АТФ -чувствительный калиевый канал (или K- АТФ- канал) представляет собой тип калиевого канала , который закрывается внутриклеточными нуклеотидами , АТФ и АДФ . АТФ-чувствительные калиевые каналы состоят из субъединиц K ir 6.x-типа и субъединиц рецептора сульфонилмочевины (SUR), а также дополнительных компонентов. [1] K- АТФ- каналы широко распространены в плазматических мембранах ; [2] однако некоторые из них также можно обнаружить на субклеточных мембранах. Эти последние классы K- АТФ- каналов можно классифицировать как сарколеммальные («саркК- АТФ »), митохондриальные («митоК- АТФ ») или ядерные («нукК- АТФ »).
K -АТФ- каналы были впервые идентифицированы в кардиомиоцитах Акинори Нома в Японии. [3] Активность K- АТФ- канала , регулируемая глюкозой, была обнаружена в бета-клетках поджелудочной железы Фрэнсис Эшкрофт из Оксфордского университета . [4] Закрытие K- АТФ- каналов приводит к увеличению секреции инсулина в бета-клетках и снижению секреции глюкагона в альфа-клетках. [5]
SarcK ATP состоит из восьми белковых субъединиц ( октамеров ). Четыре из них являются членами семейства калиевых ионных каналов внутреннего выпрямителя K ir 6.x (либо K ir 6.1 , либо K ir 6.2 ), тогда как остальные четыре являются рецепторами сульфонилмочевины ( SUR1 , SUR2A и SUR2B ). [6] Субъединицы K ir имеют два трансмембранных участка и образуют поры канала. Субъединицы SUR имеют три дополнительных трансмембранных домена и содержат два нуклеотидсвязывающих домена на цитоплазматической стороне. [7] Они обеспечивают опосредованную нуклеотидами регуляцию калиевого канала и играют решающую роль в качестве датчика метаболического статуса. Эти субъединицы SUR также чувствительны к производным сульфонилмочевины, MgATP ( магниевой соли АТФ) и некоторым другим фармакологическим средствам открытия каналов. Хотя все SarcK ATP состоят из восьми субъединиц в соотношении 4:4, их точный состав варьируется в зависимости от типа ткани. [8]
MitoK ATP были впервые идентифицированы в 1991 году путем одноканальной записи внутренней митохондриальной мембраны. [9] Молекулярная структура митоК- АТФ менее понятна, чем структура саркК- АТФ . В некоторых сообщениях указывается, что сердечная митоК- АТФ состоит из субъединиц K ir 6.1 и K ir 6.2, но не состоит ни из SUR1, ни из SUR2. [10] [11] Совсем недавно было обнаружено, что некоторые мультипротеиновые комплексы, содержащие сукцинатдегидрогеназу, могут обеспечивать активность, аналогичную активности K- АТФ- каналов. [12]
Присутствие nucK- АТФ было подтверждено открытием того, что изолированные участки ядерной мембраны обладают свойствами, как кинетическими, так и фармакологическими, сходными с K -АТФ- каналами плазматической мембраны . [13]
Четыре гена были идентифицированы как члены семейства генов K- АТФ . Гены sur1 и kir6.2 расположены в chr11p15.1, а гены kir6.1 и sur2 — в chr12p12.1. Гены kir6.1 и kir6.2 кодируют порообразующие субъединицы K- АТФ- канала, причем субъединицы SUR кодируются геном sur1 (SUR1) или селективным сплайсингом гена sur2 (SUR2A и SUR2B). [14]
Изменения транскрипции этих генов и, следовательно, продукции K- АТФ- каналов напрямую связаны с изменениями метаболической среды. Например, высокие уровни глюкозы вызывают значительное снижение уровня мРНК kir6.2 – эффект, который можно обратить вспять за счет более низкой концентрации глюкозы. [15] Аналогичным образом, 60-минутная ишемия с последующей 24-72-часовой реперфузией приводит к увеличению транскрипции kir6.2 в миоцитах левого желудочка крысы. [16]
Был предложен механизм реакции К- АТФ клетки на гипоксию и ишемию. [17] Низкий уровень внутриклеточного кислорода снижает скорость метаболизма за счет замедления цикла ТСА в митохондриях. Не имея возможности эффективно переносить электроны, внутриклеточное соотношение НАД+ / НАДН снижается, активируя фосфотидилинозит-3- киназу и киназы, регулируемые внеклеточными сигналами. Это, в свою очередь, усиливает транскрипцию c-jun , создавая белок, который связывается с промотором sur2 . [ нужна цитата ]
Одним из важных последствий связи между клеточным окислительным стрессом и увеличением производства K- АТФ является то, что общая функция транспорта калия прямо пропорциональна мембранной концентрации этих каналов. При диабете каналы K- АТФ не могут функционировать должным образом, а выраженная чувствительность к легкой сердечной ишемии и гипоксии возникает из-за неспособности клеток адаптироваться к неблагоприятным окислительным условиям. [18]
Степень, в которой конкретные соединения способны регулировать открытие K- АТФ- каналов, зависит от типа ткани и, более конкретно, от основного метаболического субстрата ткани.
В бета-клетках поджелудочной железы АТФ является основным метаболическим источником, а соотношение АТФ/ АДФ определяет активность K- АТФ- канала. В условиях покоя слабо выпрямляющиеся внутрь K- АТФ- каналы в бета-клетках поджелудочной железы спонтанно активны, позволяя ионам калия выходить из клетки и поддерживая отрицательный мембранный потенциал покоя (немного более положительный, чем K + -реверсивный потенциал ). [19] При более высоком метаболизме глюкозы и, как следствие, повышенных относительных уровнях АТФ, K- АТФ- каналы закрываются, вызывая деполяризацию мембранного потенциала клетки , активируя потенциалзависимые кальциевые каналы и, таким образом, способствуя кальций-зависимому высвобождению. инсулина . [19] Переход из одного состояния в другое происходит быстро и синхронно благодаря мультимеризации С-конца среди ближайших молекул K- АТФ -канала. [20]
Кардиомиоциты , с другой стороны, получают большую часть своей энергии из длинноцепочечных жирных кислот и их ацил- КоА- эквивалентов. Сердечная ишемия, поскольку она замедляет окисление жирных кислот, вызывает накопление ацил-КоА и индуцирует открытие каналов К- АТФ , в то время как свободные жирные кислоты стабилизируют его закрытую конформацию. Это изменение было продемонстрировано при исследовании трансгенных мышей, выведенных с АТФ-нечувствительными калиевыми каналами. В поджелудочной железе эти каналы всегда были открыты, а в сердечных клетках оставались закрытыми. [21] [22]
С наступлением клеточного энергетического кризиса функция митохондрий имеет тенденцию снижаться. Это происходит из-за переменного потенциала внутренней мембраны , несбалансированного трансмембранного транспорта ионов и перепроизводства свободных радикалов , среди других факторов. [8] В такой ситуации митоК -АТФ- каналы открываются и закрываются, регулируя как внутреннюю концентрацию Ca 2+ , так и степень набухания мембраны. Это помогает восстановить правильный мембранный потенциал, обеспечивая дальнейший отток H + , который продолжает обеспечивать градиент протонов, необходимый для синтеза митохондриального АТФ. Без помощи калиевых каналов истощение высокоэнергетических фосфатов опережало бы скорость, с которой могла бы создаваться АТФ в условиях неблагоприятного электрохимического градиента . [23]
Ядерные и сарколеммальные K- АТФ- каналы также способствуют выносливости и восстановлению после метаболического стресса. Чтобы сохранить энергию, sarcK- АТФ открывается, сокращая продолжительность потенциала действия , в то время как nucK -АТФ- опосредованные изменения концентрации Ca 2+ внутри ядра способствуют экспрессии генов защитных белков. [8]
Ишемия сердца, хотя и не всегда приводит к немедленному летальному исходу, часто приводит к отсроченной гибели кардиомиоцитов в результате некроза , вызывая необратимое повреждение сердечной мышцы. Один метод, впервые описанный Кейтом Реймером в 1986 году, включает в себя подвергание пораженной ткани коротким, несмертельным периодам ишемии (3–5 минут) перед серьезным ишемическим инсультом. Эта процедура известна как ишемическое прекондиционирование («IPC»), и ее эффективность, по крайней мере частично, достигается за счет стимуляции K- АТФ- канала. [ нужна цитата ]
И SarcK ATP , и mitoK ATP необходимы для достижения максимального эффекта IPC. Селективная блокада митоК -АТФ с помощью 5-гидроксидекановой кислоты («5-HD») или MCC-134 [24] полностью ингибирует кардиозащиту, обеспечиваемую IPC, а генетический нокаут генов SarcK- АТФ [25] у мышей, как было показано, увеличивает базальный уровень АТФ. уровень травм по сравнению с мышами дикого типа. Считается, что эта базовая защита является результатом способности SarcK ATP предотвращать клеточную перегрузку Ca 2+ и подавление развития силы во время мышечного сокращения, тем самым сохраняя дефицитные энергетические ресурсы. [26]
Отсутствие sarcK ATP , помимо ослабления преимуществ IPC, значительно ухудшает способность миоцитов правильно распределять Ca 2+ , снижая чувствительность к сигналам симпатических нервов и предрасполагая субъекта к аритмии и внезапной смерти. [27] Аналогичным образом, sarcK ATP регулирует тонус гладких мышц сосудов , а делеция генов kir6.2 или sur2 приводит к спазму сосудов коронарных артерий и смерти. [28]
При дальнейшем изучении роли sarcK ATP в регуляции сердечного ритма было обнаружено, что мутантные формы канала, особенно мутации в субъединице SUR2, ответственны за дилатационную кардиомиопатию , особенно после ишемии/реперфузии. [29] До сих пор неясно, имеет ли открытие K- АТФ -каналов полностью про- или антиаритмический эффект. Увеличение калиевой проводимости должно стабилизировать мембранный потенциал во время ишемических инсультов, уменьшая степень инфаркта и эктопическую активность пейсмейкера . С другой стороны, открытие калиевых каналов ускоряет реполяризацию потенциала действия, возможно, вызывая аритмическое возвращение. [8]