BK-каналы (большие калиевые) — это активируемые кальцием калиевые каналы с большой проводимостью , [1] также известные как Maxi-K , slo1 или Kca1.1 . BK-каналы — это потенциалзависимые калиевые каналы , которые проводят большие количества ионов калия (K + ) через клеточную мембрану , отсюда их название — большие калиевые . Эти каналы могут быть активированы (открыты) либо электрическими средствами, либо путем увеличения концентрации Ca2 + в клетке. [2] [3] BK-каналы помогают регулировать физиологические процессы, такие как циркадные поведенческие ритмы и нейронная возбудимость. [4] BK-каналы также участвуют во многих процессах в организме, поскольку являются повсеместными каналами. Они имеют тетрамерную структуру, которая состоит из трансмембранного домена , домена, чувствительного к напряжению , домена калиевого канала и цитоплазматического C-концевого домена , с множеством рентгеновских структур для справки. Их функция заключается в реполяризации мембранного потенциала, позволяя калию выходить наружу в ответ на деполяризацию или повышение уровня кальция.
Структурно каналы BK гомологичны потенциал- и лиганд-управляемым калиевым каналам , имеющим датчик напряжения и пору в качестве домена, охватывающего мембрану , и цитозольный домен для связывания внутриклеточного кальция и магния . [5] Каждый мономер альфа-субъединицы, образующей канал, является продуктом гена KCNMA1 (также известного как Slo1). Субъединица Slo1 имеет три основных структурных домена, каждый из которых имеет свою отдельную функцию:
Активационный затвор находится в PGD, который расположен либо на цитозольной стороне S6, либо на селективном фильтре (селективность — это предпочтение канала проводить определенный ион). [5] Домен, чувствительный к напряжению, и домен, управляемый порами, совместно называются доменами, охватывающими мембрану , и образованы трансмембранными сегментами S1-S4 и S5-S6 соответственно. Внутри спирали S4 содержится ряд положительно заряженных остатков, которые служат первичным датчиком напряжения . [6]
Каналы BK очень похожи на потенциалзависимые каналы K⁺ , однако в каналах BK только один положительно заряженный остаток (Arg213) участвует в измерении напряжения через мембрану. [5] Также уникальным для каналов BK является дополнительный сегмент S0, этот сегмент необходим для модуляции субъединицы β . [7] [8] и чувствительности к напряжению. [9]
Цитозольный домен состоит из двух доменов RCK (регулятор калиевой проводимости), RCK1 и RCK2. Эти домены содержат два высокоаффинных участка связывания Ca²⁺ : один в домене RCK1, а другой в области, называемой чашей Ca²⁺, которая состоит из серии остатков аспарагиновой кислоты (Asp), расположенных в домене RCK2. Участок связывания Mg²⁺ расположен между VSD и цитозольным доменом, который образован: остатками Asp в петле S0-S1, остатками аспарагина в цитозольном конце S2 и остатками глутамина в RCK1. [5] При формировании участка связывания Mg²⁺ два остатка исходят из RCK1 одной субъединицы Slo1, а два других остатка исходят из VSD соседней субъединицы. Для того чтобы эти остатки координировали ион Mg²⁺, VSD и цитозольный домен из соседних субъединиц должны находиться в непосредственной близости. [5] Модуляторные бета-субъединицы (кодируемые KCNMB1 , KCNMB2 , KCNMB3 или KCNMB4 ) могут ассоциироваться с тетрамерным каналом . Существует четыре типа β-субъединиц (β1-4), каждая из которых имеет различные паттерны экспрессии, которые изменяют свойства пропускания канала BK. Субъединица β1 в первую очередь отвечает за экспрессию гладкомышечных клеток , обе субъединицы β2 и β3 экспрессируются нейронально, в то время как β4 экспрессируется в мозге . [5] VSD ассоциируется с PGD посредством трех основных взаимодействий:
Каналы BK связаны и модулируются широким спектром внутри- и внеклеточных факторов, таких как вспомогательные субъединицы (β, γ), Slobs (белок, связывающий Slo), фосфорилирование , мембранный потенциал , химические лиганды (Ca²⁺, Mg²⁺), PKC. α-субъединицы BK собираются в соотношении 1:1 с четырьмя различными вспомогательными типами β-субъединиц (β1, β2, β3 или β4). [10]
Было обнаружено, что трафик и экспрессия каналов BK в плазматической мембране регулируются различными мотивами сплайсинга, расположенными во внутриклеточных доменах C-терминала RCK. В частности, вариант сплайсинга , который исключал эти мотивы, предотвращал экспрессию каналов BK на поверхности клеток и предполагает, что такой механизм влияет на физиологию и патофизиологию . [10]
Каналы BK в сосудистой системе модулируются агентами, которые естественным образом вырабатываются в организме, такими как ангиотензин II (Ang II), высокий уровень глюкозы или арахидоновая кислота (AA), которая при диабете модулируется окислительным стрессом (ROS). [10]
Более слабая чувствительность к напряжению позволяет каналам BK функционировать в широком диапазоне мембранных потенциалов. Это гарантирует, что канал может правильно выполнять свою физиологическую функцию. [11]
Ингибирование активности BK-канала фосфорилированием S695 протеинкиназой C (PKC) зависит от фосфорилирования S1151 на C-конце альфа-субъединицы канала. Для успешного ингибирования необходимо, чтобы произошло только одно из этих фосфорилирований в тетрамерной структуре. Протеинфосфатаза 1 противодействует фосфорилированию S695. PKC снижает вероятность открытия канала, сокращая время открытия канала и продлевая закрытое состояние канала. PKC не влияет на проводимость одиночного канала, зависимость от напряжения или чувствительность BK-каналов к кальцию. [11]
BK-каналы синергически активируются посредством связывания ионов кальция и магния , но также могут быть активированы посредством зависимости от напряжения. [10] Ca²⁺-зависимая активация происходит, когда внутриклеточный Ca²⁺ связывается с двумя сайтами связывания с высоким сродством : один расположен на C-конце домена RCK2 (Ca²⁺ bowl), а другой расположен в домене RCK1. [5] Сайт связывания в домене RCK1 имеет несколько более низкое сродство к кальцию, чем Ca²⁺ bowl, но отвечает за большую часть чувствительности Ca²⁺. [12] Напряжение и кальций активируют BK-каналы, используя два параллельных механизма, при этом датчики напряжения и сайты связывания Ca²⁺ соединяются с активационными воротами независимо, за исключением слабого взаимодействия между двумя механизмами. Ca²⁺ bowl ускоряет кинетику активации при низких концентрациях Ca²⁺, в то время как сайт RCK1 влияет как на кинетику активации, так и на кинетику дезактивации. [11] Одна модель механизма была первоначально предложена Моно, Уайманом и Шанже, известная как модель MWC. Модель MWC для каналов BK объясняет, что конформационное изменение активационного ворот при открытии канала сопровождается конформационным изменением в месте связывания Ca²⁺, что увеличивает сродство связывания Ca²⁺. [12]
Зависимая от магния активация каналов BK активируется через сайт связывания металла с низким сродством, который независим от активации, зависящей от Ca²⁺. Сенсор Mg²⁺ активирует каналы BK, сдвигая напряжение активации в более отрицательный диапазон. Mg²⁺ активирует канал только тогда, когда домен сенсора напряжения остается в активированном состоянии. Цитозольный хвостовой домен (CTD) представляет собой химический сенсор, который имеет несколько сайтов связывания для различных лигандов . CTD активирует канал BK при связывании с внутриклеточным Mg²⁺, чтобы обеспечить взаимодействие с доменом сенсора напряжения (VSD). [11] Магний преимущественно координируется шестью атомами кислорода из боковых цепей кислородсодержащих остатков, карбонильных групп основной цепи в белках или молекул воды . [12] D99 на С-конце петли S0-S1 и N172 в петле S2-S3 содержат кислороды боковой цепи в домене датчика напряжения, которые необходимы для связывания Mg²⁺. Подобно модели активации, зависящей от Ca²⁺, активация, зависящая от Mg²⁺, также может быть описана аллостерической моделью MCW-ворот. В то время как кальций активирует канал в значительной степени независимо от датчика напряжения, магний активирует канал за каналом посредством электростатического взаимодействия с датчиком напряжения. [12] Это также известно как модель подталкивания, в которой магний активирует канал, толкая датчик напряжения посредством электростатических взаимодействий , и включает взаимодействия между боковыми цепями в различных структурных доменах. [5] Энергия, обеспечиваемая напряжением, связыванием Ca²⁺ и Mg²⁺, будет распространяться к воротам активации каналов BK, чтобы инициировать ионную проводимость через пору. [5]
Каналы BK помогают регулировать как активацию нейронов , так и высвобождение нейротрансмиттеров . [13] Эта модуляция синаптической передачи и электрического разряда на клеточном уровне обусловлена экспрессией каналов BK в сочетании с другими калий-кальциевыми каналами. [10] Открытие этих каналов вызывает движение к равновесному потенциалу калия и, таким образом, играет роль в ускорении реполяризации потенциалов действия . [ 10] Это фактически обеспечивает более быструю стимуляцию. [10] Также играет роль в формировании общей реполяризации клеток и, следовательно, после гиперполяризации (AHP) потенциалов действия. [14] Роль, которую каналы BK играют в быстрой фазе AHP, была тщательно изучена в гиппокампе. [14] Они также могут играть роль в ингибировании высвобождения нейротрансмиттеров. [15] В клетках Пуркинье в мозжечке имеется много каналов BK , что подчеркивает их роль в координации движений и функционировании. [14] Кроме того, BK-каналы играют роль в модуляции активности дендритов , а также астроцитов и микроглии . [15] Они играют роль не только в ЦНС ( центральной нервной системе ), но и в сокращениях гладких мышц , секреции эндокринных клеток и пролиферации клеток. [13] Различные γ-субъединицы во время раннего развития мозга участвуют в нейрональной возбудимости, а в невозбудимых клетках они часто отвечают за движущую силу кальция. [10] Следовательно, эти субъединицы могут быть целями для терапевтического лечения в качестве активаторов BK-каналов. [10] Существуют дополнительные доказательства того, что ингибирование BK-каналов предотвратит отток калия и, таким образом, снизит использование АТФ , что фактически позволит нейронам выживать в условиях низкого содержания кислорода. [10] BK-каналы также могут функционировать как нейрональный протектор, например, ограничивая поступление кальция в клетки посредством окисления метионина . [10]
Каналы BK также играют роль в слухе . [14] Это было обнаружено, когда субъединица BK ɑ была нокаутирована у мышей , и наблюдалась прогрессирующая потеря волосковых клеток улитки, и, таким образом, потеря слуха. [14] Каналы BK участвуют не только в слухе, но и в циркадных ритмах . Белки, связывающие Slo (Slobs), могут модулировать каналы BK как функцию циркадных ритмов в нейронах. [10] Каналы BK экспрессируются в супрахиазматическом ядре (SCN), которое, как известно, влияет на патофизиологию сна. [14] Открыватели каналов BK также могут оказывать защитное действие на сердечно-сосудистую систему . [10] При низкой концентрации кальция каналы BK оказывают большее влияние на сосудистый тонус . [10] Кроме того, сигнальная система каналов BK в сердечно-сосудистой системе оказывает влияние на функционирование коронарного кровотока . [10] Одна из функций субъединицы β в мозге включает ингибирование каналов BK, что позволяет замедлить свойства каналов, а также помогает предотвращать судороги в височной доле . [10]
Мутации каналов BK, приводящие к снижению экспрессии в мРНК , чаще встречаются у людей с психическими расстройствами (из-за гипофункции [15] ), шизофрении или аутизма . [10] Более того, повышенная реполяризация , вызванная мутациями каналов BK, может привести к зависимости от алкоголя инициирования дискинезий , эпилепсии или пароксизмальных двигательных расстройств. [10] Каналы BK важны не только для многих клеточных процессов у взрослых, но и для надлежащего питания развивающегося плода . [10] Таким образом, эстроген может вызывать увеличение плотности каналов BK в матке . [10] Однако повышенная экспрессия каналов BK была обнаружена в опухолевых клетках , и это может повлиять на будущую терапию рака , что подробнее обсуждается в разделе фармакологии. [10] Каналы BK повсеместно распространены по всему телу и, таким образом, оказывают большое и обширное влияние на организм в целом и на более клеточном уровне, как обсуждалось.
При дефиците BK-каналов возникает несколько проблем. Последствия неправильной работы BK-канала могут влиять на функционирование человека разными способами, некоторые из которых более опасны для жизни, чем другие. BK-каналы могут активироваться экзогенными загрязняющими веществами и эндогенными газотрансмиттерами : оксидом углерода , [16] [17] оксидом азота и сероводородом. [18] Мутации в белках, связанных с BK-каналами, или генах, кодирующих BK-каналы, участвуют во многих заболеваниях. Неисправность BK-каналов может распространяться при многих расстройствах, таких как: эпилепсия , рак , диабет , астма и гипертония . [13] В частности, дефект β1 может повышать артериальное давление и задержку гидросолевого раствора в почках . [13] Было обнаружено, что мутации как потери функции, так и приобретения функции участвуют в таких расстройствах, как эпилепсия и хроническая боль . [15] Кроме того, увеличение активации BK-каналов посредством мутаций с усилением функции и амплификации связано с эпилепсией и раком. [13] Более того, BK-каналы играют роль как в опухолях, так и в раке. В некоторых видах рака можно обнаружить gBK, вариант ионного канала, называемый глиомным BK-каналом. [14] Известно, что BK-каналы каким-то образом влияют на деление клеток во время репликации , что при отсутствии регулирования может привести к раку и опухолям. [14] Более того, изучаемый аспект включает миграцию раковых клеток и роль, в которой BK-каналы могут способствовать этой миграции, хотя многое еще неизвестно. [14] Еще одна причина, по которой понимание BK-каналов важно, заключается в их роли в хирургии по пересадке органов . Это связано с активацией BK-каналов, влияющей на реполяризацию потенциала покоящейся мембраны . [10] Таким образом, понимание имеет решающее значение для безопасности эффективной трансплантации.
BK-каналы могут использоваться в качестве фармакологических мишеней для лечения нескольких медицинских расстройств, включая инсульт [19] и гиперактивный мочевой пузырь . [20] Были попытки разработать синтетические молекулы, нацеленные на BK-каналы, [21] однако их усилия оказались в значительной степени неэффективными до сих пор. Например, BMS-204352, молекула, разработанная Bristol-Myers Squibb , не смогла улучшить клинический исход у пациентов с инсультом по сравнению с плацебо . [22] Тем не менее, был достигнут определенный успех с агонистом BKCa-каналов, BMS-204352, в лечении дефицитов, наблюдаемых у мышей с нокаутом Fmr1 , модели синдрома ломкой X-хромосомы . [23] [24] BK-каналы также функционируют как блокаторы при ишемии и находятся в центре внимания при исследовании их использования в качестве терапии инсульта. [10]
Существует множество приложений для терапевтических стратегий, включающих каналы BK. Было проведено исследование, показывающее, что блокировка каналов BK приводит к увеличению высвобождения нейротрансмиттера, что фактически указывает на будущие терапевтические возможности в улучшении познавательных способностей , улучшении памяти и снятии депрессии . [13] Поведенческая реакция на алкоголь также модулируется каналами BK, [10] поэтому дальнейшее понимание этой связи может помочь в лечении пациентов, страдающих алкоголизмом . Окислительный стресс на каналах BK может привести к негативным нарушениям снижения артериального давления через сердечно-сосудистую релаксацию, которые оказывают влияние как на старение, так и на болезни. [10] Таким образом, сигнальная система может быть вовлечена в лечение гипертонии и атеросклероза [10] посредством нацеливания на субъединицу ɑ для предотвращения этих пагубных эффектов. Кроме того, известная роль, которую каналы BK могут играть в раке и опухолях, ограничена. Таким образом, в настоящее время не так много знаний относительно конкретных аспектов каналов BK, которые могут влиять на опухоли и рак. [14] Дальнейшие исследования имеют решающее значение, поскольку они могут привести к колоссальному развитию методов лечения людей с раком и опухолями. Известно, что эпилепсия возникает из-за повышенной возбудимости нейронов, а каналы BK оказывают большое влияние на контроль гипервозбудимости. [4] Поэтому понимание может повлиять на лечение эпилепсии. В целом, каналы BK являются целью для будущих фармакологических агентов, которые могут быть использованы для благоприятного лечения заболеваний.