Ионные каналы и мембранный потенциал

Электрическая сигнализация нейронов начинается с мембранного потенциала — разности напряжений на клеточной мембране — и с ионных каналов, которые контролируют прохождение ионов через нее. Избирательно пропуская такие ионы, как натрий, калий и кальций, а также открываясь и закрываясь в ответ на изменение напряжения или связывание лигандов, ионные каналы устанавливают потенциал покоя и генерируют потенциал действия. Данная тема рассматривает ионную основу возбудимости нейронов.

Definition

Мембранный потенциал — это напряжение на мембране клетки, возникающее из-за неравномерного распределения ионов и избирательной проницаемости; ионные каналы — это мембранные белки, которые проводят специфические ионы и, открываясь и закрываясь, генерируют потенциал покоя и потенциал действия.

Scope

Тема охватывает потенциал покоя мембраны и его ионную основу, структуру и избирательность ионных каналов, потенциал-зависимые и лиганд-зависимые каналы, а также ионный механизм потенциала действия, описанный Ходжкиным и Хаксли. Это обзор биофизических механизмов и не содержит клинических рекомендаций.

Core questions

• Что устанавливает потенциал покоя мембраны нейрона?
• Как ионные каналы отбирают и проводят специфические ионы?
• Как потенциал-зависимые каналы генерируют потенциал действия?
• Чем отличаются лиганд- и потенциал-зависимые каналы по механизму их открытия?

Key concepts

• Потенциал покоя мембраны
• Ионные градиенты и избирательная проницаемость
• Потенциал-зависимые натриевые и калиевые каналы
• Селективный фильтр ионного канала
• Лиганд-зависимые каналы
• Порог потенциала действия и его распространение

Key theories

Ионная теория потенциала действия

Ходжкин и Хаксли представили количественное описание, показывающее, что потенциал действия является результатом потенциал-зависимых изменений проницаемости мембраны для натрия и калия, формализуя нейронную возбудимость в математических терминах.

Mechanisms

В состоянии покоя ионные насосы поддерживают градиенты концентрации, а мембрана избирательно проницаема, главным образом для калия, что приводит к отрицательному потенциалу покоя. Деполяризация, достигающая порогового значения, открывает потенциал-зависимые натриевые каналы, быстрый входящий ток которых вызывает фазу подъема потенциала действия; последующая инактивация натриевых каналов и открытие потенциал-зависимых калиевых каналов реполяризуют мембрану — динамика, количественно описанная Ходжкиным и Хаксли. Избирательность каналов для определенных ионов определяется структурой их поры; Дойл и коллеги показали, как селективный фильтр позволяет калиевому каналу проводить калий, исключая натрий. Лиганд-зависимые каналы, напротив, открываются в ответ на связывание нейротрансмиттера, а не на изменение напряжения.

Clinical relevance

Аномалии ионных каналов лежат в основе класса расстройств, поражающих нервы и мышцы, и многие лекарства и токсины действуют, изменяя функцию каналов, поэтому биофизика в этой теме обеспечивает основу для понимания расстройств возбудимости и нейрофармакологии. Данная статья носит образовательный характер и не является основанием для диагностики или лечения.

Evidence & guidelines

Тема основана на биофизике и структурной биологии, а не на клинических рекомендациях, опираясь на анализ возбудимости Ходжкина-Хаксли, структурные исследования избирательности каналов и стандартные справочники по ионным каналам.

History

Ионная основа потенциала действия была установлена в экспериментах Ходжкина и Хаксли в середине XX века на гигантском аксоне кальмара, что привело к созданию количественной модели возбудимости. Позднее методы фиксации напряжения (voltage-clamp) и локальной фиксации потенциала (patch-clamp) охарактеризовали токи отдельных каналов, а структуры с атомным разрешением, начиная с калиевого канала, объяснили, как каналы достигают своей ионной избирательности, интегрируя физиологию с молекулярной структурой.

Key figures

• Alan Hodgkin
• Andrew Huxley
• Roderick MacKinnon
• Bertil Hille

Seminal works

• hodgkin-huxley-1952
• doyle-1998

Frequently asked questions

Что такое потенциал покоя мембраны?

Это стационарная разность напряжений на мембране нейрона, когда он не передает сигналы, возникающая из-за градиентов концентрации ионов и избирательной проницаемости мембраны, главным образом для калия, и обычно отрицательная внутри относительно внешней среды.

Как потенциал-зависимые каналы создают потенциал действия?

Когда мембрана деполяризуется до порогового значения, потенциал-зависимые натриевые каналы открываются и позволяют натрию быстро поступать внутрь, вызывая пик, затем они инактивируются, в то время как калиевые каналы открываются, чтобы восстановить отрицательный потенциал покоя.