Никотиновые ацетилхолиновые рецепторы , или nAChR , являются рецепторными полипептидами , которые реагируют на нейротрансмиттер ацетилхолин . Никотиновые рецепторы также реагируют на такие препараты, как агонист никотин . Они обнаружены в центральной и периферической нервной системе, мышцах и многих других тканях многих организмов. В нервно-мышечном соединении они являются основным рецептором в мышцах для двигательной нервно-мышечной связи, которая контролирует сокращение мышц. В периферической нервной системе : (1) они передают исходящие сигналы от пресинаптических к постсинаптическим клеткам в симпатической и парасимпатической нервной системе , и (2) они являются рецепторами, обнаруженными на скелетных мышцах, которые получают ацетилхолин, высвобождаемый для сигнала о сокращении мышц. В иммунной системе nAChR регулируют воспалительные процессы и сигнализируют через различные внутриклеточные пути. [1] У насекомых холинергическая система ограничена центральной нервной системой . [2]
Никотиновые рецепторы считаются холинергическими рецепторами , поскольку они реагируют на ацетилхолин. Никотиновые рецепторы получили свое название от никотина , который не стимулирует мускариновые ацетилхолиновые рецепторы , а вместо этого избирательно связывается с никотиновыми рецепторами. [3] [4] [5] Мускариновый ацетилхолиновый рецептор также получил свое название от химического вещества, которое избирательно присоединяется к этому рецептору — мускарина . [6] Сам ацетилхолин связывается как с мускариновыми, так и с никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами. [7]
Как ионотропные рецепторы, nAChR напрямую связаны с ионными каналами. Некоторые данные свидетельствуют о том, что эти рецепторы также могут использовать вторичные мессенджеры (как это делают метаботропные рецепторы ) в некоторых случаях. [8] Никотиновые ацетилхолиновые рецепторы являются наиболее изученными из ионотропных рецепторов. [3]
Поскольку никотиновые рецепторы помогают передавать исходящие сигналы для симпатической и парасимпатической систем, антагонисты никотиновых рецепторов, такие как гексаметоний, мешают передаче этих сигналов. Так, например, антагонисты никотиновых рецепторов мешают барорефлексу [ 9] , который обычно корректирует изменения артериального давления посредством симпатической и парасимпатической стимуляции сердца.
Никотиновые рецепторы с молекулярной массой 290 кДа [10] состоят из пяти субъединиц, расположенных симметрично вокруг центральной поры [3] . Каждая субъединица состоит из четырех трансмембранных доменов с N- и C-концом, расположенным внеклеточно. Они обладают сходством с рецепторами ГАМК А , глициновыми рецепторами и серотониновыми рецепторами типа 3 (которые все являются ионотропными рецепторами) или сигнатурными белками Cys-loop [11] .
У позвоночных никотиновые рецепторы в целом подразделяются на два подтипа в зависимости от их основных участков экспрессии: никотиновые рецепторы мышечного типа и никотиновые рецепторы нейронального типа . В рецепторах мышечного типа, обнаруженных в нервно-мышечном соединении, рецепторы представляют собой либо эмбриональную форму, состоящую из субъединиц α 1 , β 1 , γ и δ в соотношении 2:1:1:1 ((α 1 ) 2 β 1 γδ), либо взрослую форму, состоящую из субъединиц α 1 , β 1 , δ и ε в соотношении 2:1:1:1 ((α 1 ) 2 β 1 δε). [3] [4] [5] [12] Нейрональные подтипы представляют собой различные гомомерные (все одного типа субъединиц) или гетеромерные (по крайней мере одна α и одна β) комбинации двенадцати различных субъединиц никотиновых рецепторов: α 2 −α 10 и β 2 −β 4 . Примеры нейрональных подтипов включают: (α 4 ) 3 (β 2 ) 2 , (α 4 ) 2 (β 2 ) 3 , (α 3 ) 2 (β 4 ) 3 , α 4 α 6 β 3 (β 2 ) 2 , (α 7 ) 5 и многие другие. В рецепторах как мышечного, так и нейронального типа субъединицы очень похожи друг на друга, особенно в гидрофобных областях. [13]
Ряд исследований с использованием электронной микроскопии и рентгеновской кристаллографии предоставили структурную информацию с очень высоким разрешением для мышечных и нейрональных нАХР и их связывающих доменов. [10] [14] [15] [16]
Как и для всех лиганд-управляемых ионных каналов, открытие поры канала nAChR требует связывания химического мессенджера. Для обозначения молекул, связывающих рецепторы, используются несколько различных терминов, таких как лиганд , агонист или трансмиттер. Помимо эндогенного агониста ацетилхолина , агонисты nAChR включают никотин , эпибатидин и холин . Никотиновые антагонисты, которые блокируют рецептор, включают мекамиламин, дигидро-β-эритроидин и гексаметоний . [13]
В мышечных nAChRs сайты связывания ацетилхолина расположены на интерфейсе α и либо ε, либо δ субъединиц. В нейрональных nAChR сайт связывания расположен на интерфейсе α и β субъединицы или между двумя α субъединицами в случае α 7 рецепторов. Сайт связывания расположен во внеклеточном домене около N-конца . [4] [17] Когда агонист связывается с сайтом, все присутствующие субъединицы претерпевают конформационные изменения, и канал открывается [18] , и открывается пора диаметром около 0,65 нм. [4]
Никотиновые AChR могут существовать в различных взаимопревращаемых конформационных состояниях. Связывание агониста стабилизирует открытые и десенсибилизированные состояния. В нормальных физиологических условиях рецептору нужно ровно две молекулы ACh, чтобы открыться. [19] Открытие канала позволяет положительно заряженным ионам перемещаться через него; в частности, натрий входит в клетку, а калий выходит. Чистый поток положительно заряженных ионов направлен внутрь.
nAChR является неселективным катионным каналом, что означает, что через него могут проходить несколько различных положительно заряженных ионов. [3] Он проницаем для Na + и K + , а некоторые комбинации субъединиц также проницаемы для Ca2 + . [4] [20] [21] Количество натрия и калия, которое каналы пропускают через свои поры (их проводимость ), варьируется от 50 до 110 пСм , причем проводимость зависит от конкретного состава субъединиц, а также от проникающего иона. [22]
Многие нейронные nAChR могут влиять на высвобождение других нейротрансмиттеров. [5] Канал обычно открывается быстро и имеет тенденцию оставаться открытым до тех пор , пока агонист не диффундирует , что обычно занимает около 1 миллисекунды . [4] AChR могут спонтанно открываться без связанных лигандов или спонтанно закрываться со связанными лигандами, и мутации в канале могут сместить вероятность любого из этих событий. [23] [18] Таким образом, связывание ACh изменяет вероятность открытия пор, которая увеличивается по мере связывания большего количества ACh.
nAChR неспособен связывать ACh при связывании с любым из α-нейротоксинов змеиного яда . Эти α- нейротоксины антагонистически связываются прочно и нековалентно с nAChR скелетных мышц и нейронов, тем самым блокируя действие ACh на постсинаптической мембране, ингибируя поток ионов и приводя к параличу и смерти. nAChR содержит два участка связывания для нейротоксинов змеиного яда. Прогресс в обнаружении динамики связывающего действия этих участков оказался сложным, хотя недавние исследования с использованием динамики нормального режима [24] помогли предсказать природу как механизмов связывания змеиных токсинов, так и ACh с nAChR. Эти исследования показали, что скручивающее движение, вызванное связыванием ACh, вероятно, отвечает за открытие пор, и что одной или двух молекул α-бунгаротоксина (или другого длинноцепочечного α-нейротоксина) достаточно, чтобы остановить это движение. Токсины, по-видимому, связывают вместе соседние субъединицы рецептора, препятствуя скручиванию и, следовательно, открывающему движению. [25]
Активация рецепторов никотином изменяет состояние нейронов посредством двух основных механизмов. С одной стороны, движение катионов вызывает деполяризацию плазматической мембраны (что приводит к возбуждающему постсинаптическому потенциалу в нейронах ), что приводит к активации потенциалзависимых ионных каналов . С другой стороны, поступление кальция действует, либо напрямую, либо косвенно, на различные внутриклеточные каскады . Это приводит, например, к регуляции активности некоторых генов или высвобождению нейротрансмиттеров . [ необходима цитата ]
Десенсибилизация рецепторов, связанная с лигандом, была впервые охарактеризована Кацем и Теслеффом в никотиновом ацетилхолиновом рецепторе. [26]
Длительное или повторное воздействие стимула часто приводит к снижению чувствительности этого рецептора к стимулу, что называется десенсибилизацией. Функция nAChR может быть модулирована фосфорилированием [27] путем активации вторичных мессенджер-зависимых протеинкиназ. Было показано, что PKA [26] и PKC , [28] , а также тирозинкиназы, [29] фосфорилируют nAChR, что приводит к его десенсибилизации. Сообщалось, что после длительного воздействия агониста на рецептор, сам агонист вызывает конформационное изменение рецептора, вызванное агонистом, что приводит к десенсибилизации рецептора. [30]
Десенсибилизированные рецепторы могут вернуться в длительное открытое состояние, когда агонист связан в присутствии положительного аллостерического модулятора, например, PNU-120,596 . [31] Кроме того, есть данные, указывающие на то, что определенные молекулы шаперона оказывают регуляторное воздействие на эти рецепторы. [32]
Субъединицы никотиновых рецепторов принадлежат к мультигенному семейству (16 членов у людей), и сборка комбинаций субъединиц приводит к большому количеству различных рецепторов (для получения дополнительной информации см. базу данных Ligand-Gated Ion Channel). Эти рецепторы с весьма изменчивыми кинетическими , электрофизиологическими и фармакологическими свойствами реагируют на никотин по-разному, при очень разных эффективных концентрациях. Это функциональное разнообразие позволяет им принимать участие в двух основных типах нейротрансмиссии. Классическая синаптическая передача (проводная передача) включает в себя высвобождение высоких концентраций нейротрансмиттера, действующего на непосредственно соседние рецепторы. Напротив, паракринная передача (объемная передача) включает в себя нейротрансмиттеры, высвобождаемые аксональными терминалами , которые затем диффундируют через внеклеточную среду, пока не достигнут своих рецепторов, которые могут быть отдаленными. [33] Никотиновые рецепторы также могут быть обнаружены в различных синаптических местах; например, мышечный никотиновый рецептор всегда функционирует постсинаптически. Нейрональные формы рецептора могут быть обнаружены как постсинаптически (участвуют в классической нейротрансмиссии), так и пресинаптически [34] , где они могут влиять на высвобождение множества нейротрансмиттеров.
Было идентифицировано 17 субъединиц nAChR позвоночных, которые делятся на субъединицы мышечного и нейронального типа. Хотя субъединица/ген α 8 присутствует у видов птиц, таких как курица, она отсутствует у видов человека или млекопитающих. [35]
Субъединицы nAChR были разделены на четыре подсемейства (I–IV) на основе сходства в белковой последовательности. [36] Кроме того, подсемейство III было дополнительно разделено на три типа.
Нейрональные nAChR представляют собой трансмембранные белки , которые образуют пентамерные структуры, собранные из семейства субъединиц, состоящих из α 2 –α 10 и β 2 –β 4 . [37] Эти субъединицы были обнаружены в период с середины 1980-х до начала 1990-х годов, когда кДНК для нескольких субъединиц nAChR были клонированы из мозга крыс и кур, что привело к идентификации одиннадцати различных генов (двенадцати у кур), которые кодируют нейрональные субъединицы nAChR; идентифицированные гены субъединиц были названы α 2 –α 10 (α 8 обнаружен только у кур) и β 2 –β 4 . [38] Также было обнаружено, что различные комбинации субъединиц могут образовывать функциональные nAChR, которые могут активироваться ацетилхолином и никотином , а различные комбинации субъединиц генерируют подтипы nAChR с разнообразными функциональными и фармакологическими свойствами. [39] При экспрессии по отдельности α 7 , α 8 , α 9 и α 10 способны образовывать функциональные рецепторы, но другим субъединицам α требуется присутствие субъединиц β для формирования функциональных рецепторов. [37] Было обнаружено, что у млекопитающих субъединицы nAchR кодируются 17 генами, и из них девять генов, кодирующих α-субъединицы, и три гена, кодирующих β-субъединицы, экспрессируются в мозге. nAChR, содержащие субъединицу β 2 (nAChR β 2 ) и nAChR α 7 , широко экспрессируются в мозге, тогда как другие субъединицы nAChR имеют более ограниченную экспрессию. [40] Пентамерная сборка nAChR подвергается воздействию субъединиц, которые производятся в различных типах клеток, например, в легких человека, где эпителиальные и мышечные пентамеры в значительной степени различаются. [41]
Важный кластер генов nAchR (CHRNA5/A3/B4) содержит гены, кодирующие субъединицы α5 , α3 и β4 . Генетические исследования выявили однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) в хромосомном локусе, кодирующем эти три гена nAChR, как факторы риска никотиновой зависимости , рака легких , хронической обструктивной болезни легких , алкоголизма и заболевания периферических артерий . [37] [42] Гены субъединиц nAChR CHRNA5/A3/B4 обнаружены в плотном кластере в хромосомном регионе 15q24–25. Субъединицы nAChR, кодируемые этим локусом, образуют преобладающие подтипы никотиновых рецепторов, экспрессируемых в периферической нервной системе (ПНС) и других ключевых участках центральной нервной системы (ЦНС) , таких как медиальная хабэнула , структура между лимбическим передним мозгом и средним мозгом, участвующая в основных холинергических цепях. [37] Дальнейшие исследования генов CHRNA5/A3/B4 показали, что «нейрональные» гены nAChR также экспрессируются в не-нейрональных клетках, где они участвуют в различных фундаментальных процессах, таких как воспаление. [43] Гены CHRNA5/A3/B4 коэкспрессируются во многих типах клеток, а транскрипционная активность промоторных областей трех генов регулируется многими из тех же самых факторов транскрипции, что демонстрирует, что их кластеризация может отражать контроль экспрессии генов. [37]
CHRNB3 и CHRNA6 также сгруппированы в кластер генов, расположенный на 8p11. [42] Многочисленные исследования показали, что SNPS в CHRNB3–CHRNA6 связаны с никотиновой зависимостью и курением, например, два SNP в CHRNB3, rs6474413 и rs10958726. [ 42] Генетическая изменчивость в этой области также влияет на восприимчивость к употреблению наркотиков, включая употребление кокаина и алкоголя. [44] Никотиновые рецепторы, содержащие субъединицы α 6 или β 3, экспрессируемые в областях мозга, особенно в вентральной тегментальной области и черной субстанции , важны для поведения, связанного с наркотиками, из-за их роли в высвобождении дофамина . [45] Генетическая изменчивость в этих генах может изменять чувствительность к наркотикам, связанным с наркотиками, многочисленными способами, включая изменение аминокислотной структуры белка или изменение транскрипционной и трансляционной регуляции. [44]
Другие хорошо изученные гены nAChR включают CHRNA4 и CHRNB2, которые были связаны с генами аутосомно-доминантной ночной эпилепсии лобной доли (ADNFLE) . [42] [46] Обе эти субъединицы nAChR присутствуют в мозге, и возникновение мутаций в этих двух субъединицах вызывает генерализованный тип эпилепсии. Примерами служат мутация вставки CHRNA4 776ins3, которая связана с ночными припадками и психиатрическими расстройствами, и мутация CHRNB2 I312M, которая, по-видимому, вызывает не только эпилепсию, но и весьма специфические когнитивные дефициты, такие как дефицит обучения и памяти. [46] [47] Между этими двумя генами существует естественная генетическая изменчивость, а анализ полиморфизмов отдельных нуклеотидов (SNP) и других модификаций генов показывает более высокую изменчивость в гене CHRNA4, чем в гене CHRNB2, что подразумевает, что nAChR β 2 , белок, кодируемый CHRNB2, ассоциируется с большим количеством субъединиц, чем α 4. CHRNA2 также был описан как третий кандидат на ночные приступы лобной доли. [42] [46]
В нескольких исследованиях сообщалось о связи между CHRNA7 и эндофенотипами психических расстройств и никотиновой зависимостью, что способствовало значительной клинической значимости α 7 и проводимым в этой области исследованиям. [46] CHRNA7 был одним из первых генов, которые считались связанными с шизофренией . Исследования выявили несколько полиморфизмов промотора CHRNA7, которые снижают транскрипционную активность генов, связанных с шизофренией, что согласуется с обнаружением сниженных уровней a7 nAChR в мозге пациентов с шизофренией. [46] Оба подтипа nAChR, α 4 β 2 и α 7 , были обнаружены значительно сниженными в посмертных исследованиях людей с шизофренией. [48] Кроме того, уровень курения значительно выше у людей с шизофренией, что подразумевает, что курение никотина может быть формой самолечения. [49]
Никотиновые рецепторы являются пентамерами этих субъединиц; т. е. каждый рецептор содержит пять субъединиц. Таким образом, существует огромный потенциал вариаций этих субъединиц, некоторые из которых встречаются чаще, чем другие. Наиболее широко выраженные подтипы включают (α 1 ) 2 β 1 δε (взрослый мышечный тип), (α 3 ) 2 (β 4 ) 3 (ганглиозный тип), (α 4 ) 2 (β 2 ) 3 (тип ЦНС) и (α 7 ) 5 (другой тип ЦНС). [50] Ниже приведено сравнение:
{{cite book}}
: |website=
проигнорировано ( помощь )имеет
следующие
значения: α
2
β
4
=9900 нМ [5], α
3
β
2
=14 нМ [1], α
3
β
4
=187 нМ [1], α
4
β
2
=1 нМ [4,6]. Из-за гетерогенности каналов nACh мы не обозначили первичную лекарственную мишень для никотина, хотя сообщается, что α
4
β
2
является преобладающим подтипом с высоким сродством в мозге, который опосредует никотиновую зависимость [2-3].