Натриевые каналы представляют собой неотъемлемые мембранные белки , которые образуют ионные каналы , проводящие ионы натрия (Na + ) через клеточную мембрану . [1] [2] Они принадлежат к суперсемейству катионных каналов .
Их разделяют на 2 типа:
В возбудимых клетках, таких как нейроны , миоциты и некоторые типы глии , натриевые каналы ответственны за фазу роста потенциалов действия . Эти каналы проходят три различных состояния: состояние покоя, активное и неактивное. Несмотря на то, что состояние покоя и неактивное состояние не позволяют ионам проходить через каналы, существует разница в их структурной конформации.
Натриевые каналы обладают высокой избирательностью в транспортировке ионов через клеточные мембраны. Высокая селективность по отношению к ионам натрия достигается множеством различных способов. Все они включают инкапсуляцию иона натрия в полость определенного размера внутри более крупной молекулы. [3]
Натриевые каналы состоят из крупных альфа-субъединиц, которые связаны с вспомогательными белками, такими как бета-субъединицы. Альфа-субъединица образует ядро канала и функционирует сама по себе. Когда белок альфа-субъединицы экспрессируется клеткой, он способен образовывать поры в клеточной мембране, которые проводят Na + потенциал-зависимым образом, даже если бета-субъединицы или другие известные модулирующие белки не экспрессируются. Когда вспомогательные белки собираются с α-субъединицами, образующийся комплекс может демонстрировать измененную зависимость от напряжения и клеточную локализацию.
Альфа-субъединица состоит из четырех повторяющихся доменов, обозначенных от I до IV, каждый из которых содержит шесть трансмембранных сегментов, обозначенных от S1 до S6. Высококонсервативный сегмент S4 действует как датчик напряжения канала. Чувствительность этого канала к напряжению обусловлена положительными аминокислотами, расположенными в каждой третьей позиции. [5] При стимуляции изменением трансмембранного напряжения этот сегмент перемещается к внеклеточной стороне клеточной мембраны, позволяя каналу стать проницаемым для ионов. Ионы проводятся через центральную полость поры, которая состоит из двух основных областей. Более внешняя (т.е. более внеклеточная) часть поры образована «P-петлями» (область между S5 и S6) четырех доменов. Эта область является самой узкой частью поры и отвечает за ее ионную селективность. Внутренняя часть (т.е. более цитоплазматическая) поры представляет собой ворота поры и образована объединенными сегментами S5 и S6 четырех доменов. Поровый домен также имеет боковые туннели или фенестрации, которые проходят перпендикулярно оси поры. Предполагается, что эти фенестрации, соединяющие центральную полость с мембраной, важны для доступности лекарств. [6] [7] [8]
В натриевых каналах млекопитающих область, связывающая домены III и IV, также важна для функции канала. Этот линкер DIII-IV отвечает за закрытие ворот поры после открытия канала, инактивируя их. [9]
Потенциал-управляемые Na + -каналы имеют три основных конформационных состояния: закрытое, открытое и инактивированное. Переходы вперед/назад между этими состояниями соответственно называются активацией/деактивацией (между открытым и закрытым соответственно), инактивацией/реактивацией (между неактивным и открытым соответственно) и восстановлением из инактивации/инактивацией закрытого состояния (между неактивным и закрытым состоянием). , соответственно). Закрытые и инактивированные состояния непроницаемы для ионов.
До возникновения потенциала действия аксональная мембрана находится в нормальном потенциале покоя , около -70 мВ в большинстве нейронов человека, а Na + -каналы находятся в деактивированном состоянии, заблокированном на внеклеточной стороне своими активационными воротами . В ответ на повышение мембранного потенциала примерно до -55 мВ (в данном случае вызванное потенциалом действия) активационные ворота открываются, позволяя положительно заряженным ионам Na + поступать в нейрон через каналы и вызывая напряжение через мембрану нейронов до увеличения до +30 мВ в нейронах человека. Поскольку напряжение на мембране изначально отрицательное, а по мере того, как его напряжение увеличивается до нуля и выше (от -70 мВ в состоянии покоя до максимума +30 мВ), говорят, что оно деполяризуется. Это увеличение напряжения представляет собой фазу нарастания потенциала действия.
На пике потенциала действия, когда в нейрон поступило достаточное количество Na + и потенциал мембраны стал достаточно высоким, Na + -каналы инактивируются, закрывая свои ворота инактивации . Ворота инактивации можно рассматривать как «пробку», привязанную к доменам III и IV внутриклеточной альфа-субъединицы канала. Закрытие ворот инактивации приводит к остановке потока Na + через канал, что, в свою очередь, приводит к прекращению повышения мембранного потенциала. Закрытие ворот инактивации создает рефрактерный период внутри каждого отдельного Na + -канала. Этот рефрактерный период исключает возможность движения потенциала действия в противоположном направлении обратно к соме. Когда ворота инактивации закрыты, канал считается инактивированным. Поскольку Na + -канал больше не вносит вклад в мембранный потенциал, потенциал снижается обратно до потенциала покоя, поскольку нейрон реполяризуется и впоследствии гиперполяризуется, и это представляет собой фазу спада потенциала действия. Таким образом, рефрактерный период каждого канала жизненно важен для однонаправленного распространения потенциала действия вниз по аксону для правильной связи между нейронами.
Когда напряжение мембраны становится достаточно низким, ворота инактивации снова открываются, а ворота активации закрываются в процессе, называемом деинактивацией . Когда ворота активации закрыты, а ворота инактивации открыты, Na + -канал снова находится в деактивированном состоянии и готов участвовать в другом потенциале действия.
Когда какой-либо ионный канал не инактивируется, о нем говорят, что он постоянно (или тонически) активен. Некоторые виды ионных каналов по своей природе постоянно активны. Однако генетические мутации, вызывающие постоянную активность в других каналах, могут вызвать заболевание, вызывая чрезмерную активность определенных типов нейронов. Мутации, которые мешают инактивации Na + -каналов, могут способствовать сердечно-сосудистым заболеваниям или эпилептическим припадкам из-за оконных токов , что может привести к перевозбуждению мышечных и/или нервных клеток.
Временное поведение каналов Na + можно моделировать с помощью марковской схемы или формализма типа Ходжкина–Хаксли . В первой схеме каждый канал занимает отдельное состояние с дифференциальными уравнениями , описывающими переходы между состояниями; во втором случае каналы рассматриваются как совокупность , на которую влияют три независимые переменные стробирования. Каждая из этих переменных может принимать значения от 1 (полная проницаемость для ионов) до 0 (полная непроницаемость), произведение этих переменных дает процент проводящих каналов. Можно показать, что модель Ходжкина – Хаксли эквивалентна марковской модели. [ нужны дальнейшие объяснения ]
Поры натриевых каналов содержат селективный фильтр , состоящий из отрицательно заряженных аминокислотных остатков, которые притягивают положительные ионы Na + и не пропускают отрицательно заряженные ионы, такие как хлорид . Катионы текут в более суженную часть поры шириной 0,3 на 0,5 нм , что достаточно велико, чтобы позволить пройти одному иону Na + с связанной с ним молекулой воды. Более крупный ион K + не может пройти через эту область. Ионы разных размеров также не могут хорошо взаимодействовать с отрицательно заряженными остатками глутаминовой кислоты , выстилающими поры. [ нужна цитата ]
Потенциал-управляемые натриевые каналы обычно состоят из альфа-субъединицы, которая образует пору ионной проводимости, и одной-двух бета-субъединиц, которые выполняют несколько функций, включая модуляцию шлюзования каналов. [10] Экспрессии только альфа-субъединицы достаточно для создания функционального канала.
Семейство натриевых каналов включает 9 известных членов с идентичностью аминокислот >50% в трансмембранных сегментах и внеклеточных петлевых областях. В настоящее время используется стандартизированная номенклатура натриевых каналов, которая поддерживается IUPHAR . [11]
Белки этих каналов получили названия от Na v 1.1 до Na v 1.9. Названия генов обозначаются как от SCN1A до SCN5A, затем от SCN8A до SCN11A. [11] «Десятый член», Na x , не действует потенциалзависимым образом. Он имеет схожую общую структуру. О его реальной функции известно немного, кроме того, что он также связан с бета-субъединицами. [12]
Вероятная эволюционная связь между этими каналами, основанная на сходстве их аминокислотных последовательностей, показана на рисунке 1. Отдельные натриевые каналы различаются не только различиями в их последовательности, но также по кинетике и профилям экспрессии. Некоторые из этих данных обобщены в таблице 1 ниже.
Бета-субъединицы натриевых каналов представляют собой трансмембранные гликопротеины типа 1 с внеклеточным N-концом и цитоплазматическим С-концом. Будучи членами суперсемейства Ig, бета-субъединицы содержат прототипную петлю V-set Ig во внеклеточном домене. Они не имеют никакой гомологии со своими аналогами кальциевых и калиевых каналов. [21] Вместо этого они гомологичны молекулам адгезии нервных клеток (CAM) и большому семейству L1 CAM. Существует четыре различных бета-версии, названных в порядке открытия: SCN1B, SCN2B, SCN3B, SCN4B (таблица 2). Бета 1 и бета 3 взаимодействуют с альфа-субъединицей нековалентно, тогда как бета 2 и бета 4 связываются с альфа через дисульфидную связь. [22] Натриевые каналы с большей вероятностью остаются открытыми при подпороговом мембранном потенциале при взаимодействии с бета-токсинами, что, в свою очередь, вызывает немедленное ощущение боли. [23]
В дополнение к регуляции шлюзования каналов бета-субъединицы натриевых каналов также модулируют экспрессию каналов и образуют связи с внутриклеточным цитоскелетом через анкирин и спектрин . [10] [24] [25] Потенциал-управляемые натриевые каналы также собираются с множеством других белков, таких как белки FHF (гомологичный фактор фактора роста фибробластов), кальмодулин, цитоскелет или регуляторные киназы, [26] [10] [27 ] ] [28] [29] которые образуют комплекс с натриевыми каналами, влияя на его экспрессию и/или функцию. Несколько бета-субъединиц взаимодействуют с одной или несколькими молекулами внеклеточного матрикса (ECM). Контактин, также известный как F3 или F11, связывается с бета-1, как показано посредством коиммунопреципитации. [30] Фибронектин -подобные (FN-подобные) повторы тенасцина -C и тенасцина -R связываются с бета-2, в отличие от повторов, подобных эпидермальному фактору роста (EGF-подобных), которые отталкивают бета2. [31] Дезинтегрин и металлопротеиназа (ADAM) 10 отбрасывает эктодомен бета 2 , возможно, вызывая рост нейритов. [32] Бета-3 и бета-1 связываются с нейрофасцином в узлах Ранвье в развивающихся нейронах. [33]
Лиганд-управляемые натриевые каналы активируются путем связывания лиганда вместо изменения мембранного потенциала.
Они обнаруживаются, например, в нервно-мышечных соединениях в виде никотиновых рецепторов , где лигандами являются молекулы ацетилхолина . Большинство каналов этого типа в той или иной степени проницаемы для калия, а также для натрия.
Потенциал-управляемые натриевые каналы играют важную роль в потенциалах действия . Если при изменении мембранного потенциала клетки открывается достаточное количество каналов , небольшое, но значительное количество ионов Na + будет перемещаться в клетку по электрохимическому градиенту , дополнительно деполяризуя клетку. Таким образом, чем больше Na + -каналов локализовано в каком-либо участке клеточной мембраны, тем быстрее будет распространяться потенциал действия и тем более возбудимой будет эта область клетки. Это пример положительной обратной связи . Способность этих каналов принимать закрыто-инактивированное состояние вызывает рефрактерный период и имеет решающее значение для распространения потенциалов действия вниз по аксону .
Каналы Na + открываются и закрываются быстрее, чем каналы K + , вызывая приток положительного заряда (Na + ) к началу потенциала действия и отток (K + ) к концу.
С другой стороны, лиганд-управляемые натриевые каналы в первую очередь создают изменение мембранного потенциала в ответ на связывание с ним лиганда. Каналы утечки натрия дополнительно способствуют регуляции потенциала действия путем модуляции потенциала покоя (и, в свою очередь, возбудимости) клетки. [35]
Следующие природные вещества стойко активируют (открывают) натриевые каналы:
Следующие токсины изменяют работу натриевых каналов:
В каналах утечки натрия не наблюдается никакого напряжения или лигандного стробирования. Вместо этого они всегда открыты или «протекают» небольшой фоновый ток, регулирующий мембранный потенциал покоя нейрона. [35] У большинства животных один ген кодирует белок NALCN (канал утечки натрия, неселективный). [38]
Несмотря на ту же базовую структуру, что и другие натриевые каналы, NALCN не чувствителен к изменениям напряжения. Трансмембранный домен S4, чувствительный к напряжению, NALCN имеет меньше положительно заряженных аминокислот (13 вместо 21 в потенциалзависимом канале), что, возможно, объясняет его нечувствительность к напряжению. [35] NALCN также гораздо менее селективен по отношению к ионам Na + и проницаем для ионов Ca2 + и K + . Аминокислотный мотив EEKE в домене порового фильтра NALCN подобен как мотиву EEEE потенциалзависимого кальциевого канала , так и мотиву DEKA потенциалзависимого натриевого канала, что, возможно, объясняет его недостаточную селективность. [38]
NALCN не блокируется многими распространенными блокаторами натриевых каналов, включая тетродотоксин . NALCN неспецифически блокируется как Gd3 + , так и верапамилом . [39] Вещество P и нейротензин активируют киназы семейства Src через соответствующие GPCR (независимо от связанных G-белков ), которые, в свою очередь, увеличивают проницаемость NALCN посредством активации UNC80. [40] Ацетилхолин также может увеличивать активность NALCN через М 3 мускариновые ацетилхолиновые рецепторы . [41] Более высокие уровни внеклеточного Ca 2+ снижают проницаемость NALCN за счет активации CaSR , который ингибирует UNC80. [42]
NALCN образует комплексы с белками UNC79, UNC80 и FAM155A. [43] [44] [45] UNC79, по-видимому, связан с мембранной стабильностью NALCN и связью с UNC 80. [44] UNC80 опосредует химическую модуляцию NALCN посредством нескольких путей. [35] [42] [41] [40] FAM155A помогает сворачивать белки в эндоплазматическом ретикулуме, транспортировать шапероны к аксону и способствует стабильности мембраны. [45]
Мембранный потенциал покоя нейрона обычно составляет от -60 мВ до -80 мВ, что обусловлено главным образом потенциалом К + при -90 мВ. Деполяризация от потенциала К + обусловлена прежде всего малым током утечки Na + . Около 70% этого тока проходит через NALCN. [39] Увеличение проницаемости NALCN снижает мембранный потенциал покоя, приближая его к триггеру потенциала действия (-55 мВ), тем самым увеличивая возбудимость нейрона.
Мутации NALCN приводят к тяжелым нарушениям дыхательного ритма у мышей [39] и изменению циркадной локомоции у мух. [46] Мутации NALCN также связаны с множественными тяжелыми нарушениями развития [47] и цервикальной дистонией. [48] Шизофрения и биполярное расстройство также связаны с мутациями NALCN. [49]
Изменения рН крови и тканей сопровождают физиологические и патофизиологические состояния, такие как физические упражнения, ишемия сердца, ишемический инсульт и прием кокаина. Известно, что эти состояния вызывают симптомы электрических заболеваний у пациентов с мутациями натриевых каналов. Протоны вызывают разнообразный набор изменений в воротах натриевых каналов, которые обычно приводят к уменьшению амплитуды переходного натриевого тока и увеличению доли неинактивирующих каналов, пропускающих постоянные токи. Эти эффекты характерны для болезнетворных мутантов в нейронах, скелетных мышцах и сердечной ткани и могут усугубляться у мутантов, которые придают большую чувствительность к протонам натриевым каналам, что позволяет предположить роль протонов в запуске острых симптомов электрического заболевания. [50]
Данные одного канала кардиомиоцитов показали, что протоны могут снижать проводимость отдельных натриевых каналов. [51] Фильтр селективности натриевых каналов состоит из одного остатка в каждой из четырех петель пор четырех функциональных доменов. Эти четыре остатка известны как мотив DEKA. [52] Скорость проникновения натрия через натриевый канал определяется четырьмя карбоксилатными остатками, мотивом EEDD, которые составляют внешнее заряженное кольцо. [52] Протонирование этих карбоксилатов является одним из основных факторов блокировки протонов в натриевых каналах, хотя существуют и другие остатки, которые также способствуют чувствительности к pH. [53] Одним из таких остатков является C373 в натриевых каналах сердца , что делает его наиболее чувствительным к pH натриевым каналом среди изученных на сегодняшний день натриевых каналов. [54]
Поскольку сердечный натриевый канал является наиболее чувствительным к pH натриевым каналом, большая часть того, что известно, основана на этом канале. Было показано, что снижение внеклеточного pH деполяризует зависимость активации и инактивации от напряжения до более положительных потенциалов. Это указывает на то, что во время действий, которые снижают pH крови, таких как физические упражнения, вероятность активации и инактивации каналов выше, чем более положительные мембранные потенциалы, что может привести к потенциальным неблагоприятным последствиям. [55] Натриевые каналы, экспрессируемые в волокнах скелетных мышц, превратились в относительно pH-нечувствительные каналы. Было высказано предположение, что это защитный механизм против потенциальной чрезмерной или недостаточной возбудимости скелетных мышц, поскольку уровень pH крови очень чувствителен к изменению во время движения. [56] [57] Недавно было показано, что мутация смешанного синдрома, которая вызывает периодический паралич и миотонию в скелетных натриевых каналах, придает этому каналу рН-чувствительность, что делает ворота этого канала сходными с таковыми при сердечном подтипе. [58]
Эффекты протонирования охарактеризованы в Na v 1,1–Na v 1,5. Среди этих каналов Na v 1,1–Na v 1,3 и Na v 1,5 демонстрируют деполяризованную зависимость активации от напряжения, в то время как активация Na v 1,4 остается нечувствительной к ацидозу. Зависимость стационарной быстрой инактивации от напряжения не меняется в Na v 1,1–Na v 1,4, но стационарная быстрая инактивация в Na v 1,5 деполяризуется. Следовательно, среди изученных на сегодняшний день натриевых каналов Na v 1,4 является наименее чувствительным, а Na v 1,5 — наиболее протон-чувствительным подтипом. [59]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )компиляция генетических вариаций гена SCN1A, которые изменяют экспрессию или функцию Nav1.1