 |
юБРНюБРНЛЮРХГЮЖХЪюПУХРЕЙРСПЮюЯРПНМНЛХЪюСДХРаХНКНЦХЪаСУЦЮКРЕПХЪбНЕММНЕ ДЕКНцЕМЕРХЙЮцЕНЦПЮТХЪцЕНКНЦХЪцНЯСДЮПЯРБНдНЛдПСЦНЕфСПМЮКХЯРХЙЮ Х ялххГНАПЕРЮРЕКЭЯРБНхМНЯРПЮММШЕ ЪГШЙХхМТНПЛЮРХЙЮхЯЙСЯЯРБНхЯРНПХЪйНЛОЭЧРЕПШйСКХМЮПХЪйСКЭРСПЮкЕЙЯХЙНКНЦХЪкХРЕПЮРСПЮкНЦХЙЮлЮПЙЕРХМЦлЮРЕЛЮРХЙЮлЮЬХМНЯРПНЕМХЕлЕДХЖХМЮлЕМЕДФЛЕМРлЕРЮККШ Х яБЮПЙЮлЕУЮМХЙЮлСГШЙЮмЮЯЕКЕМХЕнАПЮГНБЮМХЕнУПЮМЮ АЕГНОЮЯМНЯРХ ФХГМХнУПЮМЮ рПСДЮоЕДЮЦНЦХЙЮоНКХРХЙЮоПЮБНоПХАНПНЯРПНЕМХЕоПНЦПЮЛЛХПНБЮМХЕоПНХГБНДЯРБНоПНЛШЬКЕММНЯРЭоЯХУНКНЦХЪпЮДХНпЕЦХКХЪяБЪГЭяНЖХНКНЦХЪяОНПРяРЮМДЮПРХГЮЖХЪяРПНХРЕКЭЯРБНрЕУМНКНЦХХрНПЦНБКЪрСПХГЛтХГХЙЮтХГХНКНЦХЪтХКНЯНТХЪтХМЮМЯШуХЛХЪуНГЪИЯРБНжЕММННАПЮГНБЮМХЕвЕПВЕМХЕщЙНКНЦХЪщЙНМНЛЕРПХЙЮщЙНМНЛХЙЮщКЕЙРПНМХЙЮчПХЯОСМДЕМЙЖХЪ
механизм переноса ионов
Рис. 4.2 иллюстрирует последовательность событий, лежащих в основе переноса ионов натрий-калиевым насосом. Внутри канало-подобной структуры насоса расположены места связывания калия и натрия, которые поочередно вступают в контакт с внутриклеточной и внеклеточной средами. Циклическое изменение конформации насоса происходит за счет фосфорилирования и дефосфорилирования его белковой молекулы. Этот процесс сопровождается изменением сродства мест связывания к соответствующим ионам. Места связывания, направленные внутрь клетки, имеют низкое сродство к калию и высокое к натрию (рис. 4.2А). Связывание трех ионов натрия ведет к изменению конформации белка, последующему связыванию АТФ и фосфорилированию фермента (рис. 4.2В).
Глава 4. Транспорт через мембрану клетки 73
| Рис. 4.1. Влияние инъекции натрия в нейрон улитки на внутриклеточную концентрацию натрия, мембранный потенциал и ток через мембрану. (А) Два микрозлектрода используются для инъекции натрия или лития. Натрий-чувствительный электрод измеряет концентрацию натрия внутри клетки. Еще один электрод используется либо для измерения мембранного потенциала, либо, в паре с токовым электродом, для фиксации потенциала на определенном уровне с целью измерения тока через мембрану (показан на рис. 4.1Е) (В) Гиперполяризация мембраны вследствие инъекции натрия. (Небольшие кратковременные выбросы на кривой представляют собой спонтанные потенциалы действия, размер которых преуменьшен за счет инертности самописца.) Инъекция лития не влечет за собой гиперполяризации. (С) После подачи блокатора натриевых насосов уабаина (20 г/мл) инъекция натрил вызывает значительно менее выраженную гиперполяризацию. (D) Удаление калия из внеклеточной среды блокирует насос, поэтому инъекция натрия не вызывает гиперполяризации до тех пор, пока уровень калия не восстанавливается. (Е) Измерение мембранного тока при потенциале, фиксированном на —47 мВ В результате инъекции натрия его внутриклеточная концентрация повышается, и через мембрану протекает выходящий ток. Выбросы на кривой натриевой концентрации представляют собой артефакты инъекционной системы; временной ход изменений этой концентрации показан пунктиром. Fig. 4.1. Effects of Sodium Injection into a snail neuron on intracellular sodium concentration, membrane potential, and membrane current. (A) Two micropipettes are used to inject either sodium or lithium. A sodium-sensitive electrode measures the intracellular sodium concentration. Another electrode measures membrane potential or, alternatively, is used in combination with a current-passing electrode to hold the membrane potential steady while measuring membrane current (shown in E). (B) Hyperpolar-ization of the membrane following intracellular injection of sodium. (The small rapid deflections are spontaneously occurring action potentials, reduced in size because of the poor frequency response of the pen recorder.) Injection of lithium does not produce hyperpolarization. (C) After application of ouabain (20 g/ml), which blocks the sodium pump, hyperpolarization by sodium injection is greatly reduced. (D) Removal of potassium from the extracellular solution blocks the pump, so sodium injection produces no hyperpolarization until potassium is restored. (E) Measurements of membrane current with the membrane potential clamped at -47 mV. Sodium injection results in an increase in intracellular sodium concentration, and an outward current across the cell membrane. Sharp deflections on the sodium concentration record are artifacts from the injection system; the time course of the concentration change is indicated by the dashed line. (After Thomas, 1969.) | 
|
Фосфорилирование приводит к дальнейшему изменению конформации, в результате которого места связывания ионов оказываются
в контакте с внеклеточной средой (рис.4.2С). В этом положении места связывания обладают низким сродством к натрию и вы-
74 Раздел II. Передача информации в нервной системе
| Рис. 4.2. Перенос ионов Na-K АТФазой. (А) Посадочные места, направленные внутрь клетки, обладают высоким сродством к натрию и низким — к калию. Ионы калия, до этого момента связанные с молекулой АТФазы, высвобождаются, в то время как ионы натрия связываются с ней. (В) Вслед за связыванием натрия происходит связывание молекулы АТФ и фосфорилирование фермента. (С) В результате фосфорилирования в структуре фермента происходят изменения, приводящие к выдвижению посадочных мест во внеклеточную среду. (D) В таком положении посадочные места обладают низким сродством к натрию и высоким — к калию, поэтому они связывают два иона калия. (Е) При связывании калия АТФаза дефосфори-лируется. (Е) Возврат в первоначальное состояние. |
Fig. 4.2. Ion Translocation by Na-K ATPase. (A) Inward-facing binding sites have a high affinity for sodium and a low affinity for potassium. Previously bound potassium ions are released and three sodium ions are bound. (B) Sodium binding is followed by ATP binding and phosphorylation of the enzyme. (C) The phosphorylated enzyme undergoes a conformational change such that its binding sites face the extracellular solution. (0) Outward-facing sites have a low affinity for sodium and high affinity for potassium, and they bind two potassium ions. (E) Potassium binding leads to dephosphorylation. (F) Dephosphorylation is followed by a return to the starting conformation.
соким к калию, поэтому ионы калия замещают два иона натрия (рис. 4.2D). Связывание калия вызывает дефосфорилирование фермента (рис. 4.2Е) и возвращает насос в первоначальное положение (рис. 4.2F). Ионы калия высвобождаются во внутриклеточное пространство.
§ 2. Кальциевые насосы
Изменение концентрации ионов кальция внутри клетки играет важнейшую роль во многих процессах жизнедеятельности нейронов, таких как высвобождение медиатора в синаптическую щель, активация ионных каналов в клеточной мембране, а также регуляция целого ряда цитоплазматических ферментов.
В мышечных клетках кальций играет ключевую роль в запуске процесса сокращения мышечного волокна. Все эти функции связаны с кратковременным повышением концентрации кальция в цитоплазме, поэтому важной задачей для клетки является поддержание неизменного уровня кальция в покое. В противном случае различные кальций--зависимые механизмы будут активироваться не в ответ на специфическое раздражение, а постоянно.
Изменение концентрации кальция в цитоплазме может происходить по двум причинам: кальций может входить или выходить через клеточную мембрану, либо переходить из цитоплазмы во внутриклеточные органеллы и обратно (рис. 4.3) 8), в первую очередь в эндоплазматический ретикулум
Глава 4. Транспорт через мембрану клетки 75
| Рис. 4.3. Внутриклеточные органеллы. В цитоплазме клетки находится множество внутриклеточных огранелл. Некоторый из них — в первую очередь эндо- и саркоплаэматиче ский ретикулумы — способны запасать кальций. Fig. 4.3. Intracellular Compartments. Within the cytoplasm of animal cells are numerous intracellular compartments. Some of these compartments — principally the endoplasmic reticulum and mitochondria — sequester calcium. | 
|
(в мышце — саркоплазматический ретикулум) и митохондрии 9). Для измерения внутриклеточной концентрации кальция в клетку вводятся специальные вещества, такие как экворин 10) (aequorin) или фура-2 11) (fura2), которые излучают или поглощают свет при связывании ионизированного кальция. Другой способ отслеживания изменений уровня кальция — трансфекция особых белковых комплексов 12, 13), созданных при помощи генной инженерии таким образом, что их флуоресцентные свойства изменяются в зависимости от концентрации ионизированного кальция. В обоих случаях изменения в поглощении или излучении, пропорциональные изменениям уровня кальция, измеряются с помощью высокочувствительных оптических методов. Средняя концентрация кальция в покое для большинства нейронов составляет от 10 до 100 нМ. Уровень кальция в межклеточном пространстве позвоночных составляет от 2 до 5 ммоль.
Для поддержания низкой внутриклеточной концентрации кальция необходим механизм, осуществляющий непрерывный вывод кальция из клетки вопреки наличию значительного концентрационного градиента. Кроме того, системы кальциевого транспорта через внутриклеточные мембраны поддерживают высокую концентрацию кальция в органеллах. Так, уровень кальция в эндоплазматическом ретикулуме может достигать 400 мкмоль12, 14), а в саркоплазматическом ретикулуме мышцы поднимается до 10 ммоль 15). Молекула, ответственная за транспорт кальция через плазматическую и цитоплазматическую мембраны, называется кальциевая АТФаза. Еще один механизм транспорта кальция будет обсуждаться ниже в этой главе.
оНХЯЙ ОН ЯЮИРС: