stringtranslate.com

Потенциал-управляемый кальциевый канал

Потенциалзависимые кальциевые каналы ( VGCC ), также известные как потенциалзависимые кальциевые каналы ( VDCC ), представляют собой группу потенциалзависимых ионных каналов, обнаруженных в мембране возбудимых клеток ( например, мышечных , глиальных клеток , нейронов ) с проницаемостью для ионов кальция Ca2 + . [1] [2] Эти каналы слабо проницаемы для ионов натрия , поэтому их также называют каналами Ca2 + –Na + , но их проницаемость для кальция примерно в 1000 раз больше, чем для натрия в нормальных физиологических условиях. [3]

При физиологическом или покоящемся мембранном потенциале VGCC обычно закрыты. Они активируются ( т. е . открываются) при деполяризованных мембранных потенциалах, и это является источником эпитета «потенциал-зависимый» . Концентрация кальция (ионов Ca 2+ ) обычно в несколько тысяч раз выше снаружи клетки, чем внутри. Активация определенных VGCC обеспечивает приток Ca 2+ в клетку, что, в зависимости от типа клетки, приводит к активации кальций-чувствительных калиевых каналов , мышечному сокращению , [4] возбуждению нейронов, повышению экспрессии генов или высвобождению гормонов или нейротрансмиттеров .

VGCC были иммунолокализованы в клубочковой зоне нормальных и гиперплазированных человеческих надпочечников , а также в аденомах, продуцирующих альдостерон (APA), и в последнем случае VGCC T-типа коррелировали с уровнями альдостерона в плазме пациентов. [5] Чрезмерная активация VGCC является основным компонентом эксайтотоксичности , поскольку сильно повышенные уровни внутриклеточного кальция активируют ферменты, которые при достаточно высоких уровнях могут разрушать основные клеточные структуры.

Структура

Потенциалзависимые кальциевые каналы формируются как комплекс из нескольких различных субъединиц: α 1 , α 2 δ, β 1-4 и γ. Субъединица α 1 формирует ионпроводящую пору, в то время как связанные с ней субъединицы имеют несколько функций, включая модуляцию пропускания. [6]

Канальные субъединицы

Существует несколько различных видов высоковольтных кальциевых каналов (HVGCC). Они структурно гомологичны среди различных типов; все они похожи, но не структурно идентичны. В лабораторных условиях их можно отличить друг от друга, изучая их физиологические роли и/или ингибирование определенными токсинами . Высоковольтные кальциевые каналы включают нейронный канал N-типа, блокируемый ω- конотоксином GVIA, канал R-типа (R означает R, устойчивый к другим блокаторам и токсинам, за исключением SNX-482 ), участвующий в плохо определенных процессах в мозге , тесно связанный канал P/Q-типа, блокируемый ω- агатоксинами , и дигидропиридин-чувствительные каналы L-типа, отвечающие за сопряжение возбуждения и сокращения скелетных , гладких и сердечных мышц , а также за секрецию гормонов в эндокринных клетках.

Ссылку на таблицу можно найти в Dunlap, Luebke и Turner (1995). [7]

α1Субъединица

Пора субъединицы α 1 (молекулярная масса ~190 кДа) является основной субъединицей, необходимой для функционирования канала в HVGCC, и состоит из характерных четырех гомологичных доменов I–IV, содержащих по шесть трансмембранных α-спиралей каждый. Субъединица α 1 образует селективную пору Ca 2+ , которая содержит потенциал-чувствительный аппарат и сайты связывания лекарств/токсинов. Всего у людей было идентифицировано десять субъединиц α 1 : [1] Субъединица α 1 содержит 4 гомологичных домена (обозначенных I–IV), каждый из которых содержит 6 трансмембранных спиралей (S1–S6). Такое расположение аналогично гомотетрамеру, образованному однодоменными субъединицами потенциал-зависимых калиевых каналов (которые также содержат по 6 спиралей TM). Архитектура из 4 доменов (и несколько ключевых регуляторных участков, таких как домен EF hand и IQ на C-конце) также характерна для потенциалзависимых натриевых каналов, которые, как полагают, эволюционно связаны с VGCC. [8] Трансмембранные спирали из 4 доменов выстраиваются в линию, образуя собственно канал; спирали S5 и S6, как полагают, выстилают внутреннюю поверхность пор, в то время как спирали S1–4 играют роль в стробировании и измерении напряжения (в частности, S4). [9] VGCC подвержены быстрой инактивации, которая, как полагают, состоит из 2 компонентов: потенциалзависимого (VGI) и кальцийзависимого (CGI). [10] Они различаются по использованию либо Ba 2+ , либо Ca 2+ в качестве носителя заряда во внешнем записывающем растворе ( in vitro ). Компонент CGI объясняется связыванием сигнального белка Ca 2+ -связывающего кальмодулина (CaM) по крайней мере с одним сайтом на канале, поскольку мутанты Ca 2+ -null CaM отменяют CGI в каналах L-типа. Не все каналы проявляют одинаковые регуляторные свойства, и конкретные детали этих механизмов до сих пор в значительной степени неизвестны.

α2δ Субъединица

Ген α 2 δ образует две субъединицы: α 2 и δ (обе являются продуктами одного и того же гена). Они связаны друг с другом дисульфидной связью и имеют общую молекулярную массу 170 кДа. α 2 — это внеклеточная гликозилированная субъединица, которая больше всего взаимодействует с субъединицей α 1. Субъединица δ имеет одну трансмембранную область с короткой внутриклеточной частью, которая служит для закрепления белка в плазматической мембране. Существует 4 гена α 2 δ:

Коэкспрессия α 2 δ усиливает уровень экспрессии субъединицы α 1 и вызывает увеличение амплитуды тока, более быструю кинетику активации и инактивации и гиперполяризационный сдвиг в зависимости инактивации от напряжения. Некоторые из этих эффектов наблюдаются в отсутствие субъединицы бета, тогда как в других случаях требуется коэкспрессия бета.

Субъединицы α 2 δ-1 и α 2 δ-2 являются местом связывания габапентиноидов . Этот класс препаратов включает два противосудорожных препарата, габапентин (Нейронтин) и прегабалин (Лирика), которые также находят применение при лечении хронической нейропатической боли. Субъединица α 2 δ также является местом связывания центрального депрессанта и анксиолитика фенибута , в дополнение к действию на другие цели. [11]

β-субъединица

Внутриклеточная субъединица β (55 кДа) представляет собой внутриклеточный белок типа MAGUK (Membrane-Associated Guanylate Kinase), содержащий домен гуанилаткиназы (GK) и домен SH3 (src homology 3). Домен гуанилаткиназы субъединицы β связывается с цитоплазматической петлей субъединицы α 1 I-II и регулирует активность HVGCC. Известно четыре гена для субъединицы β:

Предполагается, что цитозольная субъединица β играет важную роль в стабилизации конечной конформации субъединицы α 1 и доставке ее к клеточной мембране за счет своей способности маскировать сигнал удержания эндоплазматического ретикулума в субъединице α 1. Тормоз эндоплазматического удержания содержится в петле I–II в субъединице α 1 , которая становится замаскированной при связывании субъединицы β. [12] Таким образом, субъединица β изначально функционирует для регулирования плотности тока путем контроля количества субъединицы α 1, экспрессируемой на клеточной мембране.

В дополнение к этой транспортной роли субъединица β имеет дополнительные важные функции регулирования кинетики активации и инактивации и гиперполяризации зависимости напряжения для активации поры субъединицы α 1 , так что больше тока проходит при меньших деполяризациях . Субъединица β оказывает влияние на кинетику сердечного α 1 C в ооцитах Xenopus laevis, коэкспрессируемых с субъединицами β. Субъединица β действует как важный модулятор электрофизиологических свойств канала.

До недавнего времени считалось, что взаимодействие между высококонсервативной 18- аминокислотной областью на внутриклеточном линкере субъединицы α1 между доменами I и II (домен альфа-взаимодействия, AID) и областью на домене GK субъединицы β (карман связывания домена альфа-взаимодействия) исключительно отвечает за регуляторные эффекты субъединицы β. Недавно было обнаружено, что домен SH3 субъединицы β также оказывает дополнительные регуляторные эффекты на функцию канала, открывая возможность для субъединицы β иметь множественные регуляторные взаимодействия с порой субъединицы α 1. Кроме того, последовательность AID, по-видимому, не содержит сигнала удержания эндоплазматического ретикулума, и он может быть расположен в других областях линкера субъединицы α 1 I–II .

γ-субъединица

Известно, что субъединица γ1 связана с комплексами VGCC скелетных мышц, но доказательства неубедительны относительно других подтипов кальциевых каналов. Субъединица γ1 гликопротеина (33 кДа) состоит из четырех трансмембранных охватывающих спиралей. Субъединица γ1 не влияет на трафик и, по большей части, не требуется для регулирования комплекса канала. Однако γ 2 , γ 3 , γ 4 и γ 8 также связаны с рецепторами глутамата AMPA.

Существует 8 генов для гамма-субъединиц:

Физиология мышц

Когда гладкомышечная клетка деполяризуется, это вызывает открытие потенциалзависимых (L-типа) кальциевых каналов. [13] [14] Деполяризация может быть вызвана растяжением клетки, связыванием агониста с ее рецептором, сопряженным с G-белком ( GPCR ), или стимуляцией автономной нервной системы . Открытие кальциевого канала L-типа вызывает приток внеклеточного Ca 2+ , который затем связывает кальмодулин . Активированная молекула кальмодулина активирует киназу легкой цепи миозина (MLCK), которая фосфорилирует миозин в толстых нитях . Фосфорилированный миозин способен образовывать поперечные мостики с тонкими нитями актина , и гладкомышечное волокно (т. е. клетка) сокращается посредством механизма скользящей нити . (См. ссылку [13] для иллюстрации сигнального каскада с участием кальциевых каналов L-типа в гладких мышцах).

L-тип кальциевых каналов также обогащены в t-трубочках клеток поперечно-полосатых мышц , т. е. скелетных и сердечных миофибриллах . Когда эти клетки деполяризуются, L-тип кальциевых каналов открывается, как в гладких мышцах. В скелетных мышцах фактическое открытие канала, которое механически запирается на канал высвобождения кальция (он же рианодиновый рецептор , или RYR) в саркоплазматическом ретикулуме (SR), вызывает открытие RYR. В сердечной мышце открытие L-типа кальциевого канала обеспечивает приток кальция в клетку. Кальций связывается с каналами высвобождения кальция (RYR) в SR, открывая их; это явление называется « кальций-индуцированным высвобождением кальция », или CICR. Однако RYR открываются либо посредством механического запирания, либо CICR, Ca 2+ высвобождается из SR и может связываться с тропонином C на актиновых нитях. Затем мышцы сокращаются посредством механизма скользящих нитей, вызывая укорачивание саркомеров и сокращение мышц.

Изменения в выражении в процессе развития

На ранних стадиях развития наблюдается высокая экспрессия кальциевых каналов T-типа . Во время созревания нервной системы экспрессия токов N или L-типа становится более выраженной. [15] В результате зрелые нейроны экспрессируют больше кальциевых каналов, которые будут активированы только тогда, когда клетка значительно деполяризована . Различные уровни экспрессии каналов, активируемых низким напряжением (LVA) и активируемых высоким напряжением (HVA), также могут играть важную роль в нейрональной дифференцировке . В развивающихся спинномозговых нейронах Xenopus кальциевые каналы LVA несут спонтанный кальциевый транзит, который может быть необходим для того, чтобы нейрон принял ГАМКергический фенотип, а также для процесса роста . [16]

Клиническое значение

Антитела к потенциалзависимым кальциевым каналам связаны с миастеническим синдромом Ламберта-Итона , а также участвуют в паранеопластической мозжечковой дегенерации . [17]

Потенциалзависимые кальциевые каналы также связаны со злокачественной гипертермией [18] и синдромом Тимоти . [19]

Мутации гена CACNA1C с однонуклеотидным полиморфизмом в третьем интроне гена Cav1.2 [20] связаны с вариантом синдрома удлиненного интервала QT, называемым синдромом Тимоти [21] , а также с синдромом Бругада . [22] Крупномасштабные генетические анализы показали возможность того, что CACNA1C связан с биполярным расстройством [23] и впоследствии также с шизофренией . [24] [25] [26] Кроме того, аллель риска CACNA1C был связан с нарушением связей в мозге у пациентов с биполярным расстройством, в то время как у их здоровых родственников или здоровых лиц контрольной группы это нарушение не наблюдалось или наблюдалось лишь в незначительной степени. [27]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Catterall WA , Perez-Reyes E, Snutch TP, Striessnig J (декабрь 2005 г.). «Международный союз фармакологии. XLVIII. Номенклатура и структурно-функциональные связи потенциалзависимых кальциевых каналов». Pharmacological Reviews . 57 (4): 411–25. doi :10.1124/pr.57.4.5. PMID  16382099. S2CID  10386627.
  2. ^ Ямакаге М., Намики А. (февраль 2002 г.). «Кальциевые каналы — основные аспекты их структуры, функции и кодирования генов; анестезирующее действие на каналы — обзор». Канадский журнал анестезии . 49 (2): 151–64. doi : 10.1007/BF03020488 . PMID  11823393.
  3. ^ Холл Дж. Э. (2011). Учебник медицинской физиологии Гайтона и Холла с онлайн-доступом для консультаций со студентами (PDF) (12-е изд.). Филадельфия: Elsevier Saunders. стр. 64. ISBN 978-1-4160-4574-8. Архивировано из оригинала (PDF) 2011-05-16 . Получено 2011-03-22 .
  4. ^ Wilson DP, Susnjar M, Kiss E, Sutherland C, Walsh MP (август 2005 г.). «Сокращение каудальной артериальной гладкой мышцы крысы, вызванное тромбоксаном А2, включает активацию входа Ca2+ и сенсибилизацию Ca2+: фосфорилирование MYPT1, опосредованное Rho-ассоциированной киназой, на уровне Thr-855, но не Thr-697». The Biochemical Journal . 389 (Pt 3): 763–74. doi :10.1042/BJ20050237. PMC 1180727 . PMID  15823093. 
  5. ^ Фелисола С.Дж., Маекава Т., Накамура Ю., Сато Ф., Оно Ю., Кикучи К., Аритоми С., Икеда К., Ёсимура М., Тодзё К., Сасано Х. (октябрь 2014 г.). «Потенциал-управляемые кальциевые каналы в надпочечниках человека и первичный альдостеронизм». Журнал биохимии стероидов и молекулярной биологии . 144 Pt B (часть B): 410–6. дои : 10.1016/j.jsbmb.2014.08.012. PMID  25151951. S2CID  23622821.
  6. ^ Dolphin AC (январь 2006 г.). «Краткая история потенциалзависимых кальциевых каналов». British Journal of Pharmacology . 147 (Suppl 1): S56-62. doi :10.1038/sj.bjp.0706442. PMC 1760727. PMID  16402121 . 
  7. ^ Данлап К, Любке ДЖ, Тернер ТДЖ (февраль 1995). «Экзоцитотические каналы Ca2+ в центральных нейронах млекопитающих». Тенденции в нейронауках . 18 (2): 89–98. doi :10.1016/0166-2236(95)93882-X. PMID  7537420.
  8. ^ Zakon HH (июнь 2012 г.). «Адаптивная эволюция потенциалзависимых натриевых каналов: первые 800 миллионов лет» (PDF) . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (Suppl 1): 10619–25. Bibcode : 2012PNAS..10910619Z. doi : 10.1073/pnas.1201884109 . PMC 3386883. PMID  22723361 . 
  9. ^ Tombola F, Pathak MM, Isacoff EY (1 ноября 2006 г.). «Как напряжение открывает ионный канал?». Annual Review of Cell and Developmental Biology . 22 (1): 23–52. doi :10.1146/annurev.cellbio.21.020404.145837. PMID  16704338.
  10. ^ Cens T, Rousset M, Leyris JP, Fesquet P, Charnet P (январь–апрель 2006 г.). «Инактивация, зависящая от напряжения и кальция, в каналах Ca(2+), управляемых высоким напряжением». Progress in Biophysics and Molecular Biology . 90 (1–3): 104–17. doi :10.1016/j.pbiomolbio.2005.05.013. PMID  16038964.
  11. ^ Zvejniece L, Vavers E, Svalbe B, Veinberg G, Rizhanova K, Liepins V, Kalvinsh I, Dambrova M (октябрь 2015 г.). «R-фенибут связывается с субъединицей α2-δ потенциалзависимых кальциевых каналов и оказывает габапентин-подобные антиноцицептивные эффекты». Pharmacology Biochemistry and Behavior . 137 : 23–9. doi : 10.1016/j.pbb.2015.07.014. PMID  26234470. S2CID  42606053.
  12. ^ Bichet D, Cornet V, Geib S, Carlier E, Volsen S, Hoshi T, Mori Y, De Waard M (январь 2000 г.). «Петля I-II субъединицы альфа-1 канала Ca2+ содержит сигнал удержания эндоплазматического ретикулума, противодействующий субъединице бета». Neuron . 25 (1): 177–90. doi : 10.1016/S0896-6273(00)80881-8 . PMID  10707982.
  13. ^ ab Webb RC (декабрь 2003 г.). «Сокращение и расслабление гладких мышц». Advances in Physiology Education . 27 (1–4): 201–6. doi :10.1152/advan.00025.2003. PMID  14627618. S2CID  14267377.
  14. ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (2002). Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Garland Science. п. 1616. ИСБН 0-8153-3218-1.
  15. ^ Sanes DH, Reh TA (2012). Развитие нервной системы (Третье изд.). Elsevier Academic Press. С. 211–214. ISBN 9780080923208. OCLC  762720374.
  16. ^ Розенберг СС, Спитцер NC (октябрь 2011 г.). «Сигнализация кальция в развитии нейронов». Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 3 (10): a004259. doi :10.1101/cshperspect.a004259. PMC 3179332. PMID 21730044  . 
  17. ^ Bekircan-Kurt CE, Derle Çiftçi E, Kurne AT, Anlar B (март 2015 г.). «Неврологические заболевания, связанные с антителами к потенциалзависимым кальциевым каналам». World Journal of Clinical Cases . 3 (3): 293–300. doi : 10.12998 /wjcc.v3.i3.293 . PMC 4360501. PMID  25789302. 
  18. ^ Monnier N, Procaccio V, Stieglitz P, Lunardi J (июнь 1997 г.). «Восприимчивость к злокачественной гипертермии связана с мутацией альфа-1-субъединицы человеческого дигидропиридин-чувствительного L-типа потенциал-зависимого кальциевого канала рецептора в скелетных мышцах». American Journal of Human Genetics . 60 (6): 1316–25. doi :10.1086/515454. PMC 1716149 . PMID  9199552. 
  19. ^ Сплавски I, Тимоти К, Шарп Л, Дешер Н, Кумар П, Блуаз Р, Наполитано С, Шварц П, Джозеф Р, Кондурис К, Тагер-Флусберг Х , Приори С, Сангинетти М, Китинг М (2004). «Дисфункция кальциевых каналов Ca(V)1.2 вызывает мультисистемные расстройства, включая аритмию и аутизм». Клетка . 119 (1): 19–31. дои : 10.1016/j.cell.2004.09.011 . ПМИД  15454078.
  20. ^ Имбричи П., Камерино Д.К., Трикарико Д. (2013-05-07). "Основные каналы, вовлеченные в нейропсихиатрические расстройства и терапевтические перспективы". Frontiers in Genetics . 4 : 76. doi : 10.3389/fgene.2013.00076 . PMC 3646240. PMID  23675382. 
  21. ^ Пагон Р.А., Берд Т.К., Долан С.Р., Стивенс К., Сплавски И., Тимоти К.В., Приори С.Г., Наполитано С., Блуаз Р. (1993). «Синдром Тимоти». ПМИД  20301577. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ) [ требуется разъяснение ]
  22. ^ Хедли П.Л., Йоргенсен П., Шламовиц С., Мулман-Смук Дж., Кантерс Дж.К., Корфилд В.А., Кристиансен М. (сентябрь 2009 г.). «Генетическая основа синдрома Бругада: обновление мутации». Человеческая мутация . 30 (9): 1256–66. дои : 10.1002/humu.21066 . ПМИД  19606473.
  23. ^ Ferreira MA, O'Donovan MC, Meng YA, Jones IR, Ruderfer DM, Jones L и др. (сентябрь 2008 г.). «Совместный анализ ассоциаций по всему геному подтверждает роль ANK3 и CACNA1C в биполярном расстройстве». Nature Genetics . 40 (9): 1056–8. doi :10.1038/ng.209. PMC 2703780 . PMID  18711365. 
    • "Channeling Mental Illness: GWAS Links Ion Channels, Bipolar Disorder". Форум по исследованию шизофрении . Архивировано из оригинала 2010-12-18.
  24. ^ Green EK, Grozeva D, Jones I, Jones L, Kirov G, Caesar S, Gordon-Smith K, Fraser C, Forty L, Russell E, Hamshere ML, Moskvina V, Nikolov I, Farmer A, McGuffin P, Holmans PA, Owen MJ, O'Donovan MC, Craddock N (октябрь 2010 г.). «Аллель риска биполярного расстройства CACNA1C также несет риск рецидивирующей большой депрессии и шизофрении». Молекулярная психиатрия . 15 (10): 1016–22. doi :10.1038/mp.2009.49. PMC 3011210. PMID 19621016  . 
  25. ^ Curtis D, Vine AE, McQuillin A, Bass NJ, Pereira A, Kandaswamy R, Lawrence J, Anjorin A, Choudhury K, Datta SR, Puri V, Krasucki R, Pimm J, Thirumalai S, Quested D, Gurling HM (февраль 2011 г.). «Анализ ассоциаций по геному случай-случай показывает маркеры, дифференциально связанные с шизофренией и биполярным расстройством, и подразумевает гены кальциевых каналов». Psychiatric Genetics . 21 (1): 1–4. doi :10.1097/YPG.0b013e3283413382. PMC 3024533 . PMID  21057379. 
  26. ^ Рабочая группа по шизофрении Консорциума психиатрической геномики (2014-07-24). «Биологические идеи из 108 генетических локусов, связанных с шизофренией». Nature . 511 (7510): 421–427. Bibcode :2014Natur.511..421S. doi :10.1038/nature13595. ISSN  1476-4687. PMC 4112379 . PMID  25056061. 
  27. ^ Радуа Дж., Сургуладзе СА., Маршалл Н., Уолш М., Брамон Э., Кольер ДА., Прата Д.П., Мюррей Р.М., Макдональд К. (май 2013 г.). «Влияние аллельной вариации CACNA1C на эффективную связность во время эмоциональной обработки при биполярном расстройстве». Молекулярная психиатрия . 18 (5): 526–7. doi : 10.1038/mp.2012.61 . PMID  22614292.

Внешние ссылки