Калійний канал. Активація та управління калієвих каналом

малюнок демонструє електрокерований калієвий канал в двох станах: у спокої (ліворуч) і в кінці потенціалу дії (праворуч). В умовах спокою ворота калієвого каналу закриті, і це перешкоджає виходу іонів калію в зовнішнє середовище. Коли мембранний потенціал зміщується від -90 мВ в напрямку до нульового рівня, це зміна потенціалу викликає конформационное відкриття воріт, що забезпечує посилену дифузію іонів калію назовні через канал. Однак оскільки відкриття калієвих каналів відбувається з деякою затримкою, більшість з них відкриваються в той час, коли натрієві канали починають закриватися в зв`язку з їх інактивацією. Таким чином, зменшення входу натрію в клітину і одночасне збільшення виходу калію з клітки разом прискорюють процес реполяризації, приводячи до повного відновлення мембранного потенціалу спокою протягом декількох часток мілісекунди.

Метод фіксації потенціалу, дозволяє досліджувати вплив рівня потенціалу на відкриття і закриття електрокерованих каналів. Перше дослідження, яке призвело до кількісного розуміння роботи натрієвих і калієвих каналів, було настільки оригінальним, що виконали його вчені Ходжкин (Hodgkin) і Хакслі (Huxley) були удостоєні Нобелівської премії.

На малюнку представлена схема експериментальної установки для фіксації напруги ( «вольт-Кламп»), яку зазвичай використовують для вимірювання величини іонних струмів, що протікають через різні канали. При використанні цього методу всередину нервового волокна вводять два електроди. За допомогою одного з них вимірюють величину мембранного потенціалу, а через інший пропускають струм всередину волокна або з нього. Ця систему використовують наступним чином.

Дослідник вирішує, який потенціал потрібно встановити всередині нервового волокна. Електронну частина апарату налаштовують на заданий потенціал, при цьому через струмовий електрод автоматично вводиться позитивний або негативний електричний струм такої величини, яка потрібна для підтримки вимірюваного іншим електродом потенціалу на рівні, встановленому оператором. Коли мембранний потенціал за допомогою цієї системи раптово підвищується з -90 мВ до нуля, електрокеровані ворота натрієвих і калієвих каналів відкриваються, і іони натрію і калію течуть через канали. Щоб протистояти впливу руху цих іонів на рівень внутрішньоклітинного потенціалу, через струмовий електрод автоматично вводиться електричний струм, необхідний для утримання внутрішньоклітинного потенціалу на заданому нульовому рівні.

Для досягнення цього результату ін`еціруемих ток має дорівнювати сумарному струму, що протікає через мембранні канали, але мати протилежну полярність. З метою вимірювання величини струму, що протікає в кожен момент, струмовий електрод з`єднується з осцилоскопом, який реєструє протікає струм. Нарешті, дослідник може змінювати концентрації іонів щодо нормального рівня всередині або зовні волокна і знову повторювати експеримент. Це легко зробити при використанні в експерименті великих нервових волокон ракоподібних, особливо гігантського аксона кальмара, діаметр якого іноді досягає 1 мм. Коли в розчинах всередині і зовні аксона кальмара єдиним іоном, який проникає через мембрану, є натрій, система «вольт-Кламп» вимірює струм, що протікає тільки через натрієві канали. Коли єдиним проникаючим іоном є калій, вимірюється струм, що протікає тільки через калієві канали.

іншим способом вивчення струму іонів через особливий тип каналів є блокування каналів різних типів. Наприклад, натрієві канали можна блокувати за допомогою так званого тетродотоксина при дії його зовні клітинної мембрани, де розташовані активаційні ворота для іонів натрію. І навпаки, тетраетіламмоній блокує калієві канали при дії токсину зсередини нервового волокна.

На малюнку показані типові зміни провідності електрокерованих натрієвих і калієвих каналів при раптовій зміні мембранного потенціалу за допомогою системи фіксації потенціалу від -90 до +10 мВ з подальшим (через 2 мсек) поверненням до рівня -90 мВ. Видно, що у відповідь на збільшення мембранного потенціалу до позитивного значення відбувається стрімке (протягом часткою мілісекунди) відкриття натрієвих каналів (фаза активації). Однак протягом приблизно такою мілісекунди натрієві канали автоматично закриваються (фаза інактивації).

Зверніть увагу на відкриття калієвих каналів. Вони відкриваються повільно і досягають максимального відкриття після того, як натрієві канали майже повністю закрилися. Відразу після відкриття калієві канали залишаються у відкритому стані під час всього періоду підтримки позитивного рівня мембранного потенціалу і не закриваються до тих пір, поки мембранний потенціал не повернеться до свого від`ємного значення.