stringtranslate.com

Водородно-калиевая АТФаза

Желудочная водородно-калиевая АТФаза , также известная как H + /K + АТФаза , представляет собой фермент , функция которого заключается в подкислении желудка. [1] Она является членом АТФаз P-типа , также известных как АТФазы E 1 -E 2 из-за ее двух состояний. [2]

Биологическая функция и местоположение

Желудочная водородно-калиевая АТФаза или H + /K + АТФаза является протонным насосом желудка . Она обменивает калий из просвета кишечника с цитоплазматическим гидроксонием [2] и является ферментом, в первую очередь ответственным за подкисление содержимого желудка и активацию пищеварительного фермента пепсина [ 3] (см. желудочная кислота ).

H + /K + АТФаза обнаружена в париетальных клетках , которые являются высокоспециализированными эпителиальными клетками, расположенными во внутренней клеточной оболочке желудка, называемой слизистой оболочкой желудка . Париетальные клетки обладают обширной секреторной мембранной системой, а H + /K + АТФаза является основным белковым компонентом этих мембран. Небольшое количество H + /K + АТФазы также обнаружено в мозговом веществе почек . [2]

Гены и структура белка

H + /K + АТФаза является гетеродимерным белком , продуктом 2 генов. Ген ATP4A [4] кодирует α-субъединицу H + /K + АТФазы и представляет собой белок из ~1000 аминокислот, который содержит каталитические сайты фермента и образует пору через клеточную мембрану, что позволяет транспортировать ионы. Ионы гидроксония связываются с двумя активными сайтами, присутствующими в α-субъединице. [5] α-субъединица также имеет сайт фосфорилирования (Asp 385 ). [6] Ген ATP4B [7] кодирует β-субъединицу H + /K + АТФазы, которая представляет собой белок из ~300 аминокислот с 36-аминокислотным N-концевым цитоплазматическим доменом, одним трансмембранным доменом и высокогликозилированным внеклеточным доменом.

Структура водородно-калиевой АТФазы. Субъединица α показана розовым цветом, субъединица β показана синим цветом.

Субъединица H + /K + АТФазы β стабилизирует субъединицу H + /K + АТФазы α и необходима для функционирования фермента. Субъединица β предотвращает работу насоса в обратном направлении [8] , а также, по-видимому, содержит сигналы, направляющие гетеродимер к мембранным пунктам назначения внутри клетки, хотя некоторые из этих сигналов подчинены сигналам, обнаруженным в субъединице H + /K + АТФазы α.

Структура H + /K + АТФазы была определена для людей, собак, свиней, крыс и кроликов и на 98% гомологична для всех видов. [2]

Механизм и активность фермента

H + /K + АТФаза является АТФазой P 2 -типа, членом эукариотического класса АТФаз P-типа . [9] Подобно Ca 2+ и Na + /K + АТФазам, H + /K + АТФаза функционирует как α, β протомер. [10] В отличие от других эукариотических АТФаз, H + /K + АТФаза является электронейтральной, транспортируя один протон в просвет желудка на ион калия, извлеченный из просвета желудка. [9] Как ионный насос, H + /K + АТФаза способна транспортировать ионы против градиента концентрации, используя энергию, получаемую при гидролизе АТФ. Как и все АТФазы P-типа, фосфатная группа переносится с аденозинтрифосфата (АТФ) на H + /K + АТФазу во время транспортного цикла. Этот перенос фосфата приводит к конформационному изменению фермента, которое помогает управлять транспортом ионов. [ необходима цитата ]

Водородно-калиевая АТФаза активируется косвенно гастрином , который заставляет клетки ECL высвобождать гистамин . [11] Гистамин связывается с рецепторами H2 на париетальной клетке, активируя цАМФ-зависимый путь , который заставляет фермент перемещаться из цитоплазматических трубчатых мембран в глубоко складчатые канальцы стимулированной париетальной клетки. [2] После локализации фермент чередуется между двумя конформациями, E1 и E2, для транспортировки ионов через мембрану.

Механизм H + /K + АТФазы, демонстрирующий, как конформационное изменение E1-E2 соответствует высвобождению ионов. См. Shin et al. [2]

Конформация E1 связывает фосфат из АТФ и ион гидроксония на цитоплазматической стороне. Затем фермент переходит в конформацию E2, что позволяет гидроксонию высвобождаться в просвет. Конформация E2 связывает калий и возвращается в конформацию E1, чтобы высвободить фосфат и K + в цитоплазму, где другой АТФ может быть гидролизован для повторения цикла. [2] Субъединица β предотвращает возврат конформации E2-P к конформации E1-P, делая протонный насос однонаправленным. [8] Количество ионов, транспортируемых на АТФ, варьируется от 2H + /2K + до 1H + /1K + в зависимости от pH желудка. [12]

Релевантность и торможение заболевания

Ингибирование водородно-калиевого насоса для снижения кислотности желудка является наиболее распространенным методом лечения заболеваний, включая гастроэзофагеальную рефлюксную болезнь (ГЭРБ/ГЭРБ) и язвенную болезнь желудка (ЯБ). [13] Снижение кислотности облегчает симптомы заболевания, но не лечит фактическую причину ГЭРБ (аномальное расслабление пищеводного сфинктера) или ЯБ ( Helicobacter pylori и НПВП ). [14]

Для ингибирования H + /K + -АТФазы использовались три класса препаратов . Антагонисты H 2 -рецепторов , такие как циметидин (Тагамет), ингибируют сигнальный путь, который приводит к активации АТФазы. Этот тип ингибиторов эффективен при лечении язв, но не предотвращает их образование, и у пациентов развивается толерантность к ним примерно через неделю, что приводит к снижению эффективности на 50%. [15] Позднее были разработаны ингибиторы протонной помпы (ИПП), начиная с Тимопразола в 1975 году. [15] ИПП представляют собой кислотно-активируемые пролекарства , которые ингибируют водородно-калиевую АТФазу путем ковалентного связывания с активными насосами. [16] Современные ИПП, такие как Омепразол, имеют короткий период полураспада, приблизительно 90 минут. [17] Антагонисты кислотной помпы (АПК) или калий-конкурентные блокаторы кислоты (ККБ) представляют собой третий тип ингибиторов, которые блокируют секрецию кислоты путем связывания с активным сайтом K + . [15] АПА обеспечивают более быстрое ингибирование, чем ИПП, поскольку им не требуется активация кислотой. Ревапразан был первым АПА, который использовался клинически в Восточной Азии, и разрабатываются другие АПА, поскольку они, по-видимому, обеспечивают лучший контроль кислотности в клинических испытаниях. [17]

Инактивация протонного насоса также может привести к проблемам со здоровьем. Исследование на мышах, проведенное Кригом и соавторами [18], показало, что мутация α-субъединицы насоса приводит к ахлоргидрии , что приводит к проблемам с усвоением железа, что приводит к дефициту железа и анемии . Использование ИПП не коррелирует с повышенным риском анемии, поэтому считается, что H + /K + -АТФаза способствует усвоению железа, но не обязательно необходима. [18]

Текущая связь деменции и ИПП была задокументирована в Германии и в исследовательских статьях, описывающих, как производные бензимидазола, астемизол (АСТ) и лансопразол (ЛНС) взаимодействуют с аномальными агрегатами тау-белка ( нейрофибриллярными клубками ). [19] [20] [21] Современные теории включают неселективную блокаду натрий-калиевых насосов в мозге, вызывающую осмотический дисбаланс или отек клеток. [мнение автора] Взаимодействие ИПП с другими препаратами, влияющими на натрий-калиевый насос, например, дигоксином, варфарином и т. д., было хорошо задокументировано. [22] Память была связана с астроцитами, а альфа3-субъединица аденозинового рецептора, обнаруженная в водородных/натрий-калиевых насосах, может быть фокусной точкой при деменции. [23] [24] [25] Хроническое использование ИПП может вызвать снижение регуляции субъединицы альфа3, увеличивая повреждение астроцитов. [26] Остеопетроз через ген TCIRG1 имеет тесную связь с пресенильной деменцией. [27] [28]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Sakai H, Fujii T, Takeguchi N (2016). "Глава 13. Протон-калиевые (H+/K+) АТФазы: свойства и роль в здоровье и болезнях". В Astrid S, Helmut S, Roland KO S (ред.). Ионы щелочных металлов: их роль в жизни . Ионы металлов в науках о жизни. Том 16. Springer. стр. 459–483. doi :10.1007/978-3-319-21756-7_13. ISBN 978-3-319-21755-0. PMID  26860309.
  2. ^ abcdefg Shin, JM, Munson, K., Vagin, O., Sachs, G. (2009). «Желудочная HK-АТФаза: структура, функция и ингибирование». Pflügers Archiv: European Journal of Physiology . 457 (3): 609–622. doi :10.1007/s00424-008-0495-4. PMC 3079481. PMID  18536934 . 
  3. ^ Берг, Дж. М., Тимочко, Дж. Л., Страйер, Л. (2012). Биохимия (7-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company.
  4. ^ ATP4A АТФаза H+/K+ транспортирует альфа-субъединицу
  5. ^ Chourasia, M., Sastry, GM, Sastry. GN (2005). «Сайты связывания протонов и конформационный анализ H+K+-АТФазы». Biochemical and Biophysical Research Communications . 336 (3): 961–966. doi :10.1016/j.bbrc.2005.08.205. PMID  16157306.
  6. ^ Scheirlinckx, F., Raussens, V., Ruysschaert, J.-M., Goormaghtigh, E. (2004). «Конформационные изменения в желудочной H+/K+-АТФазе, контролируемые с помощью разностной инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье и обмена водорода/дейтерия». Biochemical Journal . 382 (Pt 1) (Pt 1 ed.): 121–129. doi :10.1042/BJ20040277. PMC 1133922 . PMID  15096097. 
  7. ^ ATP4B АТФаза H+/K+ транспортирует бета-субъединицу
  8. ^ ab Abe, K., Tani, K., Nishizawa, T., Fujiyoshi, Y. (2009). «Межсубъединичное взаимодействие желудочной H+,K+-АТФазы предотвращает обратную реакцию транспортного цикла». The EMBO Journal . 28 (11): 1637–1643. doi :10.1038/emboj.2009.102. PMC 2693145. PMID  19387495 . 
  9. ^ ab Shin, JM, Sachs, G. (2009). "Ионный двигатель АТФазы: АТФазы P-типа". eLS . doi :10.1002/9780470015902.a0001379.pub2. ISBN 978-0-470-01617-6.
  10. ^ Дах, И., Олесен, К., Синьор, Л., Ниссен, П., Ле Мэр, М., Мёллер, Дж. В., Эбель, К. (2012). «Активная растворимая в детергенте H+,K+-АТФаза — это мономер». Журнал биологической химии . 287 (50): 41963–41978. doi : 10.1074/jbc.M112.398768 . PMC 3516743. PMID  23055529 . 
  11. ^ Prinz, C., Kajimura, M., Scott, D., Helander, H., Shin, J., Besancon, M., Bamberg, K., Hersey, S., Sachs, G. (1992). «Кислотная секреция и H,K АТФаза желудка». Йельский журнал биологии и медицины . 65 (6): 577–596. PMC 2589780. PMID  1341065 . 
  12. ^ Abe, K., Tani, K., Friedrich, T., Fujiyoshi, Y. (2012). «Крио-ЭМ структура желудочной H+,K+-АТФазы с одним занятым сайтом связывания катионов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (45): 18401–18406. Bibcode : 2012PNAS..10918401A. doi : 10.1073/pnas.1212294109 . PMC 3494912. PMID  23091039 . 
  13. ^ Shin, JM, Vagin, O., Munson, K., Kidd, M., Modlin, IM, Sachs, G. (2008). «Молекулярные механизмы в терапии заболеваний, связанных с кислотностью». Cellular and Molecular Life Sciences . 65 (2): 264–281. doi :10.1007/s00018-007-7249-x. PMC 3081136 . PMID  17928953. 
  14. ^ Yeomans, ND (2011). «Язвенные сыщики: поиск причины пептических язв». Журнал гастроэнтерологии и гепатологии . 26 : 35–41. doi : 10.1111/j.1440-1746.2010.06537.x . PMID  21199512. S2CID  42592868.
  15. ^ abc Sachs, G., Shin, JM, Vagin, O., Lambrecht, N., Yakubov, I., Munson, K. (2007). «Желудочная H,K АТФаза как мишень для лекарств: прошлое, настоящее и будущее». Журнал клинической гастроэнтерологии . 41 (Suppl 2): ​​S226–S242. doi :10.1097/MCG.0b013e31803233b7. PMC 2860960. PMID  17575528 . 
  16. ^ Shin JM, Sachs G. (2008). «Фармакология ингибиторов протонной помпы». Current Gastroenterology Reports . 10 (6): 528–534. doi :10.1007/s11894-008-0098-4. PMC 2855237. PMID  19006606 . 
  17. ^ ab Shin, JM, Sachs, G. (2009). «Длительные ингибиторы желудочной H,K-АТФазы». Expert Review of Clinical Pharmacology . 2 (5): 461–468. doi :10.1586/ecp.09.33. PMC 2995460. PMID  21132072 . 
  18. ^ ab Krieg L., Milstein O., Krebs P., Xia Y., Beutler B., Du X. (2011). «Мутация альфа-субъединицы водородно-калиевой АТФазы желудка вызывает железодефицитную анемию у мышей». Blood . 118 (24): 6418–6425. doi :10.1182/blood-2011-04-350082. PMC 3236123 . PMID  21976678. 
  19. ^ Gomm W, von Holt K, Thomé F, Broich K, Maier W, Fink A, Doblhammer G, Haenisch B (2016). «Связь ингибиторов протонной помпы с риском деменции: анализ данных фармакоэпидемиологических заявлений». JAMA Neurol . 73 (4): 410–416. doi : 10.1001/jamaneurol.2015.4791 . PMID  26882076.
  20. ^ Rojo LE, Alzate-Morales J, Saavedra IN, Davies P, Maccioni RB (2010). «Селективное взаимодействие лансопразола и астемизола с полимерами тау: потенциальное новое клиническое применение в диагностике болезни Альцгеймера». J Alzheimers Dis . 19 (2): 573–89. doi :10.3233/JAD-2010-1262. PMC 2951486. ​​PMID  20110603 . 
  21. ^ Fawaz MV, Brooks AF, Rodnick ME, Carpenter GM, Shao X, Desmond TJ, Sherman P, Quesada CA, Hockley BG, Kilbourn MR, Albin RL, Frey KA, Scott PJ (2014). «Высокоаффинные радиофармацевтические препараты на основе лансопразола для ПЭТ-визуализации агрегированного тау при болезни Альцгеймера и прогрессирующем надъядерном параличе: синтез, доклиническая оценка и выбор свинца». ACS Chem Neurosci . 5 (8): 718–30. doi :10.1021/cn500103u. PMC 4140593 . PMID  24896980. Epub 2014 июн 16.
  22. ^ Trifirò G, Corrao S, Alacqua M, Moretti S, Tari M, Caputi AP, Arcoraci V (2006). «Риск взаимодействия с ингибиторами протонной помпы в общей практике: значительные разногласия между различными источниками информации о лекарственных средствах». Br J Clin Pharmacol . 62 (5): 582–90. doi :10.1111/j.1365-2125.2006.02687.x. PMC 1885178. PMID  16822281 . 
  23. ^ Björklund O, Shang M, Tonazzini I, Daré E, Fredholm BB (2008). «Аденозины A1 и A3 рецепторы защищают астроциты от гипоксического повреждения». Eur J Pharmacol . 596 (1–3): 6–13. doi :10.1016/j.ejphar.2008.08.002. PMID  18727925.Epub 2008 13 августа.
  24. ^ Carmona MA, Murai KK, Wang L, Roberts AJ, Pasquale EB (2009). «Глиальный эфрин-A3 регулирует морфологию дендритных шипиков гиппокампа и транспорт глутамата». Proc Natl Acad Sci USA . 106 (30): 12524–12529. Bibcode : 2009PNAS..10612524C. doi : 10.1073/pnas.0903328106 . PMC 2718351. PMID  19592509 . 
  25. ^ Бен Хаим Л., Каррильо-де Соваж МА, Сейзериа К., Эскартин К. (2015). «Неуловимые роли реактивных астроцитов при нейродегенеративных заболеваниях». Front Cell Neurosci . 9 : 278. doi : 10.3389/fncel.2015.00278 . PMC 4522610 . PMID  26283915. электронная коллекция 2015
  26. ^ Gessi S, Merighi S, Stefanelli A, Fazzi D, Varani K, Borea PA (2013). «Аденозиновые рецепторы A(1) и A(3) ингибируют накопление LPS-индуцированного гипоксией-индуцируемого фактора-1 в мышиных астроцитах». Pharmacol Res . 76 : 157–70. doi :10.1016/j.phrs.2013.08.002. PMID  23969284.Epub 2013 19 августа.
  27. ^ "TCIRG1". Генетика Главная Справочник .
  28. ^ Kaifu T, Nakahara J, Inui M, Mishima K, Momiyama T, Kaji M, Sugahara A, Koito H, Ujike-Asai A, Nakamura A, Kanazawa K, Tan-Takeuchi K, Iwasaki K, Yokoyama WM, Kudo A, Fujiwara M, Asou H, Takai T (2003). «Остеопетроз и таламический гипомиелиноз с синаптической дегенерацией у мышей с дефицитом DAP12». J Clin Invest . 111 (3): 323–32. doi :10.1172/JCI16923. PMC 151867. PMID  12569157 . 

Внешние ссылки