Відомості про потенціалозавісімих і хемозавісімих калієвих каналах - фармакологічна регуляція психічних процесів

Загальні відомості про БУДОВУ І ФУНКЦІОНУВАННІ ПОТЕНЦІАЛОЗАВІСІМИХ І ХЕМОЗАВІСІМИХ КАЛІЄВИХ КАНАЛІВ
Відомості про калієвих каналах також були отримані в результаті використання методу фіксації напруги на мембрані і методу патча гігантського аксокса кальмара і перехоплення Ранвье міелінізірованних нервових волокон жаби.
У перших дослідженнях, проведених Hodgkin, Huxley [тисячі дев`ятсот п`ятьдесят дві], було показано, що під час деполяризації відбувається відносно швидкий, короткочасне зростання натрієвої провідності мембрани і повільний стійке зростання калієвої провідності. Натрієві і калієві канали в мембрані роз`єднані, і за допомогою спеціальних блокаторів можна ізольовано пригнічувати як натрієву (тетра-дотоксіном, саксітоксін), так і калієву (тетраетіламмоніем, 4-амінопіридином) провідність. Особливу роль у вивченні властивостей калієвих каналів зіграли дослідження із застосуванням специфічного блокатора тетраетіламмопія (ТЕА). Аналізуючи дію ТЕА на калієвий канал, Armstrong [1974] розвинув уявлення про калійному каналі як про порі. Активаційні «ворота» калієвих каналів знаходяться на їх внутрішньому кінці. Причому це внутрішнє гирло каналу розширено, і в нього входить іон ТЕА або гідратований іон К +, розміри яких близькі. Калійний канал зазвичай проникний лише для чотирьох катіонів - К +, Hb +, TI +, NH4 +. Якщо прийняти проникність для К + за 1, то для інших катіонів розраховані наступні характеристики проникності в мембрані перехоплення Ранвье: P1т: Рк: Prd: Рмн4 = 2,3: 1,0: 0,92: 0,13 [Hille, 1973] . Іон ТЕА не може потрапити в вузьку частину каналу, а іон калію проходить тільки після втрати гідратної оболонки. Якщо в молекулі ТЕА одну етильну групу замінити на гидрофобную групу - С9П19, то вийде речовина (нопілтріетіламмоній), яке містить групу (С2Н0з-С9Н19 і викликає інактивацію калієвої провідності. Ця група зв`язується з гідрофобною групою мембрани біля входу в капав. Аналізуючи дію ТЕА і нопілтріетіламмонія, Armstrong розробив наступну схему роботи калієвого каналу. у спокої активаційні «ворота» калієвих каналів закриті, а в каналах немає іонів, при деполяризації активаційні «ворота» відкриваються і канал пропускає іони калію, поки іон [(02Н5) з] М-C9Hi9 ] + не заходить в розширену частину каналу і не викличе його «інактивацію». При подальшій реполяризації канал переходить з «інактіваціонного» стану у відкрите в зв`язку з виходом іона [(C2H5) iN-C9Hie] +, а потім в закрите (рис. 14).
На основі досліджень кінетики блокування калієвих каналів цими іонами Armstrong розрахував провідність одиночного калієвого каналу, яка склала 2-3 пікосіменса (10-12 Ом-1).
Крім ТЕА, для блокади калієвого каналу використовують амінопіридином: 4-амінопіридин, 2-амінопіридин, 3-амінопіридин, 3,4- діамінопірідін [Yeh et al., 1976]. При цьому виявлені деякі важливі особливості їх дії на калієву проникність мембрани, що відрізняють цей блокатор від ТЕА.
У сома нейронів молюска виявлені різні типи калієвих каналів, які відрізняються за своїми властивостями: потенціал-залежності, кінетики активації та інактивації, фармакологічними характеристиками. Канали затриманого калієвого струму забезпечують стаціонарний рівень вихідного струму. У точці, близької до максимуму вихідного струму, провідність мембрани складає 10-5 Ом `, а при досягненні стаціонарного рівня - 0,3-10 ~ 5 Ом-1. Зменшення вихідного струму відбувається за рахунок зменшення провідності мембрани, за рахунок процесу інактивації. Інактивація калієвої провідності важлива для розуміння механізмів ритмічної активності.
Затриманий виходить ток в нейронах молюсків ділять на потенціалозавісімий і кальцій залежний компоненти [Meech, Standen, 1975]. Інактивується лише потенціалозавісімий компонент калієвого струму.
Ін`єкція іонів кальцію в сому нейронів викликає падіння опору мембрани і зростання її калієвої проникності. Активація калієвого струму, його особливого компонента, відбувається за рахунок припливу кальцію в клітку. Цей компонент К + -Ток пригнічується при блокаді кальцієвих каналів іонами кобальту (10 мМ), лантану (1 мМ), верапамілом і Д-600 [Meech, Standen, 1975]. Автори вважають, що деполяризація мембрани призводить до активації двох типів калієвих каналів, одні з них потенціалозавісіми, а другі активуються в результаті припливу кальцію в клітку. У «вспалахо» пейсмекерних нейронах вдалося виявити, що виходить ток в межах 75-115 мБ має негативний нахил. Його пояснюють тим, що в процесі наближення потенціалу до кальцієвого рівноважного потенціалу кальцієвий струм зменшується, що призводить до зменшення кальцій-залежного компонента калієвого струму (рис. 15).
Це може мати значення для індукування спалахової активності в нейроні, так як саме такі зрушення в вольт амперних характеристиках нейронів відзначені при дії судомних агентів [Johnston, Ayala, 1975- Meech, Standen, 1975- Heyer, Lux, 1976].
Мал. 14. Схема роботи калієвого каналу в присутності нопілтріетіламмонія (Св)
А - чотири гіпотетичних стану калієвого каналу в присутності нонілтріетіламмонія в аксоплазме.
Б - схема, яка пояснює більш швидке звільнення каналу від нонілтріетіламмонія при високій концентрації калію в середовищі при гіперполяризації мембрани- швидкість звільнення прямо пропорційна концентрації К + в точці X- вона зростає зі збільшенням зовнішньої концентрації іонів калію і в разі гіперполяризації мембрани (Armstrong, 1974]
Мал. 15. Залежність амплітуди вихідного струму «вспалахо» нейрона молюска Helix pomatia від мембранного потенціалу
Вимірювання амплітуди виробляли через 100 мс від початку прямокутного зміщення потенціалу в нормальному розчині (i) і в розчині з іонами кобальту (2) - 10 мМ замість Са і Mg. Підтримуваний потенціал -50 мВ [Heyer, Lux, 19761

Крім цього, в нейронах виявлено і швидкі калієві канали Критичний рівень мембранного потенціалу, при якому з`являється швидкий калієвий струм, більш негативний, ніж рівень потенціалу, необхідний для появи затриманого калієвого струму. Гиперполяризация мембрани усуває інактивацію каналів швидкого калієвого струму. Охолодження (до 10 °) помітно пригнічує швидкий струм К +.
Виявлено також повільні калієві канали в соматичної мембрані нейронів. Після тривалої деполяризації нейронів виходять струмом виникає следовая гиперполяризация. Вона залежить від зовнішньої концентрації калію, але не від концентрації іонів натрію і хлору. Це дозволило вважати, що слідова гиперполяризация виникає в результаті повільного зростання проникності мембрани для іонів калію. З активацією каналів повільного вхідного струму пов`язують генерацію повільних осциляцій мембранного потенціалу у «вспалахо» нейронах, що також важливо для розуміння розвитку епілептичної активності [Brodwick, Junge, 1972- Gols, 1976].
У 1977 р Thompson, використовуючи фармакологічний аналіз, виділив три типи калієвих каналів в нервових клітинах молюсків, які добре розділяються при використанні методу фіксації напруги на мембрані.
Короткочасний, швидкий виходить ток До + названий також струмом А. Цей швидкий компонент вихідного калієвого струму був описаний і іншими авторами [Connor, Stevens, 1971- Neher, 1971]. Він блокується зовнішньої аплікацією 4-амінопіридину і мало чутливий до ТЕА, двовалентним іонів Со2 + і Мп2 +. Один іон 4-АП зв`язується з одним рецептором мембрани з константою дисоціації 1,5 • 10-3м. Струм А швидко піднімається до піку і потім падає по експоненті під час деполяризації. Амплітуда піку досягає максимальної величини при фіксованому потенціалі мембрани - 90 мВ. Він падає до 0 при зміні потенціалу мембрани до -40 мВ. А-струм може бути вивчений ізольовано при переході мембрани від гіперполяризації до фіксованого потенціалу нижче 20 мВ.
4-АП зменшує швидкість активації і інактивації, максимальну провідність швидких калієвих каналів при зовнішньої аплікації.
Затриманий виходить ток не блокується 4-амінопіридином в тих концентраціях, які пригнічують швидкий короткочасний калієвий струм. Він може бути розділений па два компонента по чутливості до ТЕА і двовалентним іонів Со2 + і Мп2 +.
Потенціалозавісімий компонент затриманого струму, названий К-струмом, блокується ТЕА. Кожен рецептор К-струму пов`язує один іон ТЕА з константою дисоціації 8 • 10-3м. Іони Мп2 + і Со2 + мало впливають на даний компонент вихідного струму К +.
Другий компонент затриманого вихідного струму, названий С-струмом, залежить від входу Са2 +, який активує цей тип наливних каналів. Meech, Standen [1975] вперше описали саме цей
Са2 + -залежний калієвий струм в нервових клітинах молюсків. З-ток блокується зовнішнім застосуванням іонів Со2 + або Мп2 + в концентрації 30 мМ. Він мало чутливий до ТЕА, високі концентрації якого (100 мМ) зменшують його тільки на 20%.
Ці фармакологічні дослідження дозволили говорити про наявність в мембрані нейрона трьох різних популяцій калієвих каналів, чутливих до 4-АП (А), до ТЕА (К), Са2 + -залежних і чутливих до Мп2 + і Со2 + (С). Однак в подальшому були виділені ще два типи калієвих каналів - М і S [Brown, Adams, 1980 Klein, Kandel, 1980 Kandel, Schwartz, 1982].
Четвертий тип калієвих каналів (М) був виявлений при дослідженні ефектів ацетилхоліну на мускаринові (атропін- чутливі) рецептори симпатичних нервів жаби [Brown, Odams, 1980].
Порушення, яке при цьому виникає, відрізняється від посилення активності нейрона, індукованого стимуляцією нікотинових рецепторів. Основна відмінність пов`язано з тією обставиною, що стимуляція мускаринових рецепторів супроводжується не підвищенням проникності мембрани, а її зменшенням за рахунок блокади калієвого струму. Цей ефект агоністів м-холінергічних рецепторів, в тому числі мускарину, був виявлений на різних об`єктах при вивченні симпатичних, коркових і гіппокампальних нейронів.
Досліджуючи блокуючу дію мускарину на калієві струми, за допомогою методу фіксації напруги на мембрані, Brown і Adams виявили особливий потенціал-чутливий калієвий струм як основну мету для дії мускарину (1м). Він відрізнявся від інших компонентів затриманого випрямляє струму. М-канали потенціалозавісіми- вони закриті при мембранному потенціалі менше - 60 мВ. При потенціалі, що перевищує - 60 мВ, відбувається сигмовидної збільшення провідності М-каналів. Мускарин в концентрації 10 мМ пригнічує 1м без впливу на затриманий виходить, що випрямляє струм. ТЕА не діє на М-калієвий струм і не посилює ефект мускарину (рис. 16). М-струм не змінюється під впливом 4-АП, а також іонів Ni2 +, який блокує вхід Са2 + в нейрон. Роль струму не ясна. Повторні спайки, які виникають в нервових клітинах під впливом мускарину, можуть залежати від уповільнення процесу деполяризаціїмембрани.
П`ятий тип калієвих каналів (S) виявлений при вивченні дії серотоніну на нейрони молюска [Klein, Kandel, 1980 Kandel, Schwartz, 1982]. При використанні методу фіксації напруги на мембрані було показано, що серотонін і цАМФ посилюють кальцієвий струм в тілах сенсорних нейронів молюска. Це збільшення струму кальцію могло залежати від прямого впливу на Са2 + -канали Або впливу на К + -канали. Спеціальне вивчення показало, Що аплікація серотоніну дає зменшення вихідного струму. Причому серотонін НЕ діє ні на один з чотирьох описаних вище калієвих струмів. Серотонін взаємодіє з ще одним типом калієвого каналу. На відміну від чотирьох попередніх каналів ток через, цей канал активується на рівні потенціалу спокою, не відразу інактивується, не залежить від входу Са2 + і не блокується іонами Ва2 +. За аналогією з М-каналом, описаним Brown, Adams, автори назвали його S-каналом.
Мал. 16. Порівняння дії тетраетіламмонія (ТЕА) (10 мМ) і мускарін- (10 мкм) на потенціали дії нейронів молюска (Л), фазу реполяризації (Б) і вольт-амперні характеристики усталеного струму (В) в умовах фіксації напруги на мембрані
А - представлені записи потенціалів дії, викликаних деполярізуется стимуляцією через єдиний мікроелектрод. ТЕА подовжує реполярізаціонную фаз5 ПД без зміни мембранного потенціала- мускарин деполяризує мембрану.
Б - реєстрація «хвоста» виходять струмів при підтримці потенціалу на рівні -50 мВ після деполяризующих стімулов- в останньому випадку виявляються два компонента струму - швидко і повільно падає струму, які залежать з відповідально від закриття затриманих К + -каналів і М-каналів- ТЕА пригнічує затриманий ток- мускарин зменшує амплітуду повільного М-струму.
В - вольт-амперні характеристики усталеного струму при підтримці потенціалу від -50 МВ- ТЕА глибоко пригнічує ток при значеннях мембранного потенціалу більш позитивному, ніж -30 МВ- мускарин вибірково блокує струм нижче -20 мВ [Brown, Adams, 1980]

До цих пір вважалося, що ворітної механізм іонних каналів може залежати або від потенціалу мембрани, або від хімічної активації, але не від обох активують факторів одночасно. Це положення підтверджувалося в усіх випадках-виняток становив хімічно збудливий ворітної механізм каналів нервово-м`язових синапсів, відкриття яких знаходиться в деякій залежності і від потенціалу мембрани. Kandel, Schwartz [1982] вважають, що канали IKS також мають подвійний регулюючий механізм - вони і потенціалозавісіми, і чутливі до медіатора. Їм властиві також два інших якості: а) вони розташовуються в синаптичних закінченнях і беруть участь в контролі вивільнення медіатора- б) подвійна регуляція калієвих каналів синаптичних терміналі призводить до незвичайної пластичності процесу викиду медіатора, який стає чутливим до дії обох модуляторні сигналів - електричного (потенціалу мембрани ) і хімічного (цАМФ).
Спеціальне вивчення цієї популяції калієвих каналів показало, що серотонін зменшує, ускладнює відкриття каналу, але не впливає на його провідність або селективність. Ускладнюючи відкриття калієвого каналу, серотонін зменшує його проникність і тим самим впливає на реполярізаціонную фазу ПД. Результатом такої дії серотоніну є продовження ПД на 10-20%. Останнє призводить до збільшення входу Са2 + в пресинаптическое волокно і потім до посилення вивільнення медіатора. Причому дуже невелике продовження потенціалу дії досить сильно позначається на величинах збудливих постсинаптичних потенціалів (ВПСП). Так, в разі серотоніну і цАМФ тривалість ПД пресинаптического волокна збільшується з 3,0 до 3,5 мс, а це, в свою чергу, призводить до збільшення ВПСП в 4 рази.
Все ж не можна вважати остаточно доведеним існування таких спеціалізованих калієвих каналів. Не виключено, що вони є одним з варіантів описаних раніше каналів. Неоднорідність калієвих каналів і відсутність чітких уявлень про їх розподілі добре демонструються при порівнянні калієвих струмів в нейронах і нервових волокнах. Так, в неміелінізірованних волокнах і перехоплення Ранвей мієлінових нервових волокон описуються потенціалозавісімие К + -канали. При цьому виділяються швидкі і повільні калієві струми через мембрану. Dubois [1981, 1983] вважає, що є підстави розділяти три типи калієвих каналів в перехопленні Ранвье. Повільний ток тривалістю в кілька сот мілісекунд не блокується 4-АП в широкому діапазоні концентрацій (10-7-10-2 М), в той час як швидка фаза струму пригнічується 4-аг1 (Кд = 10-5 М). Швидка калієва провідність розділяється на два компоненти. Один (GK) активується при потенціалі мембрани -80-30 мВ і інактивується повільно при х - 45 с, Е - 0 МВ- другий (GKf2) активується при -40 і +30 мВ. інактивується при г - 2 з (Е -0 mb, t- 12 ° С). Капсаїцин є виборчим блокатором другого компонента швидкого калієвого струму в перехопленні Ранвье.
Особливий інтерес представляють калієві канали внутрішнього, або аномального, випрямлення (inward-going rectifying), виявлені в яйцеклітинах морської зірки, скелетних м`язових волокнах амфібій, волокнах Пуркіньє ссавців, соматичної мембрані нейронів молюсків та ін. [Магура, 1981- Armstrong, 1974 Yeh et al., 1976]. Вони детально досліджені з використанням методу двоступеневого зміщення мембранного потенціалу і визначенням миттєвих вольтамперних характеристик, методу патча, іонів цезію, які блокують ці канали зовні. З`ясовано, що канали внутрішнього випрямлення регулюються позаклітинним вмістом іонів калію- вони активовані при потенціалі спокою і забезпечують постійний компонент високої калієвої проникності мембрани. Провідність іонів цими каналами є функцією електрорушійної сили для К +, а не мембранного потенціалу. Цей струм, спрямований всередину клітини, блокується зовнішнім застосуванням ТЕА, іонів цезію, блокаторами є іони Ва2 +, Na +, Rb +, високі концентрації 4-АП [Glover, 1982- Latorre, Miller, 1983]. В даний час вже описується кілька різновидів калієвих каналів внутрішнього випрямлення.
Необхідно відзначити, що термінологія щодо різних типів калієвих каналів ще не встановилася окончательно- нерідко різними термінами позначаються одні й ті ж компоненти калієвої провідності. Так, для короткочасних, швидких калієвих струмів у різних об`єктів застосовуються найменування «ток затриманого випрямлення» і «швидкі струми». Є підстави вважати, що мова йде про одну популяції калієвих каналів, функція яких полягає в основному в обмеженні тривалості потенціалу дії при коротких імпульсах. У той же час термін «затримані» нерідко застосовується для характеристики повільних калієвих струмів. Останні не завжди відокремлюються від Са2 + -залежних струмів, які в одних випадках розглядаються як компонент повільних струмів, а в інших - як особливий тип калієвих струмів. Такий стан пояснюється недостатністю знань, дефіцитом інформації про функціональне значення, фармакологічної регуляції різних типів калієвих каналів. У цих умовах природним є прагнення дослідників систематизувати накопичені факти і представити класифікацію каналів для калію.
Schwarz, Passow [1983] описали різні типи Са2 + -залежних калієвих каналів, які розрізняються за такими ознаками:

1. біологічні об`єкти, в яких вони виявлені;
2. концентрація іонів Са2 +, необхідна для їх активації;
3.  блокатори Са2 + -каналів (верапаміл, іони кобальту, марганцю, Д-600);
4.  блокатори К + -каналів (іони натрію, цезію, барію, ТЕЛ. хінін);
5. провідність одиночного каналу.

Цікаву систематизацію існуючих в мембранах іонних каналів пропонують Latorre і Miller [1983]:

1.  Іон-селективні канали - натрієвий, малі (міні) калієві канали - затриманого випрямлення і внутрішнього випрямлення, Са2 + -актівіруемие калієві канали деяких об`єктів, хлорніканали.

Б. валентність-селективні канали - Граміцидиновий, катіонні і аніонні канали ряду об`єктів-іонні канали ацетилхолінового і глутаматного рецепторів.

1.  Неселективні канали ряду біологічних об`єктів (Гемоціанін, порінов, аламетіціна).

Г. Великі (макси- калієві канали - саркоплазматического ретікулума- Са2 + -актівіруемие калієві канали деяких біологічних об`єктів (хромафінні клітини, гіпофіз щури, нейрони жаби і ін.).

Таблиця 37. Характеристика основних типів калієвих каналів

У цій класифікації звертає на себе увагу поділ калієвих каналів на великі (макси-) і малі (міні). Автори вважають, що все калієві канали побудовані однопланово: вони мають розширення ( «рот») на одному або обох кінцях, тунель і селективний фільтр. Великі і малі канали розрізняються па довжині тунелю, причому максі-канал має короткий і широкий тунель, а міні-канал - довгий і вузький. У зв`язку з цим вони характеризуються і різною провідністю іонів- перші відлітають високою швидкістю входу К * і високою максимальною провідністю, другі - низькою провідністю і високу селективність.

Підсумовуючи дані літератури і результати власних досліджень, вважаємо за доцільне запропонувати класифікацію калієвих каналів, яка відображає найбільш твердо встановлені до теперішнього часу факти (табл. 37). Не виключено, що подальший прогрес у цій галузі внесе корективи і уточнить, доповнить усталені уявлення. Крім цього, необхідно підкреслити кілька важливих положень, що стосуються тих функцій, в яких особлива роль належить калієвих каналів.

1. Основною функцією калієвих каналів є каталіз перенесення іонів калію через мембрану, що забезпечує у всіх живих клітинах існування різниці електричних потенціалів між внутрішньою і зовнішньою сторонами мембрани. Виконання цієї функціональної ролі забезпечується за рахунок високої провідності і високій селективності цих каналів.
2. Крім такої потенціалообразующей ролі, калієві канали беруть участь в процесі деполяризаціїмембрани Електровозбудімость клітин, прискорюючи реполяризацию і як би повертаючи потенціал до рівня спокою. У більш рідкісних випадках деполяризація мембрани може відбуватися за рахунок зменшення калієвої проникності.
3. Сказаним визначається та особлива роль, яку відіграє зміна калієвої проникності мембрани в забезпеченні багатьох фізіологічних процесів, зокрема проведення збудження в нервових і м`язових клітинах, виробленні ритмів в нейрональних і серцевих пейсмекером, секреції гормонів залозистими клітинами і медіаторів нервовими закінченнями, деяких видах рецепції (наприклад , світла), процесів пам`яті та багатьох інших, ще не до кінця з`ясованих.
4. Множинність каналів, що регулюють калиевую провідністьмембрани, свідчить про особливу пластичності цієї функції мембрани. Різноманітність калієвих каналів знаходить своє відображення і в різній чутливості до фармакологічних агентам, блокаторів. Це відкриває важливі перспективи виборчого впливу на різні компоненти калієвої провідності і тим самим на ті процеси, в яких вони беруть участь.

Хоча інформація про блокатори калієвих каналів в даний час ще носить незавершений характер, йде накопичення фактичного матеріалу, практично важливо оцінити отримані дані і визначити найбільш перспективні напрямки подальших досліджень.
Всі відомі блокатори калієвих каналів можна з достатньою часткою умовності розділити на виборчі і не вибіркові. До останньої групи відносять іони лужних металів, в першу чергу цезій, ТЕА, алкалоїд спартеїн. До першої групи слід віднести 4-АП та споріднені за хімічною структурою і ефектів сполуки, фенциклидин, капсаїцин, а також блокатори Са2 + -залежних калієвих каналів - хінін, апамин, фуросемід.

олігоміцін, червоний рутеній, деривати дікарбоціаніна, препарати, що взаємодіють з кальмодулином, і ін.
В даний час відомості про фізіологічні наслідки гальмування калієвої провідності мембрани носять ще фрагментарний характер. Відсутні дані про особливості біологічних ефектів блокаторів, взаємодіючих з різними типами калієвих каналів. Для всіх них описується недиференційована здатність затягувати реполярізаціонную фазу ПД, подовжувати потенціал дії, індукувати повторні ПД.
У найбільш повною мірою досліджені фізіологічні і фармакологічний ефекти 4 амінопіридину і споріднених сполук. Наш досвід дослідження цих груп з`єднань дає підстави віднести їх до стимуляторів процесу збудження нового типу, який відкриває особливі можливості модуляції функцій нервових, м`язових, деяких залізистих тканин. Тому доцільно більш детально зупинитися на особливостях фізіологічного дії цих речовин.