Ио́нные кана́лы — порообразующие белки (одиночные либо целые комплексы), поддерживающие разность потенциалов, которая существует между внешней и внутренней сторонами клеточной мембраны всех живых клеток. Относятся к транспортным белкам. С их помощью ионы перемещаются согласно их электрохимическим градиентам сквозь мембрану. Такие комплексы представляют собой набор идентичных или гомологичных белков, плотно упакованных в липидном бислое мембраны вокруг водной поры. Каналы расположены в плазмалемме и некоторых внутренних мембранах клетки.
Через ионные каналы проходят ионы Na+ (натрия), K+ (калия), Cl− (хлора) и Ca++ (кальция). Из-за открывания и закрывания ионных каналов меняется концентрация ионов по разные стороны мембраны и происходит сдвиг мембранного потенциала.
Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются молекулярные системы открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции. Ионные каналы могут иметь несколько участков(сайтов) для связывания с управляющими веществами.
Воротный механизм белковых каналов обеспечивает способ регуляции ионной проницаемости каналов. Полагают, что некоторые ворота фактически являются удлинением транспортной белковой молекулы, которое может закрывать или открывать отверстие канала при кон-формационном изменении формы самой белковой молекулы. Открытие и закрытие ворот регулируется двумя основными способами. Электроуправляемые ворота. В этом случае молекулярная конформация ворот или их химических связей соответствует электрическому потенциалу на клеточной мембране. Напротив, когда внутренняя сторона мембраны теряет отрицательный заряд, эти ворота могут внезапно открываться, позволяя громадному числу ионов натрия проходить через натриевые поры. Это основной механизм генерации в нервах потенциалов действия, ответственных за проведение нервных сигналов. Открытие этих ворот частично обусловливает завершение потенциала действия. 2. Хемоуправляемые (лигандуправляемые) ворота. Некоторые ворота белковых каналов открываются при связывании с белком химического вещества лиганда. Это ведет к конформационному или химическому изменению в белковой молекуле, что открывает или закрывает ворота. Такой воротный механизм называют химическим, или лигандным. Одним из наиболее важных примеров химического воротного механизма является действие ацетилхолина на так называемый ацетилхолиновый канал. Ацетилхолин открывает ворота этого канала, в результате появляется отрицательно заряженная пора диаметром около 0,65 нм, через которую могут проходить незаряженные молекулы или положительные ионы меньшего диаметра.
Эти ворота исключительно важны для передачи нервных сигналов от одной нервной клетки к другой и от нервных клеток к мышечным, что необходимо для мышечного сокращения. Открытое и закрытое состояние воротных каналов. Примечательно, что канал проводит ток по принципу «все или ничего». Это значит, что ворота канала резко открываются и затем также резко закрываются, причем в открытом состоянии канал находится от долей миллисекунды до нескольких миллисекунд. При одном уровне потенциала канал может оставаться практически все время закрытым, а при другом уровне — почти все время открытым. Как показано при промежуточных уровнях мембранного потенциала ворота натриевого канала имеют склонность периодически быстро открываться и закрываться, обеспечивая среднее значение тока. Метод «пэтч-кламп» для регистрации ионного тока, протекающего через одиночные каналы. Показанную на рис. 4-5А регистрацию ионного тока, протекающего через одиночные белковые каналы, технически осуществляют с помощью метода «пэтч-кламп». Микропипетку с диаметром кончика не более 1-2 мкм подводят вплотную к мембране с наружной стороны. Затем изнутри пипетки создают отрицательное давление, благодаря чему расположенный напротив участок мембраны подсасывается к кончику пипетки, формируя плотный контакт с его краями. В результате можно регистрировать электрический ток, протекающий через очень маленький кусочек («пэтч») мембраны у верхушки пипетки. Кроме того маленький кусочек клеточной мембраны на конце пипетки можно вырвать из клетки. Затем пипетку с герметически сцепленным с ней кусочком помещают в любой раствор. Это позволяет, по желанию экспериментатора, изменять состав раствора как внутри пипетки, так и снаружи, а также поддерживать на любом заданном уровне разность потенциалов между двумя сторонами мембраны, т.е. фиксировать («кламп») напряжение. Можно выделить такой малый участок мембраны, что в нем обнаруживается лишь один белковый канал, доступный для изучения. Путем изменения концентраций разных ионов и напряжения по обе стороны мембраны можно определять транспортные характеристики одиночного канала и свойства его воротных механизмов.
