Національна Академія Наук України

Інститут фізіології імені О.О. Богомольця

УДК 612.816.7.04.3:612

БОЙКО НІНА ЯРОСЛАВІВНА

Модулюючий вплив зміни позаклітинної концентрації йонів калію на
властивості потенціал-керованої калієвої провідності клітин
феохромоцитоми щура рс-12

03.00.02 – біофізика

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Київ 2005 Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі загальної фізіології нервової системи

Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця
НАН України

Науковий керівник: академік НАН України, доктор біологічних наук

Магура Ігор Сільвестрович

Інститут фізіології ім. О.О.
Богомольця НАН України

провідний науковий співробітник

відділу загальної фізіології
нервової системи

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук

Лозова Наталія Олексіївна

Інститут фізіології ім. О.О.
Богомольця НАН України

провідний науковий співробітник

відділу фізико-хімічної біології
клітинних мембран

доктор фізико-математичних наук

Харкянен Валерій Миколайович

Інститут фізики НАН України

завідувач відділом фізики
біологічних систем

Провідна установа: Київський національний університет імені Тараса
Шевченка,

м.Київ

Захист відбудеться 07.06. 2005 р. о 14 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д-26.198.01 при Інституті фізіології ім.
О.О. Богомольця НАН України за адресою: 01601, м.Київ, вул.Богомольця,4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту фізіології ім.
О.О. Богомольця НАН України за адресою: 01601, м.Київ, вул.Богомольця,4.

Автореферат розісланий 05.05. 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор біологічних наук
Сорокіна-Маріна З.О. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Калієві канали — це велика група макромолекул, що
формують пори, які переважно проникні для іонів калію. Це найбільш
різноманітний клас іонних каналів, зважаючи на їх структуру і функцію.
Вони відіграють значну роль у широкому колі клітинних функцій, включаючи
збудливість, секрецію, іонний транспорт, осмотичну регуляцію, чутливість
до кисню (Choe, 2002; MacKinnon, 2003).

Упродовж останніх десяти років були клоновані десятки калієвих каналів.
Досягнуто значного прогресу у вивченні їх біохімічних та біофізичних
характеристик. Усі повністю розшифровані геноми еукаріот, еубактерій та
архебактерій мають принаймні один ген, що кодує калієвий канал (Miller,
2000).

Калієві канали присутні практично у всіх типах клітин всіх організмів,
де вони включаються у різноманітні фізіологічні функції та
патофізіологічні процеси. Різноманіття електричної активності різних
типів клітин може бути частково обумовлене вибірковою експресією
комбінації калієвих каналів з різними властивостями (Hille, 1992;
Магура, 2002).

Молекулярний аналіз наслідків різних неврологічних захворювань, в тому
числі хвороби Альцгеймера, дозволив виявити зміни у регуляції та
функціонуванні калієвих каналів. Генетичні захворювання людини, такі як
деякі різновиди серцевої аритмії, глухота, епілепсія, діабет, розлад
регуляції кров’яного тиску можуть бути результатом змін в генах калієвих
каналів. З деякими варіаціями зовнішньоклітинної концентрації іонів
калію пов’язують патогенез епілепсії та електричну нестабільність серця
після гострої ішемії (Miller, 2000; Breitwieser, 1996).

За трансмембранною топологією калієві канали є тетрамерами, їх поділяють
на два основних класи: потенціалкеровані калієві канали з альфа
субодиницею, що складається із шести трансмембранних спіралей, та
калієві канали вхідного випрямлення з двома трансмембранними спіралями
(MacKinnon, 2003; Yellen, 1998).

Дослідження з використанням гетерологічної експресії показали, що
об’єднання різних типів (-субодиниць в гетеромультимерний комплекс може
брати участь у формуванні різноманіття калієвих каналів.

Калієвий канал є мультийонною порою: в ній одночасно може перебувати три
іони калію. Один іон розташовується в центрі заповненої водою порожнини,
інші іони знаходиться у вузькому сегменті, що прилягає до
зовнішньоклітинного устя пори каналу. Цей вузький сегмент є селективним
фільтром, його амінокислотна послідовність збереглася у всіх калієвих
каналах протягом тривалої еволюції (Hodgkin et al., 1955; Hille et al.,
1978).

Усі калієві канали мають практично ідентичну вибірковість. Як правило,
селективність пори іонного каналу постійна. Однак, дослідження останніх
років показали, що деякі калієві канали в певних умовах можуть змінювати
свою іонну селективність, стаючи проникними для іонів, які в звичайних
умовах не здатні проходити через канал (Korn, 1995 et al.).

Інактивацію калієвих каналів за молекулярними механізмами поділяють на
швидку N–типу та повільну С-, P/С- і U-типів. Найбільш вивченим є
механізм швидкої інактивації N-типу, що здійснюється за принципом
“кулька на ланцюжку”. Він пов’язаний з невеликою групою амінокислотних
залишків у NH2-кінцевій послідовності, яка перекриває
внутрішньоклітинний вхід активованого калієвого каналу (Armstrong et
al., 1977; Liu et al., 1998). Механізми С-, P/С- і U-типів інактивації
пов’язані з конформаційними змінами зовнішнього устя каналу.
Молекулярний механізм повільної інактивації залишається практично не
вивченим (Klemic et al., 1998).

На нейронах молюсків було продемонстровано, що під час ритмічної
генерації потенціалів дії у міжімпульсних інтервалах відбувається
подальший розвиток інактивації калієвих каналів. Така прогресуюча
інактивація отримала назву кумулятивної. Вона може значно міняти
сигнальні властивості клітини, а також має безпосереднє відношення до
механізмів короткочасної пам’яті (Magura et al., 1973; Aldrich, 1981).

Вивчення механізмів кумулятивної інактивації пов’язане з вивченням ролі
іонів калію у феноменах повільної інактивації, що залежить від стану
каналу.

В свій час Ходжкін та Франкенхойзер показали існування примембранного
простору в гігантському аксоні кальмара, в якому при ритмічній генерації
потенціалів дії можуть накопичуватись іони калію, сягаючи концентрацій
10-30 мМ. Такі високі зовнішньо-клітинні концентрації іонів калію можуть
викликати значну деполяризацію нервових клітин, а також здійснювати
модулюючий вплив на властивості калієвої провідності цих клітин
(Frankenhaeuser et al., 1956).

Для вивчення дії модулюючих факторів на калієву провідність широко
застосовують клітини феохромоцитоми щура РС-12, оскільки
потенціалкерована калієва провідність клітин PC-12 є домінуючою, що
дозволяє використовувати ці клітини як адекватну модель для дослідженя
впливу зміни позаклітинної концентрації іонів калію на властивості
потенціалкерованої калієвої провідності.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана
в рамках наукової програми відділу загальної фізіології нервової системи
Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України: “Молекулярні
механізми інтегративної функції нервових клітин в нормі та при мозковій
патології”, а також за підтримки Державного Фонду Фундаментальних
Досліджень України (грант 5.4/321).

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягала у вивченні впливу змін
позаклітинної концентрації іонів калію на властивості інтегральної
потенціалкерованої калієвої провідності нейронів. Головними завданнями
було:

З’ясувати вплив зростання позаклітинної концентрації іонів калію на
процеси інактивації та виходу з інактивації калієвої провідності клітин
РС-12.

Дослідити вплив зміни позаклітинної концентрації іонів калію на процеси
активації калієвої провідності клітин РС-12.

З метою вивчення конформаційних змін у зовнішньому усті калієвих каналів
з’ясувати вплив зміни позаклітинної концентрації іонів калію на
ефективність дії блокатора калієвих каналів тетраетиламонію (ТЕА), який
широко використовують для вивчення цих каналів.

Об’єкт дослідження – потенціалкерована калієва провідність клітин
феохромоцитоми щура РС-12.

Предмет дослідження – модулюючі впливи іонів калію на особливості
воротних механізмів інтегральної потенціалзалежної калієвої провідності
клітин РС-12.

Методи дослідження. Був застосований метод “петч-клемп” на цілій клітині
для отримання інформації щодо модулюючих впливів проникаючих іонів на
властивості потенціалкерованих калієвих каналів.

Наукова новизна одержаних результатів. Отримані дані про вплив зміни
зовнішньоклітинної концентрації іонів К+ на властивості
потенціалкерованої К+ провідності клітин феохромоцитоми щура РС-12.

Продемонстровано вплив зростання позаклітинної концентрації іонів калію
на на процеси інактивації та виходу з інактивації калієвої провідності
клітин РС-12.

Продемонстровано вплив зміни зовнішньоклітинної концентрації іонів калію
на процеси активації калієвої провідності клітин РС-12.

Вперше встановлена різноспрямована дія зовнішньоклітинної концентрації
іонів калію на ефективність дії блокатора калієвих каналів
тетраетиламонію (ТЕА).

Практичне значення одержаних результатів. Отримані дані мають як
теоретичне так і практичне значення, оскільки сприяють більш глибокому
розумінню будови, функціонування та фізіологічної ролі
потенціал-керованих калієвих каналів. Ці дані дають підстави для
ствердження, що калієві канали можуть бути тими структурами клітини, що
реагують на зміни зовнішньоклітинної концентрації іонів калію, модулюючи
активність клітин, та дозволяють клітинам адекватно реагувати на такі
зміни. Результати досліджень можуть бути використані при викладанні
курсу біофізики для спеціалістів і студентів біологічних і медичних
спеціальностей.

Особистий внесок здобувача. Всі електрофізіологічні експерименти,
описані в роботі, обробка експериментального матеріалу були виконані
автором особисто. Культивування клітинної лінії РС-12 проводилося
старшим науковим співробітником Інституту фізіології ім. О.О.Богомольця
НАН України, к.б.н. Погорєлою Н.Х. Обговорення результатів досліджень,
планування експериментів та формулювання висновків проводилося разом з
науковим керівником академіком, доктором біологічних наук, професором
Магурою І.С.

Апробація результатів дисертації. Загальні положення роботи доповідалися
на ювілейній конференції, присвяченій 50-річчю Інституту фізіології
Національної академій наук Білорусії (Мінськ, Білорусія, 7-8 жовтня 2003
р.), конференції молодих вчених “Перспективні напрями досліджень
сучасної фізіології” (Київ, Україна, 17-18 листопада 2004 р.), на
установчому з’їзді Українського товариства клітинної біології (Львів,
Україна, 25-28 квітня 2004 р.), а також на I Українській науковій
конференції “Проблеми біологічної і медичної фізики” (Харків, Україна,
20-22 вересня 2004 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 7 робіт, з яких 3 —
статті у наукових фахових журналах, 4 — тези доповідей на з’їздах та
конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із
вступу, огляду літератури, опису матеріалів та методів досліджень,
результатів власних досліджень та їх обговорення, підсумкових висновків
та переліку використаної літератури із 163 джерел. Роботу викладено на
138 сторінках друкованого тексту, вона містить 19 рисунків.

Матеріали і методи дослідження.

Моделлю для вивчення модулюючого впливу змін позаклітинної концентрації
іонів калію на властивості потенціалкерованої калієвої провідності була
використана лінія клітин феохромоцитоми щура РС-12.

Культивування лінії клітин здійснювалося за наступною методикою. Клітини
вирощували в моношарі в пластикових флаконах Карреля (25 мл) і
пасивували через кожні 3-4 доби у співвідношенні 1:3. Середовище
культивування: 85% RPMI-1640 (Sigma, USA, pH=7,4) з 10%
термоінактивованої кінської сироватки (Sigma, USA) та 5% ембріональної
сироватки великої рогатої худоби (Sigma, USA).

Культуру клітин вирощували в СО2-інкубаторі у зволоженому газовому
середовищі з 5% СО2 при температурі +370С. Для досліджень клітини
механічно знімали з флакона в кінці лагперіоду (приблизно 24 години),
поміщали в пластикові чашки Петрі (5мл) та культивували близько однієї
години для прикріплення клітин до субстрату чашки. Перед дослідженнями
культуральне середовище замінювалося на відповідний розчин.

Розчини, застосовувані в експерименті. При електрофізіологічних
дослідженнях модулюючого впливу зміни позаклітинної концентрації іонів
калію на властивості потенціалкерованої калієвої провідності клітини
РС-12 культуральне середовище замінювали позаклітинним розчином такого
складу (мМ): NaCl — 140, KCl – 5, CaCl2 – 2, MgCl2 – 1, глюкоза – 10,
Tris-Cl – 10 (pH=7,4). При дослідженні інтегральних струмів піпетки
заповнювалися розчином, що містив (у мМ): KCl — 135, NaCl — 5, CaCl2 —
2, MgCl2 — 2, EGTA — 5, Tris-Cl – 10 (pH=7,4).

Зміна іонного складу зовнішньоклітинного розчину для отримання
підвищених концентрації іонів K+ проводилося шляхом заміни у
позаклітинному розчині еквівалентної кількості NaCl на KCl. Спеціальний
розподільник розчинів дозволяв багаторазово замінювати один
зовнішньоклітинний розчин іншим, залишаючи мікро-електрод у клітині
протягом всього досліду. Надлишок розчину видалявся з камери насосом.

Для виявлення конформаційних змін зовнішнього устя калієвих каналів
РС-12 використовували часткове блокування каналів іонами тетраетиламонію
(ТЕА) шляхом безпосереднього додавання ТЕА до зовнішньоклітинного
розчину.

Усі досліди проводились при кімнатній температурі близько +200С.

Методика проведення експериментів. Для досліджень інтегральних іонних
струмів використовували метод “петч-клемп” у конфігурації відведення від
цілої клітини. Він дозволяє в умовах фіксування напруги здійснювати
реєстрацію струмів через усю поверхню клітини, робити вимірювання на
клітинах діаметром до 10 мкм, ефективно контролювати іонний склад
внутрішньоклітинного середовища та робити ін’єкції досліджуваних
речовин.

При контакті піпетки з клітиною короткочасно прикладали невеликий
від’ємний тиск, що забезпечувало утворення щільного контакту поверхні
клітини зі стінками піпетки. Частина мембрани в середині піпетки
руйнувалася прикладенням невеликого від’ємного тиску. Встановлювався
прямий електричний контакт із внутрішньоклітинним вмістом клітини, що
давало можливість проводити необхідні вимірювання.

При електрофізіологічних дослідах для компенсації ємнісних артефактів
застосували метод P/4. Для отримання попередніх результатів був
застосований метод «ramp-clamp» (пилкоподібний імпульс напруги), що
дозволяє отримати “квазі” вольт-амперну характеристику.

Склянні мікропіпетки виготовлялися в дві стадії з легкоплавких (натрієве
скло) трубок діаметром 1,5 мм, що містили всередині капіляр для швидкого
заповнення мікропіпетки. Контроль якості мікропіпеток проводився
візуально під світловим мікроскопом. Опір отриманих піпеток, заповнених
вищенаведеними розчинами, мав складати 1-3 МОм, що відповідає діаметру
отвору кінчика піпетки близько 1-2 мкм.

Реєстрація даних і обробка результатів. Напруга, пропорційна виміряному
струму, з перетворювача “струм-напруга” підсилювалася і надходила на
контрольний осцилограф, цифровий універсальний вольтметр і
аналогово-цифровий перетворювач ПЕОМ. Дані в цифровому вигляді
зберігалися для обробки в ПЕОМ. Режим функціонування ЦАП-АЦП (частота,
амплітуда та інші параметри стимуляції) контролювався ПЕОМ. Програмне
забезпечення для керування ЦАП-АЦП написано мовою Турбо Паскаль з
елементами мови Ассемблер під операційну систему MS-DOS.

Статистична обробка даних проводилась на ПЕОМ із використанням Microcal
Origin v.7.0 (Microcal Software, Inc., Northampton, MA, USA).

Результати досліджень

Вплив підвищених концентрацій зовнішньоклітинних іонів калію на процес
інактивації калієвих каналів. На реєстраціях калієвих струмів (рис. 1),
отриманих при зовнішньоклітинних концентраціях іонів калію 5 та 20 мМ і
зміщеннях мембранного потенціалу від підтримуваного потенціалу –80 мВ до
потенціалу –30 +20 мВ із кроком 10 мВ тривалістю 3 с, спостерігається
зменшення амплітуди струму при збільшенні зовнішньоклітинної
концентрації іонів калію за рахунок зменшення рушійної сили та значне
прискорення кінетики процесу інактивації.

Отримані постійні часу інактивації при зовнішньоклітинних концентраціях
іонів калію 5 та 20 мМ, наведені на рис. 2. Важливо підкреслити не
тільки значне прискорення процесу інактивації при збільшенні
концентрації іонів калію у зовнішньо-клітинному розчині, але й зменшення
потенціалзалежності процесу інактивації. З наукових джерел відомо, що
така поведінка притаманна потенціалкерованим калієвим каналам Кv2.1 і
Кv3.1.

Вплив процесу інактивації на селективність калієвих каналів. У процесі
повільної інактивації відбуваються складні структурні перебудови
зовнішнього устя та селективного фільтра каналу, які призводять до змін
його селективності. Відкритий високовибірковий калієвий канал під час
розвитку повільної інактивації стає менш проникним для іонів калію з
одночасним збільшенням проникності для іонів натрію. Така зміна
селективності призводить до зміщення потенціалу нульового струму.

Для виявлення можливих змін селективності в процесі інактивації
калієвих каналів клітин РС-12 були проведені реєстрації струмів з
використанням двоступінчатих деполяризуючих зміщень мембранного
потенціалу (рис. 3). Перше зміщення мембранного потенціалу від
підтримуваного потенціалу -80 мВ до +20 мВ тривалістю 20 мс активувало
канали, а тривалістю 1000 мс – активувало та частково інактивувало
канали. Струми, отримані при другому зміщення мембранного потенціалу в
межах від -50 мВ до 0 мВ з кроком 10 мВ і тривалістю 500 мс,
використовувалися для побудови миттєвих вольт-амперних характеристик в
умовах відсутності інактивації та при її частковому розвитку. Як видно з
рис. 4, в процесі інактивації значного зміщення потенціалу нульового
струму не спостерігалося. Це є ознакою того, що калієві канали клітин
РС-12 упродовж інактивації помітно не змінювали своєї селективності.

Потенціалзалежність процесу інактивації калієвих каналів та вплив на неї
високих концентрацій зовнішньоклітинних іонів калію. З наукових джерел
відомо про інший тип повільної інактивації – інактивацію U-типу, яка
була виявлена в калієвих каналах Кv2.1 та Кv3.1.

При дослідженні потенціалзалежності процесу інактивації калієвих
каналів клітин РС-12 було отримано характерну для U-типу інактивації
U-подібну криву залежності (рис. 5). На цьому рисунку представлена
залежність відношення струму в кінці імпульсу до пікового значення
струму, зображеного на рис. 1, від мембранного потенціалу при
зовнішньоклітинних концентраціях іонів калію 5 та 20 мМ. У нормі
спостерігається U-подібна залежність процесу інактивації від мембранного
потенціалу, тоді як при збільшеній зовнішньоклітинній концентрації іонів
калію така U-подібна залежність була менш вираженою.

Вплив підвищених концентрацій зовнішньоклітинного калію на процес
виходу з інактивації калієвих каналів. Процеси інактивації та виходу з
інактивації пов’язані між собою. Тому також вивчався процес виходу
калієвих каналів з інактивації і вплив на цей процес підвищених
концентрацій іонів калію у позаклітинному розчині. На плазматичну
мембрану подавали послідовно два деполяризуючі імпульси від
підтримуваного потенціалу -80 мВ до +20 мВ тривалістю 1000 мс з
інтервалом 500 мс. Під час першого імпульсу розвивався процес
інактивації, у проміжку між імпульсами мав місце процес виходу з
інактивації. Максимум струму, зареєстрованого під час другого імпульсу,
дозволяв оцінити ступінь виходу з інактивації. Тривалість імпульсу
напруги та їх частота вибиралися такою, щоб до певної міри розвивалися
процеси інактивації та виходу з неї. Відповідні калієві струми показані
на рис. 6. Кінетика процесів інактивації та виходу з інактивації більш
виражена при підвищеній концентрації зовнішньоклітинного калію. Важливо
відзначити, що в контролі на протязі реполяризації спостерігається
подальший розвиток інактивації. Цей процес має назву кумулятивної
інактивації, і, відповідно до наукових джерел, пов’язаний з U-типом
інактивації.

Вплив підвищених концентрацій зовнішньоклітинного калію на процес
активації калієвих каналів. З наукових джерел відомо, що зовнішнє устя
калієвого каналу бере участь як у процесі інактивації, так і активації.
Щоб виявити можливий вплив проникаючих іонів на процес активації, пікові
значення з реєстрацій калієвих струмів, зображених на рис. 1,
використовували для побудови залежності нормованої провідності калієвого
струму від мембранного потенціалу при різних концентраціях іонів калію у
зовнішньоклітинному розчині (рис. 7). При підвищених зовнішньоклітинних
концентраціях К+ спостерігається збільшення чутливості процесу активації
до змін мембранного потенціалу та зміщення активаційної кривої в сторону
більш від’ємних значень. Постійні часу активації калієвого струму,
наведені на рис. 8, свідчать про значне зменшення потенціалчутливості
кінетики процесу активації в умовах збільшеної зовнішньоклітинної
концентрації іонів калію.

Вплив підвищених концентрацій зовнішньоклітинного калію на блокування
калієвих каналів іонами тетраетиламонію. З метою виявлення
конформаційних змін зовнішньоклітинного устя калієвого каналу,
обумовлених зв’язуванням іона калію з локусом зовнішнього устя каналу,
ми використовували зовнішньоклітинне блокування калієвих каналів
тетраетиламонієм (ТЕА). Протягом багатьох років іони ТЕА використовують
для вивчення властивостей калієвих каналів. ТЕА має здатність блокувати
калієві канали, перебуваючи у внутрішньоклітинному чи
зовнішньоклітинному середовищі. Відомо, що при відсутності іонів калію у
зовнішньоклітинному розчині, коли відбуваються конформаційні зміни
зовнішнього устя каналу і канал стає проникним для іонів натрію,
зовнішньоклітинні іони ТЕА втрачають здатність блокувати канали. Місце
зв’язування ТЕА розташоване в зовнішньоклітинному усті каналу недалеко
від локусу зв’язування іону калію, а його спорідненість до іону ТЕА
значно змінюється при конформаційних змінах устя каналу. Для виявлення
таких змін були проведені реєстрації калієвих струмів клітин РС-12,
отриманих у відповідь на прямокутне деполяризуюче зміщення мембранного
потенціалу від підтримуваного потенціалу -80 мВ до +20 мВ тривалістю 1
с, при наявності у зовнішньоклітинному розчині 3 мМ ТЕА та при
зовнішньоклітинних концентраціях К+ від 5 мМ (норма) до 40 мМ.
Максимальні значення струмів нормували на максимум струму при 5 мМ К+ та
використовували для побудови залежності струму, частково блокованого
іонами ТЕА, від зовнішньої концентрації іонів калію (рис. 9). На рисунку
видно, що при збільшенні зовнішньої концентрації К+ від норми до 20 мМ у
присутності ТЕА амплітуда струму менша, ніж була б при зменшенні тільки
рушійної сили. Така поведінка свідчить про збільшення ефективності
блокуючої дії ТЕА. При подальшому зростанні концентрації К+
спостерігається протилежний ефект, обумовлений зменшенням здатності
іонів ТЕА блокувати калієві канали. Слід відзначити, що при
зовнішньоклітинних концентраціях К+ 30 мМ і більше відбувається
розблокування долі калієвих каналів, які в нормі були заблоковані. Такий
феномен може бути результатом двох процесів: конформаційних змін
зовнішнього устя каналу, викликаних збільшенням концентрації іонів
калію, і конкуренцією іонів калію та ТЕА за місце зв’язування. Цей
феномен також потенціалзалежний. Значення з реєстрацій калієвих струмів,
зображених на рис. 9, використовували для розрахунку калієвої
провідності. Отримані провідності нормували на значення провідності при
5 мМ К+ і будували залежність нормованих провідностей від
зовнішньоклітинної концентрації іонів калію при значеннях мембранного
потенціалу -10, +10 та +20 мВ (рис. 10).

Оскільки при блокуванні каналу електричне поле не діє на іон ТЕА, то
потенціалзалежність блокуючої дії ТЕА може бути результатом впливу
мембранного потенціалу на заряджені структури каналу (наприклад сегмент
S4) чи на потік іонів через канал. Заряджені структури можуть міняти
конформацію зовнішнього устя каналу за рахунок алостеричних впливів, а
потік іонів через канал може або конкурувати з ТЕА за місце зв’язування,
або також безпосередньо впливати на зовнішнє устя каналу.

Вплив блокування калієвих каналів зовнішньоклітинними іонами ТЕА на
кінетику процесу інактивації. Оскільки місце зв’язування іонів ТЕА
розташоване в зовнішньому усті каналу поблизу місця зв’язування іонів
калію, то іони ТЕА можуть викликати ефекти, подібні до тих, що
викликають іони калію.

На реєстраціях калієвих струмів (рис. 11), отриманих при
зовнішньоклітинних концентраціях іонів ТЕА 0, 3, 6, 9 та 12 мМ та
зміщенні мембранного потенціалу від підтримуваного потенціалу –80 мВ до
потенціалу +20 мВ тривалістю 1 с, спостерігається прискорення процесу
інактивації. Щоб більш чітко виявити зміни в кінетиці струмів, вони були
нормовані.

На рис. 12 представлена залежність постійної часу інактивації від
зовнішньоклітинної концентрації іонів ТЕА, яка демонструє значне
прискорення процесу інактивації при збільшенні концентрації іонів ТЕА у
зовнішньому розчині. При концентрації іонів ТЕА більш ніж 9 мМ процес
досяг деякого насичення, тобто ймовірність перебування іона ТЕА у місці
зв’язування сягає 100 відсотків.

ОБГОВОРЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ

Представлені експериментальні дані характеризують механізми, що
обумовлюють вплив зміни позаклітинної концентрації іонів калію на
властивості інтегральної потенціалкерованої калієвої провідності клітин
феохромоцитоми щура РС-12. Калієва провідність цих клітин може
визначатися калієвими каналами п’яти типів, оскільки в геномі клітин
PC-12 були ідентифіковані альфа-субодиниці двох каналів з родини Shaker
(Kv1.2 та Kv1.3), а також калієвих каналів Kv2.1, Kv3.1 та Kv3.2 (Hoshi
et al, 1988). Експресія різних типів калієвих каналів в цих клітинах
динамічно регулюється, і роботу цих каналів слід розглядати як єдину
систему з властивостями, що можуть значно відрізнятися від властивостей
окремих типів калієвих каналів.

При реєстрації інтегральних калієвих струмів клітин РС-12, процес
інактивації одноекспоненційно залежав від часу. За часовими
характеристиками таку інактивацію було ідентифіковано як повільну.

»

*

6

? ^

»

6

d

ae

-каналів. Він здійснюється за механізмом “кулька на ланцюжку”:
N–кінцевий домен білка діє як структура, що закриває відкриту пору
зсередини (Armstrong et al., 1977; Liu et al., 1998). У процесі
повільної інактивації С-типу бере участь зовнішній вхід в канал (Kiss et
al, 1999).

Під час повільної інактивації певні канали можуть перебувати в трьох
конформаційних станах: відкритому стані, що має велику селективність для
іонів калію; стані, менш проникному для іонів калію і більш проникному
для іонів натрію, та закритому стані. Проміжний стан є нестабільним.
Така інактивація була названа інактивацією Р/С-типу. У процесі
інактивації Р/С-типу бере участь селективний фільтр каналу. Також в
калієвих каналах Kv2.1 і Kv3.1 спостерігали повільну інактивацію U-типу,
що характеризується U-подібною потенціалзалежністю. Але механізми цієї
повільної інактивації та її властивості поки не вивчені (Klemic et al,
2001).

Характерні часи розвитку швидкої інактивації складають десятки
мілісекунд, що не дозволяє ідентифікувати інактивацію калієвої
провідності клітин феохромоцитоми РС-12 як швидку ні в нормі, ні при
підвищених зовнішньоклітинних концентраціях іонів калію. Також відомо,
що наявність у зовнішньоклітинному розчині іонів ТЕА не впливає на
швидку інактивацію N-типу, на відміну від повільної інактивації. Тому,
за винятком окремих випадків, інактивація калієвої провідності клітин
феохромоцитоми РС-12 належить до одного з типів повільної інактивації.

Щоб визначити, до якого з відомих типів повільної інактивації може
належати інактивація калієвої провідності клітин феохромоцитоми РС-12,
необхідно розглянути, які типи повільної інактивації притаманні калієвим
каналам, що можуть експресуватися в клітинах феохромоцитоми РС-12, та
порівняти їх поведінку з тією, що мала місце в експериментах.

Найбільш вивченими є калієві канали типу Shaker (Kv1). Їм притаманна
класична повільна інактивація С-типу та повільна інактивація Р/С-типу.
Швидкість як С-типу так і Р/С-типу повільної інактивації зменшується при
підвищенні зовнішньоклітинної концентрації іонів калію, на відміну від
прискорення процесу інактивації в клітинах феохромоцитоми РС-12.
Наявність ТЕА у зовнішньоклітинному розчині впливає на властивості
повільної інактивації С-типу. Ймовірно, інактивація калієвої провідності
клітин феохромоцитоми РС-12 не належить ні до С-, ні до Р/С-типу
інактивації, а калієві канали типу Shaker (Kv1) не є складовою частиною
цієї провідності.

З групи калієвих каналів типу Kv2 найбільш вивченими є Kv2.1. З наукової
літератури відомо, що підвищення зовнішньоклітинної концентрації іонів
калію прискорює процеси повільної інактивації та виходу з інактивації в
цих каналах (Klemic et al., 1998). Ці процеси дуже потенціалзалежні.
Потенціалзалежність процесу повільної інактивації U-подібна, що є однією
з ознак повільної інактивації U-типу. За нормальних умов калієвим
каналам Kv2.1 притаманна кумулятивна інактивація. Наявність в
зовнішньоклітинному розчині іонів ТЕА суттєво не впливає на процес
повільної інактивації калієвих каналів Kv2.1. Порівнюючи властивості
калієвих каналів Kv2.1 і поведінку калієвої провідності клітин
феохромоцитоми РС-12, можна знайти багато спільного. U-подібна
потенціалзалежність процесу повільної інактивації калієвої провідності
клітин феохромоцитоми РС-12 дозволяє припустити, що це інактивація
U-типу. Щодо відмінностей у дії ТЕА, то це може бути як результатом
певної модифікації калієвих каналів Kv2.1 в клітинах феохромоцитоми
РС-12, так і іншим типом калієвого каналу, що обумовлює калієву
провідність клітин феохромоцитоми РС-12.

Повільна інактивація калієвих каналів типу Kv3.1 та Kv3.2 дуже подібна
до повільної інактивації калієвих каналів типу Kv2.1.

У калієвих каналах Kv3.1 процес інактивації прискорюється при збільшенні
зовнішньоклітинної концентрації іонів калію, але не впливає на кінетику
виходу з інактивації (Klemic et al., 2001). Процеси інактивації та
виходу з інактивації дуже потенціалзалежні; потенціалзалежнісь
інактивації U-подібна і може бути ідентифікована, як U-тип повільної
інактивації. В нормальних умовах калієвим каналам Kv3.1 притаманна
кумулятивна інактивація. На відміну від Kv2.1, в Kv3.1 підвищення
зовнішньоклітинної концентрації іонів ТЕА прискорює процес повільної
інактивації і не впливає на процес виходу з інактивації. Як і у випадку
з калієвими каналами Kv2.1, між властивостями калієвої провідності
клітин РС-12 та калієвими каналами Kv3.1 є багато спільного, але є і
відмінність. Вона полягає в тому, що збільшення зовнішньоклітинної
концентрації іонів калію не впливає на процес виходу з інактивації
калієвих каналів Kv3.1. Тому не можна з впевненістю сказати, що калієві
канали Kv3.1 обумовлюють калієву провідність в клітинах РС-12.

Незважаючи на деяку подібність, властивості калієвих каналів Kv2.1 та
Kv3.1 значно відрізняються. Струм через калієві канали Kv3.1 ефективно
блокується при введенні у внутрішньоклітинний розчин 4-амінопіридину,
тоді як калієві канали Kv2.1 до нього не чутливі. Провідність Kv3.1 в 3
рази більша від Kv2.1. Kv3.1 ефективно блокується при введенні ТЕА у
зовнішньоклітинний розчин, а Kv2.1 – при введенні у внутрішньоклітинний
розчин. Струм через калієві канали Kv2.1 майже не чутливий до змін
рушійної сили при змінах зовнішньоклітинної концентрації іонів калію.

Вплив іонів TEA та іонів калію на повільну інактивацію – це алостеричний
ефект, який залежить від стану каналу. Локус зв’язування ТЕА
розташований в зовнішньому усті каналу і утворений певною групою
амінокислот в структурі зовнішнього устя (Heginbotham et al, 1992).
Відомо, що локуси зв’язування іонів калію, які розташовані в зовнішньому
усті каналу, можуть впливати на кінетику повільної інактивації С-типу
(Kiss et al., 1999). Значну роль в чутливості повільної інактивації
U-типу до позаклітинної концентрації іонів калію відіграє зовнішнє устя
каналу, а не селективний фільтр.

Оскільки локус зв’язування іонів калію є частиною механізму провідності,
то на цей локус впливають не лише зовнішні іони, але й потік іонів через
канал та всі інші фактори, здатні змінювати цей потік (мембранній
потенціал, процес активації і т.ін.). Вплив процесу активації може бути
обумовлений тим, що при відкритому стані каналу на структури пори каналу
діє висока внутрішньоклітинна концентрація іонів калію, при закритому –
мала зовнішньоклітинна. За допомогою рентгеноструктурного аналізу було
показано існування двох різних конформаційних станів селективного
фільтру при низьких та високих концентраціях іонів калію. При низьких
концентраціях стан селективного фільтру характеризували як непровідний.
Заселеність локусу іонами калію також визначається афінністю локусу до
цих іонів, яка не є постійною (MacKinnon, 2003).

Молекулярні механізми, що забезпечують U-тип інактивації, розташовані в
області зовнішнього устя калієвого каналу, але процес їх функціонування
невідомий. На відміну від механізму повільної інактивації С- та
Р/С-типу, де іони калію, перешкоджаючи закриванню інактиваційних воріт в
зовнішньому усті каналу, уповільнюють інактивацію (Kiss et al., 1998),
адекватного пояснення специфічного впливу іонів калію на кінетику U-типу
інактивації поки не існує. Те ж саме стосується і виходу з інактивації
каналів. Встановлено, що дестабілізація інактивованого стану при
заселеності локусу іонами калію може викликати прискорення виходу з
інактивації (Baukrowitz et al, 1995). Такі зміни в процесах інактивації
та виходу з інактивації свідчать про те, що іони калію здійснюють
глибокі зміни властивостей калієвого каналу.

На нейронах молюсків було продемонстровано, що під час ритмічної
генерації потенціалів дії процес інактивації калієвих струмів може мати
місце і в міжімпульсних інтервалах при закритих каналах. Така
прогресуюча інактивація отримала назву кумулятивної (Magura et al,
1973). Вона може значно змінювати сигнальні властивості клітини (частоту
генерації потенціалів дії, їх тривалість та ін.) і має безпосереднє
відношення до механізму короткочасної пам’яті (Marom, 1998).

Вивчення молекулярних механізмів кумулятивної інактивації пов’язане з
вивченням ролі позаклітинних іонів калію в феноменах повільної
інактивації калієвих каналів і розвитком концепції інактивації, що
залежить від стану каналу. Інактивація стає більш вираженою, якщо вона
викликана повторюваними потенціалами дії. Цей феномен лежить в основі
короткочасної синаптичної депресії. Аналогічний феномен кумулятивної
інактивації характерний і для низькопорогових кальцієвих каналів
(Serrano et al, 1999).

Кумулятивна інактивація, що має місце в калієвих каналах з повільною
інактивацією, обумовлена, як правило, інактивацією з частково
активованого закритого стану. Під час реполяризації одночасно йдуть 2
процеси: інактивація та вихід з інактивації. Якщо процес інактивації
домінує над виходом з неї, спостерігається подальший розвиток
інактивації — кумулятивна інактивація. Збільшення зовнішньоклітинної
концентрації іонів калію пригнічує кумулятивну інактивацію калієвих
каналів клітин РС-12, що свідчить про більш значний вплив іонів калію на
процес виходу з інактивації, ніж на процес інактивації.

У процесі повільної інактивації відбуваються складні структурні
перебудови зовнішнього устя та селективного фільтра каналу, які
призводять до змін його селективності. Як правило, усі калієві канали
мають практично ідентичну вибірковість. Однак, дослідження останніх
років показали, що деякі калієві канали, яким властива класична повільна
інактивація С- і Р/С-типів, у певних умовах можуть змінювати свою іонну
селективність, стаючи проникними для іонів, які в звичайних умовах не
здатні проходити через канал (Khakh et al, 1999). Калієві канали клітин
РС-12 в процесі інактивації помітно не змінюють своєї селективності, на
відміну від каналів з класичною повільною інактивацією С- і Р/С-типів.
Це є свідченням того, що калієвим каналам клітин РС-12 притаманна
повільна інактивація U-типу.

Воротні механізми калієвого каналу пов’язані, тому розглядати їх окремо
можна до певної міри. Відомо, що під час процесу активації мають місце
конформаційні зміни зовнішнього устя каналу. Молекулярно-динамічні
дослідження на калієвому каналі КcsA засвідчили, що зміщення в
зовнішньому усті калієвого каналу на декілька ангстрем, викликані
зміщенням S4 сегмента у відповідь на зміну мембранного потенціалу,
можуть значно вплинути на проникність пори каналу. Зміни амінокислотної
послідовності в області селективного фільтра можуть значно впливати на
кінетику процесу активації (LeMasurier et al, 2001). Калій-залежні зміни
конформації зовнішнього устя каналу також можуть впливати на механізми
активації калієвих каналів. Підвищення зовнішньоклітинної концентрації
іонів калію призводило до збільшення чутливості процесу активації
калієвих каналів клітин РС-12 до змін мембранного потенціалу та
зменшення потенціалчутливості кінетики процесу активації.

Такі зміни потенціалчутливості процесу активації та його та кінетики
можуть бути наслідком алостеричних впливів конформаційних змін
зовнішнього устя каналу на сенсор напруги К+ каналу (S4 сегмент). Ці
впливи призводять до зменшення енергетичного бар’єру для переміщення
сенсора напруги, змінюючи його мобільність.

Було показано, що зміни позаклітинної концентрації іонів калію впливали
на ефективність блокування калієвих каналів клітин РС-12 іонами ТЕА.
Такий вплив може бути обумовлений зміною заселеності певного місця
зв’язування іонів калію, розташованого поблизу місця зв’язування ТЕА у
зовнішньому усті каналу. Як згадувалося вище, в залежності від
заселеності селективний фільтр може перебувати в 2 різних конформаційних
станах. Зміна ефективності ТЕА також обумовлена двома станами відкритого
каналу (Immke et al, 2000). У першому – при великій заселеності каналу
іонами калію канал блокується ТЕА з концентрацією половинного блокування
2-4 мМ. В іншому – при незначній заселеності каналу іонами калію канал
не блокується при концентраціях ТЕА, менших за 100 мМ. Амінокислотні
залишки, з якими зв’язується ТЕА, утворюють квадрат зі стороною близько
12 ангстрем. Але ефективний діаметр іона ТЕА складає близько 6-8
ангстрем, що заважає ТЕА одночасно взаємодіяти зі всіма локусами
одночасно, тому в процесі взаємодії ТЕА з каналом важливу роль відіграє
водяне оточення іона ТЕА. У каналах з невисокою афінністю до ТЕА між
локусами та іоном ТЕА досить місця для утворення гідратної оболонки.
Тому будь-які конформаційні зміни, включаючи й ті, що викликані іонами
калію, можуть модулювати спорідненість устя до іонів ТЕА.

Існує також інше пояснення механізму впливу зміни концентрації іонів
калію на ефективність дії іонів ТЕА. Оскільки локус зв’язування іонів
ТЕА розташований недалеко від місця зв’язування іону калію, то
електростатична взаємодія між іоном калію та іоном ТЕА може перешкоджати
їх одночасному зв’язуванню, що, в свою чергу, призводить до конкуренції
між іонами калію і ТЕА. Потенціалзалежність блокування калієвого каналу
іонами ТЕА не обумовлена безпосереднім впливом електричного поля на іон
ТЕА. Локус зв’язування іону ТЕА розташований в зовнішньому усті каналу,
тоді як значна частина електричного поля зосереджена на селективному
фільтрі. За межами селективного фільтру доля електричного поля настільки
незначна, що електричне поле не має безпосереднього впливу на іон ТЕА.
Тому, ймовірно, потенціалзалежність блокування ТЕА є результатом
електростатичної взаємодії іону ТЕА з іонами, що проходять через
селективний фільтр.

Механізми впливу ТЕА на кінетику процесу інактивації калієвих каналів
клітин РС-12, ймовірно, ті самі, що й при зміні зовнішньоклітинної
концентрації іонів калію.

Білок іонного каналу перебуває в динамічній рівновазі і модулюючі впливи
викликають низку конформаційних змін усього каналу, тому повна
однозначна інтерпретація отриманих результатів дещо ускладнена і
потребує використання молекулярно-динамічних підходів.

Калієві канали можуть бути тими структурами клітини, що реагують на
зміни концентрації іонів калію, модулюючи активність клітин, та
дозволяють клітинам адекватно реагувати на такі зміни.

ВИСНОВКИ

З використанням методу фіксації потенціалу було проведено дослідження
впливу проникаючих іонів на механізми, що забезпечують інтегративну
функцію нейронів. Вивчалися властивості воротних механізмів калієвих
каналів клітин феохромоцитоми щура РС-12 в умовах збільшення
зовнішньоклітинної концентрації іонів калію.

1. Зростання позаклітинної концентрації іонів калію (до 20 мМ), яке
можливе в певному фізіологічному стані, може спричиняти прискорення
процесу повільної інактивації калієвої провідності клітин РС-12 і втрату
чутливості швидкості інактивації до змін мембранного потенціалу.

2. Продемонстровано, що під час повторювання активації калієвої
провідності з певним інтервалом часу в клітинах РС-12 спостерігається
феномен кумулятивної інактивації. Він полягає у наявності процесу
інактивації на певних етапах переходу каналів від активованого стану до
деактивованого. Феномен кумулятивної інактивації чутливий до змін
зовнішньоклітинної концентрації іонів калію.

3. Виявлена U-подібна залежність повільної інактивації від мембранного
потенціалу. Цей різновид повільної інактивації за своїми механізмами
істотно відрізняється від механізмів добре вивчених Р/С типів
інактивації. Прояви U-подібної інактивації дещо відрізняються при різних
позаклітинних концентраціях іонів калію.

4. Виявлено відсутність змін селективності калієвих каналів у процесі
розвитку повільної інактивації калієвої провідності клітин РС-12, що
відрізняє її від класичної повільної інактивації.

5. З метою вивчення конформаційних змін у зовнішньому усті калієвих
каналів при зміні позаклітинної концентрації іонів калію було
застосовано зовнішньоклітинне блокування калієвої провідності іонами
ТЕА. Зміни позаклітинної концентрації іонів калію впливали на
ефективність дії ТЕА. Була встановлена різноспрямована дія
зовнішньоклітинного калію при змінах в межах 5 – 20 мМ і при
концентраціях, що перевищували 20 мМ.

6. При зміні позаклітинної концентрації іонів калію спостерігали
алостеричний ефект на сенсор напруги калієвого каналу. Феноменологічно,
ефект дає підставу до припущення відносно впливу на енергетичний бар’єр
процесу сприйняття змін напруженості електричного поля мембрани.

Отримані результати дають підставу для ствердження, що зміни
позаклітинної концентрації іонів калію, обумовлені електричною
активністю нейрона, викликають модулюючий ефект на властивості
потенціалкерованої калієвої провідності.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Бойко Н.Я., Кучер В.В., Погорела Н.Х., Магура І.С. Прояви пластичності
потенціал-керованої калієвої провідності клітин РС-12 при змінах
зовнішньоклітинної концентрації К+ // Фізіологічний журнал. – 2004. – Т.
50, № 4. – С. 57-61.

Магура И. С., Кучер В. В., Бойко Н. Я. Потенциалуправляемые калиевые
каналы и механизмы регуляции их активности //
Нейрофизиология/Neurophysiology. – 2004. – Т. 36, № 4. – С. 150-157.

Магура І.С., Погорєла Н.Х., Бойко Н.Я., Кучер В.В. K+ канали і їх роль у
фізіологічних і патофізіологічних процесах // Клінічна та
експериментальна патологія. – 2004. – Т. 3, № 2. – С. 190-191.

Магура И.С., Погорелая Н.Х., Бойко Н.Я., Кучер В.В., Рожманова О.М.,
Долгая Е.В. Регуляция механизмов электрической активности нервных
клеток, опосредованная модуляцией калиевых каналов // Юбилейная
конференция, посвященная 50-летию Института физиологии Национальной
академии наук Беларуси. – Минск, 2003. – С. 95-96.

Бойко Н.Я., Кучер В.В. Модулюючі впливи проникаючих іонів на воротні
механізми калієвих каналів нервових клітин //
Нейрофизиология/Neurophysiology. – 2004. – Т. 36, №1. – С. 73.

Magura I.S., Boiko N.Y., Pogorelaya N.Ch. K+-dependent conformation
changes in k+-channels of pc-12 cells // Abstract book of First
(Inaugural) Ukrainian Congress for Cell Biology. – Lviv, 2004. – P. 300.

Magura I.S., Boiko N.Y., Kucher V.V., Pogorelaya N.Ch. K+-dependent
changes in K+-channels slow inactivation // Матеріали 1 Української
наукової конференції „Проблеми біологічної і медичної фізики”. – Харків,
2004. – С. 109.

АНОТАЦІЯ

Бойко Н.Я. Модулюючий вплив зміни позаклітинної концентрації йонів калію
на властивості потенціалкерованої калієвої провідності клітин
феохромоцитоми щура РС-12. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за
спеціальністю 03.00.02 – біофізика – Інститут фізіології ім. О.О.
Богомольця НАН України, Київ, 2005.

У роботі за допомогою методу фіксації потенціалу були проведені
дослідження модулюючого впливу зміни позаклітинної концентрації йонів
калію на властивості потенціалкерованої калієвої провідності клітин
феохромоцитоми щура РС-12.

Зростання позаклітинної концентрації іонів калію, яке можливе в певному
фізіологічному стані, спричиняє прискорення процесу повільної
інактивації калієвої провідності клітин РС-12 і втрату чутливості
швидкості інактивації до змін мембранного потенціалу.

Під час повторювання активації калієвої провідності з певним інтервалом
часу в клітинах РС-12 спостерігається феномен кумулятивної інактивації.
Така інактивація може значно змінювати сигнальні властивості клітини, а
також має безпосереднє відношення до механізмів короткочасної пам’яті.
Феномен кумулятивної інактивації чутливий до змін зовнішньоклітинної
концентрації іонів калію.

Виявлена U-подібна залежність повільної інактивації від мембранного
потенціалу. Цей різновид повільної інактивації за своїми механізмами
суттєво відрізняється від механізмів добре вивчених С- і Р/С-типів
інактивації і дещо змінюється при різних позаклітинних концентраціях
іонів калію.

Продемонстровано, що зміни позаклітинної концентрації іонів калію
впливали на ефективність дії блокатора калієвих каналів тетраетиламонію,
що свідчить про динамічні властивості селективного фільтра калієвих
каналів.

Ключові слова: клітини феохромоцитоми РС-12, калієві канали, селективний
фільтр, повільна інактивації, кумулятивна інактивація, тетраетиламоній.

АННОТАЦИЯ

Бойко Н.Я. Модулирующее влияние изменения внеклеточной концентрации
ионов калия на свойства потенциал-управляемой калиевой проводимости
клеток феохромоцитомы крысы РС-12. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по
специальности 03.00.02 – биофизика – Институт физиологии им. А.А.
Богомольца НАН Украины, Киев, 2005.

В роботе при помощи метода фиксации потенциала были проведены
исследования модулирующего влияния изменения внеклеточной концентрации
ионов калия на свойства потенциал-управляемой калиевой проводимости
клеток феохромоцитомы крысы РС-12.

Интегративная активность нейронов в значительной мере связана с
механизмами их электрического возбуждения, обусловленного разными типами
потенциал-управляемых Na+-, K+-, Ca2+-каналов. Электрофизиологические и
молекулярно-биологические исследования последних лет определили много
типов перечисленных каналов. Особым разнообразием и
полифункциональностью отличаются K+ каналы. Их роль в различных
проявлениях деятельности нейронов является предметом многочисленных
современных исследований, поскольку разнообразие электрических
характеристик разных типов нейронов частично обусловлено избирательной
экспрессией в них комбинации K+ каналов с разными свойствами. Также K+
каналы принимают участие в регуляции мембранного потенциала и, таким
образом, модулируют электрическую возбудимость клеток и
электрохимическую движущую силу для разнообразных транспортных
механизмов.

Разделяют три основных подтипа K+ каналов с принципиально разными
механизмами регуляции: потенциал-управляемые K+ каналы, Ca2+-зависимые
K+ каналы и K+ каналы входящего выпрямления. Потенциал-управляемые K+
каналы непосредственно принимают участие в формировании изменений
мембранного потенциала во время развития потенциала действия во всех
возбудимых клетках. От активности этих каналов зависит частота генерации
потенциалов действия. Им принадлежит определенная роль в клеточных
механизмах обучения и памяти. Кроме потенциал-управляемых K+ каналов в
этих процессах принимают участие Ca2+- и АТФ- чувствительные K+ каналы,
а также другие типы K+ каналов, в частности те, которые регулируются
G-белками. Регуляция K+ каналов также осуществляется их
фосфорилированием и нековалентными взаимодействиями с ионами,
нуклеотидами, кислородом и такими заряженными структурами как полиамины.
Экспрессия K+ каналов в разных типах клеток динамически регулируется.

Молекулярный анализ событий, которые происходят при различных
неврологических заболеваниях, в том числе болезни Альцгеймера, обнаружил
определенные изменения в регуляции функции K+ каналов нервных клеток.

Выяснение свойств воротных механизмов и идентификация структур,
определяющих их функционирование и модуляцию, остается главным вопросом
в изучении ионных каналов. Особого внимания заслуживает модуляция
свойств воротных механизмов потенциал-управляемых K+ каналов
проникающими ионами, в частности ионами калия. Накопление ионов калия в
примембранном пространстве возникает в естественных условиях во время
интенсивной электрической активности и может достигать 10-30 мМ, что в
свою очередь может вызывать значительную деполяризацию нервных клеток.
Такое накопление ионов K+ способно влиять как на состояние селективного
фильтра K+ каналов, увеличивая вероятность заселенности канала ионами
калия, так и на различные проявления инактивации.

Увеличение внеклеточной концентрации ионов калия, которое возможно в
определенном физиологическом состоянии, вызывает ускорение процесса
медленной инактивации калиевой проводимости клеток РС-12 и потерю
чувствительности скорости инактивации к изменению мембранного
потенциала.

Во время повторения активации калиевой проводимости с определенным
интервалом времени в клетках РС-12 наблюдается феномен кумулятивной
инактивации. Такая инактивация может значительно изменять сигнальные
свойства клеток, а также имеет непосредственное отношение к механизмам
кратковременной памяти. Феномен кумулятивной инактивации чувствителен к
изменению внеклеточной концентрации ионов калия.

Обнаружена U-подобная зависимость медленной инактивации от мембранного
потенциала. Такая разновидность медленной инактивации по своим
механизмам существенно отличается от механизмов хорошо изученных С- и
Р/С- типов инактивации и несколько изменяется в условиях разных
внеклеточных концентраций ионов калия.

Изменения внеклеточной концентрации ионов калия влияли на эффективность
действия блокатора калиевых каналов тетраэтиламмония, что
свидетельствует о динамических свойствах селективного фильтра калиевых
каналов.

Ключевые слова: клетки феохромоцитомы РС-12, калиевые каналы,
селективный фильтр, медленная инактивации, кумулятивная инактивация,
тетраэтиламмоний.

SUMMURY

Boiko N.Y. Modulating influence of varying concentration of
extracellular potassium ions on the properties of voltage-gated
potassium conductivity of pheochromocytoma cells PC-12. – Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree by speciality 03.00.02 – biophysics –
Bogomoletz Institute of Physiology of the National Academy of Sciences
of Ukraine, Kyiv, 2005. – Modulatory.

The modulatory influence of varying concentration of extracellular
potassium ions on the properties of voltage-gated potassium conductivity
of pheochromocytoma PC-12 cells have been investigated using the
patch-clamp technique.

It was found that increase in extracellular K+ concentration accelerated
the slow inactivation of potassium conductivity of pheochromocytoma
cells PC-12 and decreased the sensitivity of inactivation rate to change
of membrane potential.

It is shown that during repetitive activation of potassium conductivity
with certain period in cells PC-12 there is a phenomenon of cumulative
inactivation. This inactivation is sensitive to extracellular K+
concentration changes.

U-shaped dependence of slow inactivation on membrane potential has been
found. Such a kind of slow inactivation is significantly different from
C- and P/C- inactivation types and to some extend is dependent on
extracellular K+ concentration.

It was demonstrated that changes of extracellular K+ concentration
influences on the effectiveness of tetraethylammonium (the potassium
channels blocker). This gives the evidence of the dynamic properties of
potassium channel’s selective filter.

Key words: pheochromocytoma cells PC-12, potassium channels, selective
filter, slow inactivation, cumulative inactivation, tetraethylammonium.

PAGE 18

Похожие записи