Ионные каналы

Ионные каналы — это белки, встроенные в мембрану клетки, которые образуют в ней узкие поры и пропускают через них заряженные частицы — ионы натрия, калия, кальция и хлора. Каналы открываются и закрываются в ответ на определённые сигналы и тем самым управляют электрической активностью клеток: нервным импульсом, сокращением мышц, ритмом сердца, выделением гормонов.

Мембрана клетки состоит из жиров и сама по себе почти непроницаема для ионов. Без каналов клетка не могла бы быстро менять свой заряд. Если сравнить натрий-калиевый насос с водокачкой, которая поддерживает напор, то каналы — это краны, через которые этот напор используется.

🔬 Как устроен ионный канал

Канал обычно собран из нескольких белковых субъединиц, которые окружают центральную пору. В самом узком месте поры находится селективный фильтр: его размер и расположение зарядов позволяют пройти только определённому иону. Поэтому различают натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные каналы.

Ионы проходят через открытый канал пассивно, по градиенту концентрации и заряда, без затрат энергии. Скорость очень велика — миллионы ионов в секунду через одну пору. Это намного быстрее, чем работа насосов, и позволяет клетке изменить заряд за доли миллисекунды.

Открытием и закрытием канала управляют «ворота» — подвижные участки белка. Многие каналы после открытия переходят в состояние инактивации и какое-то время не могут открыться повторно. Возможность записывать токи через одиночные каналы появилась благодаря методу локальной фиксации потенциала, отмеченному Нобелевской премией 1991 года.

🗂️ Виды ионных каналов

Основные типы каналов по способу управления

⚡ Зачем нужны ионные каналы

• Создание потенциала покоя: через каналы утечки калий выходит из клетки, и внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно.
• Генерация и проведение потенциала действия: нервный импульс возникает при быстром открытии натриевых каналов и завершается открытием калиевых.
• Передача сигнала в синапсе: кальций через каналы окончания запускает выброс медиатора, а на следующей клетке медиатор открывает свои каналы.
• Сокращение мышц: ацетилхолин открывает каналы на мышечном волокне, а кальций выходит из внутриклеточного депо через особые кальциевые каналы.
• Ритм сердца: последовательная работа натриевых, кальциевых и калиевых каналов определяет форму и длительность каждого сокращения.
• Выделение гормонов, работа органов чувств, перенос солей и воды в почках, кишке и дыхательных путях.

🧬 Болезни ионных каналов

Наследственные мутации в генах каналов вызывают каналопатии. К ним относятся синдром удлинённого QT и другие нарушения ритма с риском внезапной остановки сердца, некоторые формы эпилепсии, миотонии и периодические параличи. Муковисцидоз вызван поломкой хлорного канала, который увлажняет слизь в бронхах и протоках желёз.

Работу каналов могут нарушать и приобретённые причины: аутоантитела (например, при миастении — против рецепторов ацетилхолина), токсины, сдвиги электролитов в крови. Тетродотоксин рыбы фугу блокирует натриевые каналы и поэтому смертельно опасен.

💊 Лекарства, действующие на каналы

Ионные каналы — одна из главных мишеней лекарств. Местные анестетики и ряд противоэпилептических и антиаритмических средств блокируют натриевые каналы. Блокаторы кальциевых каналов снижают давление и урежают ритм. Препараты сульфонилмочевины закрывают АТФ-зависимые калиевые каналы бета-клеток и усиливают выделение инсулина. Бензодиазепины усиливают работу тормозных каналов ГАМК. Информация приведена в ознакомительных целях.

Обратная сторона — побочные эффекты: многие препараты, не предназначенные для сердца, могут блокировать его калиевые каналы и удлинять интервал QT. Поэтому при сочетании нескольких таких лекарств врач контролирует ЭКГ (электрокардиограмму).