СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ АКТИВНОМ ТРАНСПОРТЕ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ
УДК 612
СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ АКТИВНОМ ТРАНСПОРТЕ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ
А.Р. Севастополева, студент
ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный Университет»
(440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: sevastopoleva.al@gmail.com
Е.С. Кузнецова, студент
ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный Университет»
(440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: katterrina821@gmail.com
Э.Н. Керимова, студент
ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный Университет»
(440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: elnarakerimova2006@mail.ru
Д.А. Куряева, студент
ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный Университет»
(440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: dkuryaevad@mail.ru
Е.В. Гунденкова, студент
ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный Университет»
(440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: ekgundenkova@mail.ru
Научный руководитель: Н.Л. Ильина, кандидат биологических наук, доцент
ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный Университет»
(440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: ilinanl@mail.ru
Аннотация. В настоящее время активно производят исследования в области ионных каналов, открываются новые виды. Учебно-методической литературы по данной теме недостаточно, но для студентов она является важной. Данная работа представляет собой анализ современной литературы по вопросам о строении и функции мембранных каналов. Авторы ознакомились с такими публикациями, как [1-8]. В результате нам представляется следующие основные положения по данной теме, которые изложены ниже.
Ключевые слова: мембранные каналы, механизмы, медицина, достижения.
Современные исследования в области нейрофизиологии раскрывают множество аспектов межклеточной передачи, включая механизмы действия и роль ионных каналов. Понимание этих процессов имеет важное значение для разработки новых терапевтических подходов к лечению различных неврологических заболеваний. Мембранные каналы – это крупные белки, образующие центральную водную пору, которая сообщает наружную и внутреннюю среду клетки, пронизывая клеточную мембрану. Они выполняют целый ряд функций. Обеспечивая транспорт ионов и воды через мембрану, внутриклеточную концентрацию ионов кальция, каналы регулируют рН и объем клетки. Часто являясь рецепторами, они включены в системную регуляцию функций отдельных клеток, органов и систем организма в целом [1].
Все каналы возбудимых клеток можно разделить на два основных типа. Первый тип – это каналы покоя, которые спонтанно открываются и закрываются без всяких внешних воздействий. Они важны для генерации МП покоя. Второй тип – это, так называемые, gate-каналы, воротные каналы (gate – ворота). В покое эти каналы закрыты и могут открываться под действием тех или иных раздражителей. Раздражители могут действовать непосредственно на канал или опосредовано через систему вторичных посредников [8]. При действии адекватного раздражителя на ионный канал, шанс его открытия способен повышаться. Ионные каналы делятся на 4 типа, в зависимости от того, что им необходимо для открытого состояния (рисунок 1).
Рисунок 1. Способы активации каналов
- Ионные каналы, активируемые изменением мембранного потенциала или растяжением мембраны. Сюда относят такие типы как, потенциал-активируемые каналы (K-, Na-, Ca-каналы), открывающиеся при достижении определенного потенциала на клеточной мембране, и механо-чувствительные, отвечающие на деформацию или растяжение плазмалеммы.
- Ионные каналы, активируемые химическими агентами (лигандами) с внеклеточной или с внутриклеточной стороны. Химические вещества связываются со специальными рецепторными центрами на молекуле канала.
Метаботропное управление осуществляется посредством связывания нейротрансмиттера с метаботропным рецептором, который взаимодействует с G-белками – трансмембранными белками, характеризующимися семиспиральной структурой. Связывание медиатора инициирует замену гуанозиндифосфата (ГДФ) на гуанозинтрифосфат (ГТФ) на G-белке, что приводит к его активации посредством фосфорилирования. Активированный G-белок, в свою очередь, модулирует активность различных ферментов, таких как аденилатциклаза, гуанилатциклаза и фосфолипазы, что приводит к образованию вторичных посредников. Воздействие на эффекторные системы может быть прямым, когда G-белок напрямую взаимодействует с ионным каналом, открывая его, или непрямым, через системы вторичных посредников [2]. В последнем случае вторичные посредники регулируют функцию ионных каналов, метаболизм клетки или экспрессию генов. Классическим примером является цАМФ, образование которого катализируется аденилатциклазой. цАМФ, диффундируя в цитоплазме, активирует цАМФ-зависимые протеинкиназы, изменяя обменные процессы в клетке. Данный механизм демонстрирует усиление сигнала: активация одного рецептора приводит к активации множества G-белков, которые, в свою очередь, запускают каскад реакций, производящих большое количество вторичных посредников. Аналогичные каскады происходят и с участием других вторичных посредников, активируемых различными типами G-белков [7].
В медицине уже выделена группа заболеваний, при которых обнаруживается нарушение в работе одного или нескольких ионных каналов. Такие патологии называются каналопатиями. Они делятся на врожденные (из-за генетической мутации при внутриутробном развитии) и приобретенные (токсическое поражение, аутоиммунный процесс).
Интересно, что возникновение некоторых тахиаритмий (то есть, нарушение ритма сердца с повышением частоты сердечных сокращений) ассоциировано с генетическими нарушениями ионных каналов. Более подробное изучение каналопатий, а также физиологической работы ионных насосов сердца поможет кардиологам сделать настоящий прорыв в области лечения аритмий [4]. Тахиаритмии связаны с ионными каналами через механизм триггерной активности. Триггерная активность вызывается аномальными потоками положительных ионов внутрь сердечной клетки. Эти ионные потоки вызывают довольно острый «выступ» на потенциале действия в конце фазы 3 или в начале фазы 4. Этот выступ называется следовой деполяризацией. Полагают, что в большинстве случаев следовая деполяризация обусловлена врожденной патологией каналов, управляющих движением ионов кальция через клеточную мембрану. Если следовые деполяризации достаточно большие, они способны открывать быстрые натриевые каналы (которые, как уже упоминалось, являются потенциалзависимыми), генерируя, таким образом, следующий потенциал действия [5].
Исследователи обнаружили два механизма в головном мозге, которые контролируют высвобождение дофамина, и отключение которых сделало мышей умнее. Они провели эксперименты с мышами, отключив гены, ответственные за образование этих каналов, и изучили, как это повлияло на поведение животных. Ученые обнаружили, что изменение функционирования ионных каналов привело к увеличению мотивации у мышей. Они стали более заинтересованы в решении задачи и проявляли большую эффективность в выполнении заданий [6].
Было обнаружено, что два ионных канала Kv4.3 и BKCa1.1 являются неотъемлемой частью системы высвобождения дофамина – нейромедиатора, который влияет на формирования чувства удовлетворения и привязанности, а также на уровень когнитивных возможностей и скорость мышления. Эти каналы контролируют высвобождение дофамина, влияя на поведение подопытных мышей, в том числе на интеллект и мотивацию.
Нейроны, высвобождающие дофамин, могут находиться в двух состояниях – тоническом и фазовом. В первом случае дофамин выделяется медленно в течение долгого времени, во втором случае происходит быстрое высвобождение нейромедиатора в высокой концентрации или его снижение.
Когда исследователи с помощью методов генетической инженерии удалили ионный канал Kv4.3, который регулирует тоническое высвобождении нейромедиатора, это привело к усилению мотивационного поведения мышей. Как только животные были обучены выполнять какую-либо задачу, они проявляли высокий интерес к повторной попытке ее выполнения и делали это намного быстрее. Удаление канала BKCa1.1, контролирующего фазовый режим, заставило мышей учиться значительно быстрее.
Результаты исследования могут быть в будущем использованы в создании новых терапевтических препаратов для лечения широкого спектра заболеваний, в том числе шизофрении и расстройств аутического спектра [3].
В ходе исследования современных представлений об активном транспорте через ионные каналы было установлено, что этот процесс играет ключевую роль в поддержании гомеостаза клеток и регуляции различных физиологических функций. Активный транспорт через ионные каналы обеспечивает избирательное движение ионов, что критически важно для процессов, таких как нервная проводимость, мышечное сокращение и секреция гормонов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бонь, Е.И., Максимович, Н.Е. Морфофункциональные особенности различных типов каналов цитоплазматической мембраны // Вестник Новгородского государственного университета. – 2020. – № 4(120). – С. 5-12.
2. Бонь, Е.И., Максимович, Н.Е. Структурно-функциональная характеристика ионных каналов и методы исследования их активности / Бонь Е.И., Максимович Н.Е. // Биомедицина. – 2021. – № 1. – C. 35-42.
3. Еникеев, А. Отключение ионных каналов в мозге сделало мышей умнее / Еникеев А. // Lenta.ru: – URL: https://lenta.ru/news/2023/08/15/ions/ (дата обращения: 27.03.2025).
4. Ионные каналы сердца // Логосфера: – URL: https://medpublishing.ru/blog/ionnye-kanaly-serdtsa/ (дата обращения: 08.03.2025).
5. Каналопатии и триггерная активность. Автоматические суправентрикулярные тахиаритмии // MedUniver: – URL: https://meduniver.com/Medical/cardiologia/519.html (дата обращения: 08.03.2025).
6. Ким, А. Science Advances: Ученые нашли способ вернуть мотивацию и повысить обучаемость / Ким А. // ЭкоПравда: – URL: https://www.ecopravda.ru/nauka/science-advances-uchenye-nashli-sposob-vernut-motivatsiyu-i-povysit-obuchaemost/ (дата обращения: 13.03.2025).
7. Недоспасов, В.М. Физиология центральной нервной системы / В. М. Недоспасов – Москва: ООО УМК «Психология», 2001. – 377 с.
8. Kandel, E.R., Schwartz, J.H., Jessel, T.M. Principal of neural science // The McGraw-Hill Companies, 2002. – 1321 p.
REFERENCES
1. Bon' E.I., Maksimovich N.E. Morfofunkcional'nye osobennosti razlichnyh tipov kanalov citoplazmaticheskoj membrany [Morphofunctional features of different types of cytoplasmic membrane channels]. Vestnik Novgorodskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of Novgorod State University]. 2020. No. 4(120). pp. 5-12.
2. Bon' E.I., Maksimovich N.E. Strukturno-funkcional'naya harakteristika ionnyh kanalov i metody issledovaniya ih aktivnosti [Structural and functional characteristics of ion channels and methods for studying their activity]. Bon' E.I., Maksimovich N.E. Biomedicina [Biomedicine]. 2021. No. 1. pp. 35-42.
3. Enikeev A. Otklyuchenie ionnyh kanalov v mozge sdelalo myshej umnee [Shutting down ion channels in the brain made mice smarter]. Enikeev A. Lenta.ru: URL: https://lenta.ru/news/2023/08/15/ions/ (data obrashcheniya: 27.03.2025).
4. Ionnye kanaly serdca [Cardiac ion channels]. Logosfera: URL: https://medpublishing.ru/blog/ionnye-kanaly-serdtsa/ (data obrashcheniya: 08.03.2025).
5. Kanalopatii i triggernaya aktivnost' [Channelopathies and trigger activity]. Avtomaticheskie supraventrikulyarnye tahiaritmii [Automatic supraventricular tachyarrhythmias]. MedUniver: URL: https://meduniver.com/Medical/cardiologia/519.html (data obrashcheniya: 08.03.2025).
6. Kim A. Science Advances: Uchenye nashli sposob vernut' motivaciyu i povysit' obuchaemost' [Science Advances: Scientists have found a way to regain motivation and increase learning]. Kim A. EkoPravda: URL: https://www.ecopravda.ru/nauka/science-advances-uchenye-nashli-sposob-vernut-motivatsiyu-i-povysit-obuchaemost/ (data obrashcheniya: 13.03.2025).
7. Nedospasov V.M. Fiziologiya central'noj nervnoj sistemy [Physiology of the central nervous system]. V. M. Nedospasov Moscow. OOO UMK «Psihologiya», 2001. 377 p.
8. Kandel E.R., Schwartz J.H., Jessel T.M. Principal of neural science. The McGraw-Hill Companies, 2002. 1321 p.
Материал поступил в редакцию 30.03.25
CURRENT UNDERSTANDING OF ACTIVE TRANSPORT ACROSS MEMBRANES
A.R. Sevastopoleva, Student
FSBEI HE "Penza State University"
(440026, Russia, Penza, Krasnaya str., 40)
E-mail: sevastopoleva.al@gmail.com
E.S. Kuznetsova, Student
FSBEI HE "Penza State University"
(440026, Russia, Penza, Krasnaya str., 40)
E-mail: katterrina821@gmail.com
E.N. Kerimova, Student
FSBEI HE "Penza State University"
(440026, Russia, Penza, Krasnaya str., 40)
E-mail: elnarakerimova2006@mail.ru
D.A. Kuryaeva, Student
FSBEI HE "Penza State University"
(440026, Russia, Penza, Krasnaya str., 40)
E-mail: dkuryaevad@mail.ru
E.V. Gundenkova, Student
FSBEI HE "Penza State University"
(440026, Russia, Penza, Krasnaya str., 40)
E-mail: ekgundenkova@mail.ru
Supervisor: N.L. Ilyina, Candidate of Biological Sciences, Associate Professor
FSBEI HE "Penza State University"
(440026, Russia, Penza, Krasnaya str., 40)
E-mail: ilinanl@mail.ru
Abstract. Currently, research is being actively carried out in the field of ion channels, new species are being discovered. Educational and methodological literature on this topic is not enough, but for students it is important. This work is an analysis of modern literature on the structure and function of membrane channels. The authors reviewed publications such as [1-8]. As a result, we are presented with the following basic provisions on this topic, which are set out below.
Keywords: membrane channels, mechanisms, medicine, achievements.