elétrica local.
A escultura Birth of an Idea, de 1,5 metros de altura, baseada na estrutura do canal de potássio KcsA, foi criada para o ganhador do Prêmio Nobel Roderick MacKinnon. A obra contém uma armação de arame segurando um objeto de vidro soprado amarelo que representa a cavidade principal da estrutura do canal.
Um canal iônico consiste em várias subunidades; seu número em um canal iônico individual varia de 3 a 12 subunidades; Em termos de organização, as subunidades incluídas no canal podem ser homólogas (do mesmo tipo); vários canais são formados por subunidades de diferentes tipos;
Cada uma das subunidades consiste em vários (três ou mais) segmentos transmembrana (partes não polares torcidas em hélices α), alças extra e intracelulares e seções terminais de domínios (representadas pelas regiões polares das moléculas que formam o domínio e projetam-se além da camada bilipídica da membrana).
Cada um dos segmentos transmembrana, alças extra e intracelulares e seções terminais de domínios desempenham sua própria função.
Assim, o segmento transmembranar 2, organizado em forma de hélice α, determina a seletividade do canal.
As seções terminais do domínio atuam como sensores para ligantes extra e intracelulares, e um dos segmentos transmembrana desempenha o papel de um sensor dependente de voltagem.
Os terceiros segmentos transmembrana na subunidade são responsáveis pela operação do sistema de canal de disparo, etc.
Os canais iônicos operam pelo mecanismo de difusão facilitada. O movimento dos íons através deles quando os canais são ativados segue um gradiente de concentração. A taxa de movimento através da membrana é de 10 íons por segundo.
Especificidade dos canais iônicos.
A maioria deles é seletiva, ou seja, canais que permitem a passagem de apenas um tipo de íon (canais de sódio, canais de potássio, canais de cálcio, canais de ânions).
Seletividade de canal.
A seletividade do canal é determinada pela presença de um filtro seletivo.
Seu papel é desempenhado pela seção inicial do canal, que possui determinada carga, configuração e tamanho (diâmetro), o que permite a passagem de apenas um determinado tipo de íons para o canal.
Alguns dos canais iônicos não são seletivos, como canais de vazamento. Esses são canais de membrana através dos quais os íons K + deixam a célula em repouso ao longo de um gradiente de concentração, mas através desses canais uma pequena quantidade de íons Na + também entra na célula em repouso ao longo de um gradiente de concentração.
Sensor de canal iônico.
O sensor do canal iônico é a parte sensível do canal que percebe sinais, cuja natureza pode ser diferente.
Nesta base, distinguem-se os seguintes:
canais iônicos dependentes de voltagem;
canais iônicos controlados por receptor;
dependente de ligante (dependente de ligante);
controlado mecanicamente (mecanicamente dependente).
Canais que possuem sensor são chamados de controlados. Alguns canais não possuem sensor. Esses canais são chamados de incontroláveis.
Sistema de portão de canal iônico.
O canal possui uma porta que é fechada quando em repouso e abre quando exposta a um sinal. Alguns canais possuem dois tipos de portas: ativação (porta m) e inativação (porta h).
Existem três estados de canais iônicos:
um estado de repouso quando a porta está fechada e o canal está inacessível aos íons;
estado de ativação quando o sistema de comporta está aberto e os íons se movem através da membrana ao longo do canal;
um estado de inativação quando o canal está fechado e não responde aos estímulos.
Velocidade de condução (condução).
Existem canais rápidos e lentos. Os canais de “vazamento” são lentos, os canais de sódio nos neurônios são rápidos.
A membrana de qualquer célula contém um grande conjunto de vários canais iônicos (em termos de velocidade), cuja ativação determina o estado funcional das células.
Canais controlados por tensão.
O canal controlado por tensão consiste em:
poros cheios de água;
filtro seletivo;
portas de ativação e inativação;
sensor de tensão.
O diâmetro do canal é significativamente maior que o diâmetro do íon na zona do filtro seletivo, ele se estreita até tamanhos atômicos, o que garante que esta seção do canal desempenhe a função de filtro seletivo.
A abertura e o fechamento do mecanismo de porta ocorrem quando o potencial de membrana muda, com a porta abrindo em um valor do potencial de membrana e fechando em um nível diferente de potencial de membrana.
Acredita-se que as mudanças no campo elétrico da membrana são detectadas por uma seção especial da parede do canal, chamada de sensor de tensão.
Uma mudança em seu estado, causada por uma mudança no nível de potencial de membrana, provoca a conformação das moléculas de proteína que formam o canal e, como consequência, leva à abertura ou fechamento da porta do canal iônico.
Os canais (sódio, cálcio, potássio) possuem quatro domínios homólogos - subunidades (I, II, III, IV). O domínio (usando o exemplo dos canais de sódio) consiste em seis segmentos transmembrana organizados na forma de hélices α, cada um dos quais desempenha um papel diferente.
Assim, o segmento transmembranar 5 desempenha o papel de um poro, o segmento transmembranar 4 é um sensor que responde às mudanças no potencial da membrana, outros segmentos transmembranares são responsáveis pela ativação e inativação do sistema de comporta do canal. O papel dos segmentos e subunidades transmembranares individuais não é totalmente compreendido.
Canais de sódio (diâmetro interno 0,55 nm) estão presentes em células de tecidos excitáveis. A densidade por 1 mícron 2 não é a mesma em diferentes tecidos.
Assim, nas fibras nervosas não mielinizadas são 50-200 canais, e nas fibras nervosas mielinizadas (nódulos de Ranvier) - 13.000 por 1 µm 2 de área de membrana. Em repouso eles estão fechados. O potencial de membrana é de 70-80 mV.
A exposição a um estímulo altera o potencial de membrana e ativa o canal de sódio dependente de voltagem.
É ativado quando o potencial de membrana muda do nível de potencial de repouso para o nível crítico de despolarização.
Uma forte corrente de sódio desloca o potencial da membrana para um nível crítico de despolarização (CDL).
Alterando o potencial de membrana para -50-40 mV, ou seja, ao nível de um nível crítico de despolarização, provoca a abertura de outros canais de Na + dependentes de voltagem, através dos quais a corrente de entrada de sódio é conduzida, formando o “pico” do potencial de ação.
Os íons de sódio ao longo do gradiente de concentração e do gradiente químico ao longo do canal movem-se para dentro da célula, formando a chamada corrente de entrada de sódio, o que leva a um rápido desenvolvimento do processo de despolarização.
O potencial de membrana muda de sinal para +10-20 mV oposto. Um potencial de membrana positivo provoca o fechamento dos canais de sódio, sua inativação.
Os canais No+ dependentes de voltagem desempenham um papel importante na formação do potencial de ação, ou seja, processo de excitação na célula.
Os íons cálcio impedem a abertura dos canais de sódio dependentes de voltagem, alterando os parâmetros de resposta.
PARA + -canais
Canais de potássio (diâmetro interno 0,30 nm) estão presentes nas membranas citoplasmáticas; um número significativo de canais de “vazamento” de potássio da célula foi detectado.
Em repouso eles estão abertos. Através deles, em estado de repouso, o potássio “vaza” da célula ao longo de um gradiente de concentração e de um gradiente eletroquímico.
Este processo é denominado corrente de saída de potássio, que leva à formação de um potencial de membrana em repouso (-70-80 mV). Esses canais de potássio só podem ser classificados condicionalmente como dependentes de voltagem.
Quando o potencial de membrana muda durante a despolarização, a corrente de potássio é inativada.
Durante a repolarização, uma corrente de entrada de K + é formada através de canais dependentes de voltagem, que é chamada de corrente de retificação retardada de K +.
Outro tipo de canais K + dependentes de voltagem. Uma corrente de potássio de saída rápida aparece ao longo deles na região sublimiar do potencial de membrana (potencial traço positivo). A inativação do canal ocorre devido ao traço de hiperpolarização.
Outro tipo de canal de potássio dependente de voltagem é ativado somente após hiperpolarização preliminar e forma uma corrente de potássio transitória rápida que é rapidamente inativada;
Os íons cálcio facilitam a abertura dos canais de potássio dependentes de voltagem, alterando os parâmetros de resposta.
Ca + -canais.
Os canais dependentes de voltagem contribuem significativamente tanto para a regulação da entrada de cálcio no citoplasma quanto para a eletrogênese.
As proteínas que formam os canais de cálcio consistem em cinco subunidades (al,a2,b,g,d).
A subunidade principal forma o próprio canal e contém sítios de ligação para vários moduladores dos canais de cálcio.
Várias subunidades de canais de cálcio α estruturalmente distintas foram descobertas em células nervosas de mamíferos (designadas A, B, C, D e E).
Funcionalmente, diferentes tipos de canais de cálcio diferem entre si em termos de ativação, cinética, condutância de canal único e farmacologia.
Até seis tipos de canais de cálcio dependentes de voltagem foram descritos em células (canais T -, L -, N -, P -, Q -, R -).
A atividade dos canais dependentes de voltagem da membrana plasmática é regulada por vários segundos mensageiros intracelulares e proteínas G ligadas à membrana.
Canais de cálcio dependentes de voltagem são encontrados em grandes quantidades nas membranas citoplasmáticas dos neurônios, miócitos dos músculos lisos, estriados e cardíacos e nas membranas do retículo endoplasmático.
Os canais SPR Ca 2+ são proteínas oligoméricas incorporadas na membrana SPR.
Ca 2+ - controlado por Sa 2+ - Canais SPR.
Esses canais de cálcio foram isolados pela primeira vez do músculo esquelético e cardíaco.
Descobriu-se que os canais SPR Ca 2+ nesses tecidos musculares têm diferenças moleculares e são codificados por genes diferentes.
Os canais de Ca 2+ do SPR nos músculos cardíacos estão diretamente conectados aos canais de Ca 2+ de alto limiar do plasmalema (tipo L) através de proteínas de ligação ao cálcio, formando assim uma estrutura funcionalmente ativa - uma “tríade”.
No músculo esquelético, a despolarização da membrana plasmática ativa diretamente a liberação de Ca 2+ do retículo endoplasmático devido ao fato de que os canais de Ca 2+ da membrana plasmática servem como transmissores sensíveis à voltagem do sinal de ativação diretamente para o Ca 2 + canais do SPR através de proteínas de ligação.
Assim, as reservas de Ca 2+ dos músculos esqueléticos possuem um mecanismo de liberação de Ca 2+ causado pela despolarização (tipo RyRl).
Ao contrário dos músculos esqueléticos, os canais endoplasmáticos de Ca 2+ dos cardiomiócitos não estão conectados ao plasmalema e, para estimular a liberação de Ca 2+ do estoque, é necessário um aumento na concentração de cálcio citosólico (tipo RyR2).
Além desses dois tipos de canais de Ca 2h ativados por Ca 2+, foi recentemente identificado um terceiro tipo de canais de Ca 2+ SPR (tipo RyR3), que ainda não foi suficientemente estudado.
Todos os canais de cálcio exibem ativação e inativação lentas em comparação aos canais de sódio.
Quando uma célula muscular se despolariza (saliências das membranas citoplasmáticas - túbulos T se aproximam das membranas do retículo endoplasmático), ocorre uma abertura dependente da voltagem dos canais de cálcio das membranas do retículo sarcoplasmático.
Como, por um lado, a concentração de cálcio no SPR é alta (depósito de cálcio), e a concentração de cálcio no citoplasma é baixa, e por outro lado, a área da membrana do SPR e a densidade dos canais de cálcio nele são grandes, o nível de cálcio no citoplasma aumenta 100 vezes.
Este aumento na concentração de cálcio inicia o processo de contração das miofibrilas.
Os canais de cálcio nos cardiomiócitos estão localizados na membrana citoplasmática e pertencem aos canais de cálcio do tipo L.
Eles são ativados em um potencial de membrana de +20-40 mV, formando uma corrente de entrada de cálcio. Eles permanecem por muito tempo em estado ativado, formando um “platô” do potencial de ação do cardiomiócito.
Canais aniônicos.
O maior número de canais de cloro na membrana celular. Existem menos íons de cloro na célula em comparação com o ambiente intercelular. Portanto, quando os canais se abrem, o cloro entra na célula ao longo de um gradiente de concentração e de um gradiente eletroquímico.
O número de canais para HCO 3 não é tão grande; o volume de transporte desse ânion através dos canais é muito menor;
Trocadores de íons.
A membrana contém trocadores de íons (proteínas de transporte), que facilitam a difusão facilitada de íons, ou seja, movimento acoplado acelerado de íons através da biomembrana ao longo de um gradiente de concentração; tais processos são independentes de ATP;
Os mais conhecidos são os trocadores Na + -H + , K + -H + , Ca 2+ -H +, bem como trocadores que proporcionam a troca de cátions por ânionsNa + -HCO- 3, 2CI-Ca 2+ e trocadores que proporcionam a troca de cátion por cátion (Na + -Ca 2+) ou ânion por ânion (Cl-HCO3).
Canais iônicos controlados por receptor.
Canais iônicos controlados por ligante (dependentes de ligante).
Os canais iônicos controlados por ligantes são um subtipo de canais controlados por receptores e são sempre combinados com um receptor para uma substância biologicamente ativa (BAS).
Os receptores dos canais em consideração pertencem ao tipo ionotrópico de receptores de membrana, cuja interação com substâncias biologicamente ativas (ligantes) resulta em reações rápidas.
Um canal iônico controlado por ligante consiste em:
poros cheios de água;
filtro seletivo;
portão de ativação;
local de ligação do ligante (receptor). Uma substância biologicamente ativa altamente energeticamente ativa tem um alto
afinidade (afinidade) para um determinado tipo de receptor. Quando os canais iônicos são ativados, certos íons se movem ao longo de um gradiente de concentração e de um gradiente eletroquímico.
Num receptor de membrana, o local de ligação do ligando pode ser acessível ao ligando a partir da superfície externa da membrana.
Nesse caso, hormônios, para-hormônios e íons atuam como ligantes.
Assim, quando os receptores N-colinérgicos são ativados, os canais de sódio são ativados.
A permeabilidade ao cálcio é iniciada por receptores neuronais controlados por acetilcolina, controlados por glutamato (tipo NMDA e AMPA/cainato) e receptores de purina.
Os receptores GABA A estão acoplados a canais de íons cloreto, e os receptores de glicina também estão acoplados a canais de cloreto.
Num receptor de membrana, o local de ligação do ligando pode ser acessível aos ligandos da superfície interna da membrana.
Nesse caso, as proteínas quinases ativadas pelos segundos mensageiros ou pelos próprios segundos mensageiros atuam como ligantes.
Assim, as proteínas quinases A, C, G, que fosforilam as proteínas dos canais catiônicos, alteram sua permeabilidade.
Canais iônicos controlados mecanicamente.
Canais iônicos controlados mecanicamente mudam sua condutância para íons, alterando a tensão da bicamada lipídica ou através do citoesqueleto celular. Muitos canais controlados mecanicamente estão associados a mecanorreceptores; eles existem nas células auditivas, nos fusos musculares e no endotélio vascular;
Todos os canais controlados mecanicamente são divididos em dois grupos:
células ativadas por estiramento (SAC);
células inativadas por estiramento (SIC).
Os canais controlados mecanicamente possuem todas as características principais do canal:
tempo cheio de água;
mecanismo de portão;
sensor de estiramento.
Quando um canal é ativado, os íons se movem ao longo de um gradiente de concentração.
Sódio, potássio ATPase.
ATPase de sódio, potássio (bomba de sódio-potássio, bomba de sódio-potássio).
Consiste em quatro domínios transmembrana: duas subunidades α e duas subunidades β. A subunidade α é o domínio grande e a subunidade β é o domínio pequeno. Durante o transporte iônico, subunidades grandes são fosforiladas e os íons se movem através delas.
A ATPase de sódio e potássio desempenha um papel crítico na manutenção da homeostase de sódio e potássio no ambiente intra e extracelular:
mantém um alto nível de K + e um baixo nível de Na + na célula;
participa da formação do potencial de membrana em repouso e da geração de potenciais de ação;
fornece transporte acoplado de Na + da maioria das substâncias orgânicas através da membrana (transporte ativo secundário);
afeta significativamente a homeostase do H2O.
O sódio, uma ATPase de potássio, dá a contribuição mais importante para a formação da assimetria iônica nos espaços extra e intracelulares.
A operação passo a passo da bomba de sódio e potássio garante uma troca desigual de potássio e sódio através da membrana.
Ca + -ATPase (bomba).
Existem duas famílias de bombas de Ca 2+ responsáveis pela remoção de íons Ca 2+ do citoplasma: bombas de Ca 2+ do plasmalema e bombas de Ca 2+ do retículo endoplasmático.
Embora pertençam à mesma família de proteínas (as chamadas ATPases da classe P), estas bombas apresentam algumas diferenças na estrutura, atividade funcional e farmacologia.
Encontrado em grandes quantidades na membrana citoplasmática. No citoplasma da célula em repouso, a concentração de cálcio é de 10-7 mol/l, e fora da célula é muito maior - 10-3 mol/l.
Uma diferença tão significativa nas concentrações é mantida devido ao trabalho da Ca++-ATPase citoplasmática.
A atividade da bomba de Ca 2+ da membrana plasmática é controlada diretamente pelo Ca 2+: um aumento na concentração de cálcio livre no citosol ativa a bomba de Ca 2+.
Em repouso, quase não há difusão através dos canais iônicos de cálcio.
A Ca-ATPase transporta Ca da célula para o ambiente extracelular contra o seu gradiente de concentração. Ao longo de um gradiente, o Ca+ entra na célula devido à difusão através de canais iônicos.
A membrana do retículo endoplasmático também contém uma grande quantidade de Ca++-ATPase.
A bomba de cálcio do retículo endoplasmático (SERCA) garante a remoção do cálcio do citosol para o retículo endoplasmático - um “depósito” de cálcio devido ao transporte ativo primário.
No depósito, o cálcio liga-se às proteínas de ligação ao cálcio (calsequestrina, calreticulina, etc.).
Pelo menos três isoformas diferentes de bombas SERCA foram agora descritas.
Os subtipos SERCA1 estão concentrados exclusivamente nos músculos esqueléticos rápidos; as bombas SERCA2 estão amplamente distribuídas em outros tecidos. O significado das bombas SERCA3 é menos claro.
As proteínas SERCA2 são divididas em duas isoformas diferentes: SERCA2a, característica de cardiomiócitos e músculos lisos, e SERCA2b, característica de tecido cerebral.
Um aumento no Ca 2+ citosólico ativa a captação de íons cálcio no retículo endoplasmático, enquanto um aumento no cálcio livre no retículo endoplasmático inibe as bombas SERCA.
H+ K+ -ATPase (bomba).
Com a ajuda desta bomba (como resultado da hidrólise de uma molécula de ATP), dois íons potássio são transportados do espaço extracelular para a célula e dois íons H+ do citosol para o espaço extracelular durante a hidrólise de uma molécula no células parietais da mucosa gástrica. Este mecanismo está subjacente à formação de ácido clorídrico no estômago.
Classe de bomba de íonsF.
ATPase mitocondrial. Catalisa a fase final da síntese de ATP. As criptas mitocondriais contêm ATP sintase, que acopla a oxidação no ciclo de Krebs e a fosforilação de ADP em ATP.
Classe de bomba de íonsV.
H + -ATPases lisossomais (bombas de prótons lisossomais) - bombas de prótons que fornecem transporte de H + do citosol para uma série de organelas - lisossomos, aparelho de Golgi, vesículas secretoras. Como resultado, o valor do pH diminui, por exemplo, nos lisossomos para 5,0, o que otimiza a atividade dessas estruturas.
Características do transporte de íons
1. Transmembrana significativa e assimétrica! gradiente para Na + e K + em repouso.
O sódio fora da célula (145 mmol/l) é 10 vezes mais do que dentro da célula (14 mmol/l).
Há aproximadamente 30 vezes mais potássio na célula (140 mmol/l) do que fora da célula (4 mmol/l).
Esta característica da distribuição de íons sódio e potássio:
homeostático pelo trabalho de Na + /K + -nacoca;
forma uma corrente de saída de potássio em repouso (canal de vazamento);
forma potencial de repouso;
o trabalho de quaisquer canais de potássio (dependentes de voltagem, dependentes de cálcio, dependentes de ligantes) visa a formação de uma corrente de saída de potássio.
Isso retorna o estado da membrana ao seu nível original (ativação de canais dependentes de voltagem durante a fase de repolarização) ou hiperpolariza a membrana (canais dependentes de cálcio e dependentes de ligantes, incluindo aqueles ativados por sistemas de segundos mensageiros).
Tenha em mente que:
o movimento do potássio através da membrana é realizado por transporte passivo;
a formação de excitação (potencial de ação) é sempre devida à corrente de sódio que entra;
a ativação de qualquer canal de sódio sempre causa uma corrente de entrada de sódio;
o movimento do sódio através da membrana é quase sempre realizado por transporte passivo;
nas células epiteliais que formam as paredes de vários tubos e cavidades nos tecidos (intestino delgado, túbulos do néfron, etc.), na membrana externa há sempre um grande número de canais de sódio, que, quando ativados, fornecem uma corrente de entrada de sódio, e na membrana basal - um grande número de bombas de sódio e potássio que bombeiam o sódio para fora da célula. Esta distribuição assimétrica destes sistemas de transporte de sódio garante o seu transporte transcelular, ou seja,
do lúmen intestinal, dos túbulos renais para o ambiente interno do corpo; O transporte passivo de sódio para dentro da célula ao longo de um gradiente eletroquímico leva a armazenamento de energia
, que é usado para transporte ativo secundário de muitas substâncias.
2. Baixo nível de cálcio no citosol da célula.
Na célula em repouso, o teor de cálcio (50 nmol/l) é 5.000 vezes menor do que fora da célula (2,5 mmol/l).
Um nível tão baixo de cálcio no citosol não é acidental, uma vez que o cálcio em concentrações 10-100 vezes superiores à inicial atua como um segundo mensageiro intracelular na implementação do sinal.
Nessas condições, é possível um rápido aumento do cálcio no citosol devido à ativação dos canais de cálcio (difusão facilitada), que estão presentes em grandes quantidades na membrana citoplasmática e na membrana do retículo endoplasmático (o retículo endoplasmático é o “depósito” de cálcio na célula).
A formação de fluxos de cálcio, que ocorre devido à abertura dos canais, proporciona um aumento fisiologicamente significativo na concentração de cálcio no citosol.
O baixo nível de cálcio no citosol da célula é mantido por Ca 2+ -ATPase, trocadores de Na + /Ca 2+ e proteínas de ligação ao cálcio do citosol.
Além da rápida ligação do Ca 2+ citosólico pelas proteínas intracelulares de ligação ao Ca 2+, os íons de cálcio que entram no citosol podem ser acumulados pelo aparelho de Golgi ou pelo núcleo da célula e capturados pelos estoques mitocondriais de Ca 2+.
3. Baixos níveis de cloro na gaiola.
Na célula em repouso, o teor de cloro (8 mmol/l) é mais de 10 vezes menor do que fora da célula (110 mmol/l).
Este estado é mantido pelo trabalho do transportador K + /Cl-.
A mudança no estado funcional da célula está associada (ou causada) a uma mudança na permeabilidade da membrana ao cloro. Quando os canais de cloro dependentes de voltagem e de ligante são ativados, o íon entra no citosol através do canal por transporte passivo.
A entrada de cloro na célula aumenta a polaridade da membrana até a hiperpolarização.
As características do transporte iônico desempenham um papel fundamental na formação de fenômenos bioelétricos em órgãos e tecidos que codificam informações e determinam o estado funcional dessas estruturas e sua transição de um estado funcional para outro.
Os canais iônicos são formações especiais na membrana celular, que são proteínas oligoméricas (consistindo em várias subunidades). A formação central do canal é uma molécula de proteína que penetra na membrana de tal forma que em seu centro hidrofílico se forma um canal-poro, através do qual podem penetrar compostos cujo diâmetro não exceda o diâmetro do poro (geralmente íons). a célula.
Em torno da subunidade principal do canal existe um sistema de várias subunidades que formam locais de interação com proteínas reguladoras da membrana, vários mediadores e substâncias farmacologicamente ativas.
Classificação dos canais iônicos de acordo com suas funções:
1) de acordo com o número de íons aos quais o canal é permeável, os canais são divididos em seletivos (permeáveis a apenas um tipo de íon) e não seletivos (permeáveis a vários tipos de íons);
2) pela natureza dos íons que passam pelos canais Na +, Ca ++, Cl -, K +;
3) de acordo com o método de regulação, são divididos em dependentes de tensão e independentes de tensão. Canais dependentes de voltagem respondem a mudanças no potencial da membrana celular e, quando o potencial atinge um determinado valor, o canal entra em estado ativo, começando a passar íons ao longo de seu gradiente de concentração. Assim, os canais de sódio e cálcio rápido são dependentes de voltagem, sua ativação ocorre quando o potencial de membrana diminui para -50-60 mV, enquanto a corrente de íons Na + e Ca ++ na célula causa uma queda no potencial de repouso e o geração de PA. Os canais de potássio dependentes de voltagem são ativados durante o desenvolvimento da PA e, fornecendo uma corrente de íons K + da célula, causam a repolarização da membrana.
Canais independentes de voltagem não respondem a mudanças no potencial de membrana, mas à interação dos receptores com os quais estão interligados e seus ligantes. Assim, os canais Cl - estão associados aos receptores do ácido g-aminobutírico e quando esses receptores interagem com ele, são ativados e proporcionam um fluxo de íons cloro para o interior da célula, causando sua hiperpolarização e diminuição da excitabilidade.
3. Potencial de membrana em repouso e sua origem.
O termo "potencial de membrana paz » Costuma-se chamar a diferença de potencial transmembrana que existe entre o citoplasma e a solução externa que envolve a célula. Quando uma célula (fibra) está em estado de repouso fisiológico, sua carga interna é negativa em relação à externa, que convencionalmente é considerada zero. Em diferentes tecidos, o potencial de membrana é caracterizado por valores diferentes: o maior no tecido muscular é -80-90 mV, no tecido nervoso -70 mV, no tecido conjuntivo -35-40 mV, no tecido epitelial -20 mV.
A formação do MPP depende da concentração de íons K +, Na +, Ca 2+, Cl - e das características estruturais da membrana celular. Em particular, os canais iônicos presentes na membrana têm as seguintes propriedades:
1. Seletividade (permeabilidade seletiva)
2. Excitabilidade elétrica.
Em repouso, os canais de sódio estão todos fechados, enquanto a maioria dos canais de potássio está aberta. Os canais podem abrir e fechar. Na membrana existem canais de vazamento(inespecíficos), que são permeáveis a todos os elementos, porém mais permeáveis ao potássio. Os canais de potássio estão sempre abertos e os íons se movem através desses canais ao longo de uma concentração e de um gradiente eletroquímico.
De acordo com a teoria do íon membrana, a presença de MPP se deve a:
Ø movimento contínuo de íons através dos canais iônicos da membrana,
Ø uma diferença constantemente existente nas concentrações de cátions em ambos os lados da membrana,
Ø operação contínua da bomba de sódio-potássio.
Ø diferentes permeabilidades de canais para esses íons.
Há muitos íons K+ na célula, mas poucos fora, Na+ - pelo contrário, muitos fora da célula e poucos dentro da célula. Existem um pouco mais íons Cl fora da célula do que dentro. Existem muitos ânions orgânicos dentro da célula, que fornecem principalmente uma carga negativa na superfície interna da membrana.
Em repouso, a membrana celular é permeável apenas aos íons K +. Os íons potássio em repouso são constantemente liberados no ambiente, onde há alta concentração de Na +. Portanto, em repouso, superfície externa a membrana está carregada positivamente. Ânions orgânicos (proteínas) de alto peso molecular estão concentrados na superfície interna da membrana e determinam sua carga negativa. Eles retêm eletrostaticamente íons K+ no outro lado da membrana. O principal papel na formação do MPP pertence aos íons K +.
Apesar do fluxo de íons através dos canais de vazamento, a diferença na concentração de íons não é equalizada, ou seja, permanece sempre constante. Isso não acontece porque existem bombas de Na + - K + - nas membranas. Eles bombeiam continuamente Na+ para fora da célula e introduzem K+ no citoplasma contra o gradiente de concentração. Para 3 íons Na + que são removidos da célula, 2 íons K + são introduzidos em seu interior. A transferência de íons contra o gradiente de concentração é realizada por transporte ativo (com consumo de energia). Na ausência de energia ATP, a célula morre.
A presença de um potencial de repouso permite que uma célula passe de um estado de repouso funcional para um estado de excitação quase instantaneamente após a ação de um estímulo.
Quando excitado, o valor do potencial de repouso inicial diminui com a recarga da membrana. Quando a carga interna da membrana se torna menos negativa, a membrana despolariza e um potencial de ação começa a se desenvolver.
4. Potencial de ação e mecanismo de origem.
A relação entre as fases de excitabilidade e as fases do potencial de ação.
Potencial de ação chamada de oscilação rápida do potencial de membrana que ocorre quando células nervosas, musculares e secretoras são excitadas. Baseia-se em mudanças na permeabilidade iônica da membrana. A amplitude e a natureza das mudanças no potencial de ação dependem pouco da força do estímulo que o causa, só é importante que essa força não seja inferior a um determinado valor crítico, denominado limiar de irritação;
Limiar de irritação- esta é a força mínima na qual ocorre uma resposta mínima. Para caracterizar o limiar de irritação, é utilizado o conceito reobase(reo – atual, base – principal).
Além dos limiares, existem estímulos subliminares, que não pode causar uma resposta, mas causa uma mudança no metabolismo da célula. Existem também estímulos supraliminares.
Tendo surgido, o PD se espalha ao longo da membrana, sem mudar sua amplitude. Distingue fases:
1) Despolarização:
a) despolarização lenta;
b) despolarização rápida.
2) Repolarização:
a) repolarização rápida;
b) repolarização lenta (potencial traço negativo)
3) Hiperpolarização (potencial traço positivo)
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