Ионные каналы - не просто дырки - ВОЗБУДИМОСТЬ: ТО, ЧТО ДЕЛАЕТ НАС ЖИВЫМИ

Итак, в момент раздражения клетки в нее из межклеточного пространства входят ионы Nа⁺, и мембрана клетки деполяризуется. В следующее мгновение возрастает проницаемость мембраны для К⁺, и он, покидая клетку, возвращает потенциал на мембране к уровню покоя, т. е. к -70 мВ. Однако возникает вопрос: а через какие “дырки” проходит ток ионов? Почему эти “дырки” могут открываться и закрываться? Оказывается, в клеточной мембране возбудимых клеток располагаются особые белковые молекулы, образующие ионные каналы. Как же устроен, например, натриевый канал? Когда клетка находится в состоянии покоя, активационная створка канала (на рис. 2.6 отмечена буквой А) закрыта, и ионы Nа⁺ через нее не проходят (рис. 2.6, а). Если же клетку раздражают с помощью какого-либо внешнего стимула, то потенциал покоя на мембране начинает сдвигаться с -70 к -50 мВ. Для большинства нервных клеток достаточно сдвига потенциала покоя на 20 мВ (т. е. до -50 мВ) для того, чтобы пространственная конфигурация белковой молекулы канала уменьшилась и внутрь клетки начали проникать положительно заряженные ионы Ка⁺. Происходит это из-за того, что активационная створка сдвигается и открывает канал для ионов Nа⁺ (рис. 2.6, б). Однако в следующее мгновение другая часть канальной молекулы белка, которую назвали инактивационной створкой (на рис. 2.6 отмечена буквой И), перекрывает движение ионов через канал (рис 2.6, в).

Натриевый канал находится в открытом состоянии всего 1 мс, но за это время в клетку успевает пройти около 6 тыс. ионов Nа⁺. Конечно, работа одного канала не может заметно деполяризовать клетку, но натриевых каналов на мембране возбудимых клеток очень много - около 100 на площади в 1 мкм² (микрометр равен одной миллионной части метра). После срабатывания канал за несколько миллисекунд возвращается в исходное состояние и снова может открыться, если клетка подвергнется раздражению (рис. 2.6, г). Но для того, чтобы Nа⁺-канал перешел из состояния, изображенного на рис. 2.6, б в состояние, представленное на рис. 2.6, а необходимо, чтобы потенциала на мембране сдвинулся до потенциала покоя. А восстановление потенциала покоя на мембране достигается тем, что сразу же после закрытия натриевого канала через свои особые каналы выходят положительно заряженные ионы К⁺.

Рис. 2.6. Схема работы натриевого канала: а - канал закрыт; б - канал открыт; в - канал инактивирован, закрыт; г - канал возвращен в исходное состояние

Калиевые каналы действуют по тем же принципам, что и натриевые, однако у них одна створка, которая может открывать и закрывать ток К⁺ из клетки.

Ионные каналы обладают избирательностью, т. е. они пропускают только “свои” ионы. Так К⁺ не может проходить через натриевые каналы и наоборот. Правда, бывают и исключения. Например, ионы лития (Li⁺) очень хорошо проходят через натриевые каналы внутрь возбудимых клеток. Даже немного лучше, чем сам натрий.

Природа создала несколько ядов, способных блокировать работу ионных каналов. Один из сильнейших ядов содержится в тканях рыбы-иглобрюха, называемой японцами рыбой фугу. У этих тропических рыб особенно ядовиты печень и яичники. Несмотря на это, мясо иглобрюхов является деликатесом японской кухни. В наше время все повара, готовящие блюда из фугу, должны пройти особую подготовку и получить разрешение для работы с ее мясом. Яд из тканей этих рыб называется тетродоксином и достаточно всего половины миллиграмма (!) токсина, чтобы человек погиб. Для сравнения: знаменитый цианистый калий приблизительно в 100 раз менее ядовит. Тетродотоксин действует с наружной стороны натриевого канала, блокируя вход натрия. Генерация потенциала действия невозможна, наблюдается расслабление мускулатуры и паралич дыхания. До сих пор в Японии и некоторых других странах Юго-Восточной Азии в год регистрируются около 100 отравлений неправильно приготовленным мясом фугу, из которых приблизительно 70 случаев заканчиваются смертью гурманов. По-видимому, первыми из европейцев испытали на себе эффект тетродоксина моряки — спутники великого английского мореплавателя Джеймса Кука. Но ни один из них не умер, хотя отравления и были тяжелыми. Дело в том, что англичане лакомились фугу в тот период, когда рыба была наименее токсичной. Повезло... а то бы и Австралию кто-то другой открыл...

Еще более страшный яд содержится в коже внешне совершенно безобидных лягушек из рода листолазов семейства древолазов (phyllobates), живущих в Южной Америке. Этот яд, называемый батрахотоксином, ядовитее цианистого калия в 500 раз! А одна маленькая (около 3 см в длину) лягушечка носит в коже столько яда, что им можно погубить приблизительно 350 человек. Батрахотоксин блокирует натриевый канал в момент его открытия, после чего он не может закрыться, и натрий, поступая в клетку без ограничений, приводит к ее перевозбуждению. В результате, как правило, первой не выдерживает сердечная мышца, и сердце останавливается. Конечно, таким лягушкам не приходиться опасаться природных врагов, поскольку их враги долго не живут.

Листолазы лишь один из примеров ядовитых земноводных. Эта группа животных является переходной от рыб к наземным позвоночным. Земноводных на Земле совсем немного, орудий обороны у них мало. Но зато в тонкой, всегда влажной коже, которую всякий хищник может свободно прокусить, вырабатываются оригинальные яды, которые погубят врага иногда очень быстро, а иногда и за довольно длительный промежуток времени. Лягушки-убийцы чаще всего живут в тропических лесах и обладают яркой предостерегающей окраской. А вот нашим соседям - лягушкам, обитающим в умеренных широтах, повезло меньше: яды их кожи обладают слабым раздражающим действием и для человека практически не опасны.

В настоящее время открыто несколько видов натриевых и калиевых каналов. Они различаются по типу активации, величине порога “открывания”, скорости “открывания — закрывания” створок, “пропускной” способности для ионов и некоторым другим характеристикам. Существуют также и особые каналы для других ионов, например, для Са⁺⁺ и Сl^-. О них будет сказано ниже.