Строение ионных каналов сердца и обмен ионов

Электрические сигналы в сердце образуются при прохождении ионов через ионные каналы. Ионы Na+, К+, Са2+ и Cl- несут основной заряд, при их проникновении через клеточную мембрану возникает поток ионов, генерирующий возбуждение и посылающий сигнал в кардиомиоциты (КМЦ).

Ионные каналы представляют собой макромолекулярные поры, проходящие сквозь бислойную липидную клеточную мембрану. Конформационные переходные изменения (воротный механизм) обусловливают открытие и закрытие одиночного ионного канала, что обеспечивает пассивный ток ионов по градиенту электрохимической активности с очень высокой скоростью (> 106 ион/сек).

Высокая скорость переноса и ограничение исходящих потоков обеспечивается нестехиометрическим гидролизом богатых энергией фосфатов. Это отличает механизм функционирования ионных каналов от тех, где имеются иные ионтранспортирующие образования — саркоплазматическая Na++-АТФаза или Mg2+/Са2+-АТФаза. Ионные каналы могут образовывать воротное устройство за счет вне- и внутриклеточных лигандов, изменений трансмембранного потенциала или механического стресса.

Образование воротного устройства в одиночном ионном канале наилучшим образом может быть изучено методом пэтч-кламп (при методе пэтч-кламп используют ферментативно-диспергированные клетки или клеточные культуры).

Структура ионных каналов
Структура ионных каналов.
Потенциал-зависимые Na+- и Са2+-каналы образованы из одного тетрамера,
состоящего из четырех ковалентно связанных повторов шестикратно пересекающих мембрану последовательностей,
в то время как потенциал-зависимые К+-каналы состоят из отдельных субъединиц,
каждая из которых содержит только одну шестикратно пересекающую мембрану последовательность.
K+-каналы, выпрямляющие входящий ток, образованы из формирующих поры α-субъединиц.
В отличие от а-субъединиц потенциал-зависимых К+-каналов,
α-субъединицы Kir-каналов состоят всего из двух трансмембранных областей.

Ионные каналы обозначают в соответствии с преимущественным ионным потоком — Na+, Са2+, К+, СВ, но некоторые каналы обладают меньшей ионной селективностью или совсем неселективны, как каналы щелевых контактов. Каналы также называют по нейротрансмиттерам, например ацетилхолин-чувствительные К+-каналы — IK.Ach.

Соотношение ионной проницаемости — часто используемый количественный показатель оценки селективности каналов. Он определяется как отношение проницаемости одних ионов к проницаемости других. Соотношение проницаемости потенциал-зависимых К+- и только в зависимости от потенциала электрохимической движущей силы постоянных ионов, но и от потенциала активации каналов, т.е. отрезок времени, в течение которого ионы могут проникнуть через канал, определяется МП.

Если вероятность активации канала (т.е. вероятность открытого состояния канала) зависит от потенциала, как в случае быстрых Na+-каналов или потенциалзависимых К+-каналов КМЦ, то активация повышается по мере деполяризации мембраны. Необходимо учитывать, что эти каналы не имеют выраженного порогового потенциала для открытия. Зависимость активации от МП канала представляет собой скорее непрерывную функцию и соответствует сигмоидной кривой. Активность канала в период изменения МП определяется потенциалом, при котором она достигает полумаксимальных значений, и наклоном кривой активации.

Активация быстрого тока натрия
Зависимость активации быстрых токов Na+ от потенциала.
Фракционная активация (ось у) изображена как функция мембранного потенциала.
Величина потенциала, при которой активация составляет 1/2 максимума, отграничена вертикальной линией.

Сдвиг кривой активации до положительных значений потенциала относительно средней точки активации либо снижение крутизны (наклона) кривой активации канала или и то и другое вместе — два возможных механизма, когда блокаторы ионных каналов могут подавлять их активность.

Как показано на рисунке ниже, изменение конформации открытых каналов, не способствующее проведению, происходит после деполяризационного изменения МП (этот процесс называют инактивацией). Если деполяризация мембраны продолжается, канал остается инактивированным и не может открыться повторно. Такая устойчивая инактивация повышает деполяризацию мембраны и может быть представлена сигмоидной кривой.

Потенциал-зависимые ионные каналы

Кривые инактивации различных типов потенциалзависимых каналов сердца различаются своими наклонами и средними точками инактивации. Например, устойчивая деполяризация мембраны КМЦ на уровне -50 мВ (при острой ишемии миокарда) обусловливает почти полную инактивацию быстрых потенциалзависимых Na+-каналов, тогда как Са2+-каналы L-типа демонстрируют лишь небольшую инактивацию МП. Кривые активации и инактивации могут перекрываться, тогда возникают стационарные или неактивирующие ионные потоки.

Существование такого «оконного» потока было верифицировано для потенциал-зависимых Na+-каналов и Са2+-каналов L-типа. «Оконный» поток канала L-типа участвует в генезетриггерной активности, возникающей вследствие ранней постдеполяризации.

После инактивации каналы восстанавливаются, а затем переходят в закрытое состояние, в результате может произойти их реактивация. Скорость восстановления после инактивации среди разных типов потенциал-зависимых каналов варьирует и обычно представляет собой моно- или мультиэкспоненциальные кривые зависимости от времени; при этом наибольшие константы времени колеблются от нескольких миллисекунд, например, у быстрых натриевых каналов до нескольких секунд — у некоторых подтипов К+-каналов.

Концентрация ионов в кардиомиоцитах сердца

В целом активность потенциалзависимых ионных каналов КМЦ во время развития ПД строго регулируется согласованным взаимодействием ряда зависимых от времени и потенциала воротных механизмов, включая активацию, инактивацию и восстановление после инактивации. Все эти механизмы являются потенциальными мишенями для фармакологического воздействия.

Принципы модуляции ионного потока. Амплитуда тока (I) через всю клетку представляет собой результат деятельности определенного количества функционирующих мембранных каналов, способных к открытию (N), с вероятностью открытия (Рo), а также амплитуды тока через одиночный канал (i), или I = N • Рo • i. Модуляция амплитуд токов одиночных КМЦ при этом является результатом изменений N, Рo, i или их сочетания. Изменение количества доступных каналов клеточной мембраны возможно в результате изменений экспрессии каналкодирующих генов. Величина амплитуды тока через одиночный канал зависит, помимо прочих факторов, от мембранного градиента концентрации ионов.

Например, повышение внеклеточной концентрации Са2+ увеличивает ток через одиночный Са2+-канал. Активация канала может изменяться в результате фосфорилирования или дефосфорилирования белков канала путем активации протеинкиназы и протеинфосфатазы соответственно при участии вторичных мессенджеров. Процессы фосфорилирования и дефосфорилирования каналов меняют зависимость МП от активации канала, кривой доступности или того и другого либо модификации чувствительности каналов к активации или инактивации при изменениях МП. Например, потенцирование кардиального натриевого тока при участии протеинкиназы А частично является результатом изменения кривой активации натриевого канала в сторону более отрицательных потенциалов.

- Читать "Молекулярное строение ионных каналов кардиомиоцитов сердца"

Оглавление темы "Проводящая система сердца":
  1. Функции и иннервация синусового узла
  2. Механизмы проведения возбуждения от синусового узла по предсердиям
  3. Топография, строение атриовентрикулярного узла (АВ-узла) и проведение по нему
  4. Топография, строение пучка Гиса и проведение по нему
  5. Топография, строение волокон Пуркинье и проведение по ним
  6. Клеточный состав АВ-узла и пучка Гиса
  7. Иннервация АВ-узла, пучка Гиса и желудочков сердца
  8. Вегетативная нервная система как причина аритмии и внезапной смерти
  9. Строение ионных каналов сердца и обмен ионов
  10. Молекулярное строение ионных каналов кардиомиоцитов сердца
Все размещенные статьи преследуют образовательную цель и предназначены для лиц имеющих базовые знания в области медицины.
Без консультации лечащего врача нельзя применять на практике любой изложенный в статье факт.
Жалобы и возникшие вопросы просим присылать на адрес statii@dommedika.com
На этот же адрес ждем запросы на координаты авторов статей - быстро их предоставим.