stringtranslate.com

АТФ-чувствительный калиевый канал

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 »).

Открытие и структура

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]

Датчик клеточного метаболизма

Регуляция экспрессии генов

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]

Регуляция метаболизма

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]

Митохондриальный К- АТФ и регуляция аэробного метаболизма

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]

Сердечно-сосудистые K- АТФ- каналы и защита от ишемического повреждения

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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Стефан Д., Винклер М., Кюнер П., Расс Ю., Кваст Ю. (сентябрь 2006 г.). «Селективность репаглинида и глибенкламида для поджелудочной железы по сравнению с сердечно-сосудистыми каналами K (АТФ)». Диабетология . 49 (9): 2039–48. дои : 10.1007/s00125-006-0307-3 . ПМИД  16865362.
  2. ^ Бабенко А.П., Агилар-Брайан Л., Брайан Дж. (1998). «Вид на Sur/kir6.x, Katpchannels». Ежегодный обзор физиологии . 60 : 667–687. doi :10.1146/annurev. Physiol.60.1.667. ПМИД  9558481.
  3. ^ Нома А (1983). «АТФ-регулируемые К+-каналы в сердечной мышце». Природа . 305 (5930): 147–148. дои : 10.1038/305147a0. PMID  6310409. S2CID  31679373.
  4. ^ Эшкрофт Ф (1984). «Глюкоза индуцирует закрытие отдельных калиевых каналов в изолированных β-клетках поджелудочной железы крыс». Природа . 312 (5993): 446–448. Бибкод : 1984Natur.312..446A. дои : 10.1038/312446a0. PMID  6095103. S2CID  4340710.
  5. ^ Рорсман П., Рамрачея Р., Рорсман Н., Чжан К. (2014). «АТФ-регулируемые калиевые каналы и потенциалзависимые кальциевые каналы в альфа- и бета-клетках поджелудочной железы: сходные функции, но взаимное влияние на секрецию». Диабетология . 57 (9): 1749–1761. дои : 10.1007/s00125-014-3279-8. ПМИД  24906950.
  6. ^ Инагаки Н., Гоной Т., Клемент Дж. П., Намба Н., Инадзава Дж., Гонсалес Г., Агилар-Брайан Л., Сейно С., Брайан Дж. (ноябрь 1995 г.). «Восстановление IKATP: внутренняя субъединица выпрямителя плюс рецептор сульфонилмочевины». Наука . 270 (5239): 1166–70. дои : 10.1126/science.270.5239.1166. PMID  7502040. S2CID  26409797.
  7. ^ Сейно С, Мики Т (февраль 2003 г.). «Физиологическая и патофизиологическая роль АТФ-чувствительных K+-каналов». Прог. Биофиз. Мол. Биол . 81 (2): 133–76. дои : 10.1016/S0079-6107(02)00053-6. ПМИД  12565699.
  8. ^ abcd Чжо МЛ, Хуан Ю, Лю ДП, Лян CC (апрель 2005 г.). «KATP-канал: связь с клеточным метаболизмом и роль в сердечно-сосудистой системе». Межд. Дж. Биохим. Клеточная Биол . 37 (4): 751–64. doi :10.1016/j.biocel.2004.10.008. ПМИД  15694835.
  9. ^ Иноуэ I, Нагасе Х, Киши К, Хигути Т (июль 1991 г.). «АТФ-чувствительный К+-канал во внутренней мембране митохондрий». Природа . 352 (6332): 244–7. дои : 10.1038/352244a0. PMID  1857420. S2CID  4358756.
  10. ^ Лача З., Снайпс Дж.А., Миллер А.В., Сабо С., Гровер Г., Бусия Д.В. (ноябрь 2003 г.). «Митохондрии сердца содержат функциональные АТФ-зависимые K+-каналы». Дж. Мол. Клетка. Кардиол . 35 (11): 1339–47. дои : 10.1016/S0022-2828(03)00249-9. ПМИД  14596790.
  11. ^ Миронова Г.Д., Григорьев С.М., Скарга ЮЮ, Негода А.Е., Коломыткин ОВ (1997). «АТФ-зависимый калиевый канал из митохондрий печени крысы: ингибирующий анализ, кластеризация каналов». Мембранная клеточная биол . 10 (5): 583–91. ПМИД  9225262.
  12. ^ Ардехали Х., Чен З., Ко Ю., Мехиа-Альварес Р., Марбан Э. (август 2004 г.). «Мультипротеиновый комплекс, содержащий сукцинатдегидрогеназу, придает активность митохондриальному АТФ-чувствительному K+-каналу». Учеб. Натл. акад. наук. США . 101 (32): 11880–5. дои : 10.1073/pnas.0401703101 . ПМК 511068 . ПМИД  15284438. 
  13. ^ Кесада I, Ровира Дж. М., Мартин Ф, Рош Э, Надаль А, Сория Б (июль 2002 г.). «Ядерные каналы KATP запускают переходные процессы ядерного Ca (2+), которые модулируют ядерную функцию». Учеб. Натл. акад. наук. США . 99 (14): 9544–9. дои : 10.1073/pnas.142039299 . ПМК 123177 . ПМИД  12089327. 
  14. ^ Агилар-Брайан Л., Клемент Дж. П., Гонсалес Г., Кунджилвар К., Бабенко А., Брайан Дж. (январь 1998 г.). «К пониманию сборки и структуры каналов KATP». Физиол. Преподобный . 78 (1): 227–45. doi :10.1152/physrev.1998.78.1.227. PMID  9457174. S2CID  11851627.
  15. ^ Мориц В., Лич Калифорния, Феррер Дж., Хабенер Дж. Ф. (январь 2001 г.). «Регулируемая экспрессия субъединиц аденозинтрифосфат-чувствительных калиевых каналов в бета-клетках поджелудочной железы». Эндокринология . 142 (1): 129–38. дои : 10.1210/en.142.1.129 . ПМИД  11145575.
  16. ^ Акао М, Олер А, О'Рурк Б, Марбан Э (июнь 2001 г.). «Митохондриальные АТФ-чувствительные калиевые каналы ингибируют апоптоз, вызванный окислительным стрессом в сердечных клетках». Цирк. Рез . 88 (12): 1267–75. дои : 10.1161/hh1201.092094 . ПМИД  11420303.
  17. ^ Кроуфорд Р.М., Йованович С., Будас Г.Р., Дэвис А.М., Лад Х., Венгер Р.Х., Робертсон К.А., Рой DJ, Ранки Х.Дж., Йованович А. (август 2003 г.). «Хроническая легкая гипоксия защищает сердечные клетки H9c2 от острой гипоксии/реоксигенации путем регулирования экспрессии субъединицы SUR2A АТФ-чувствительного K+-канала». Ж. Биол. Хим . 278 (33): 31444–55. дои : 10.1074/jbc.M303051200 . ПМК 2134977 . ПМИД  12791696. 
  18. ^ Рен Ю, Сюй X, Ван X (декабрь 2003 г.). «Измененная экспрессия мРНК субъединиц АТФ-чувствительных и внутренних выпрямляющих калиевых каналов в сердце и аорте диабетических крыс, индуцированных стрептозотоцином». Дж. Фармакол. Наука . 93 (4): 478–83. дои : 10.1254/jphs.93.478 . ПМИД  14737020.
  19. ^ ab Craig TJ, Ashcroft FM, Prokes P (июль 2008 г.). «Как АТФ подавляет открытый канал КАТФ». Дж. Генерал Физиол . 132 (1): 131–144. дои : 10.1085/jgp.200709874. ПМК 2442177 . ПМИД  18591420. 
  20. ^ Маркворт Э., Шванстечер С, Шванстечер М (сентябрь 2000 г.). «АТФ4- опосредует закрытие АТФ-чувствительных калиевых каналов бета-клеток поджелудочной железы путем взаимодействия с 1 из 4 идентичных сайтов». Диабет . 49 (9): 1413–8. дои : 10.2337/диабет.49.9.1413. ПМИД  10969823.
  21. ^ Костер Дж., Маршалл Б., Энсор Н., Корбетт Дж., Николс С. (2000). «Направленная гиперактивность KATP-каналов β-клеток вызывает глубокий неонатальный диабет». Клетка . 100 (6): 645–654. дои : 10.1016/S0092-8674(00)80701-1 . PMID  10761930. S2CID  16641599.
  22. ^ Костер Дж.К., Кнопп А., Флэгг Т.П., Маркова К.П., Ша К., Энкветчакул Д., Бецуяку Т., Ямада К.А., Николс К.Г. (2001). «Толерантность к АТФ-нечувствительным KATP-каналам у трансгенных мышей». Исследование кровообращения . 89 (11): 1022–9. дои : 10.1161/hh2301.100342 . ПМИД  11717159.
  23. ^ Сюй М, Ван Ю, Аюб А, Ашраф М (сентябрь 2001 г.). «Активация митохондриального канала K (АТФ) уменьшает аноксическое повреждение за счет восстановления потенциала митохондриальной мембраны». Являюсь. Дж. Физиол. Сердечный цирк. Физиол . 281 (3): H1295–303. doi :10.1152/ajpheart.2001.281.3.H1295. PMID  11514300. S2CID  19081999.
  24. ^ Мубагва К., Фламенг В. (октябрь 2001 г.). «Аденозин, аденозиновые рецепторы и защита миокарда: обновленный обзор». Кардиоваск. Рез . 52 (1): 25–39. дои : 10.1016/S0008-6363(01)00358-3 . PMID  11557231. S2CID  7442045.
  25. ^ Сузуки М, Сайто Т, Сато Т, Тамагава М, Мики Т, Сейно С, Накая Х (февраль 2003 г.). «Кардиопротекторный эффект диазоксида опосредован активацией сарколеммальных, а не митохондриальных АТФ-чувствительных калиевых каналов у мышей». Тираж . 107 (5): 682–5. дои : 10.1161/01.CIR.0000055187.67365.81. PMID  12578868. S2CID  56186961.
  26. ^ Гонг Б, Мики Т, Сейно С, Рено Дж. М. (ноябрь 2000 г.). «Дефицит каналов АК (АТФ) влияет на напряжение покоя, а не на сократительную силу во время утомления скелетных мышц». Являюсь. J. Physiol., Cell Physiol . 279 (5): C1351–8. doi :10.1152/ajpcell.2000.279.5.C1351. PMID  11029282. S2CID  25717677.
  27. ^ Зингман Л.В., Ходжсон Д.М., Баст П.Х., Кейн Г.К., Перес-Терзич С., Гумина Р.Дж., Пукар Д., Биененграбер М., Дзея П.П., Мики Т., Сейно С., Алексеев А.Е., Терзич А. (октябрь 2002 г.). «Kir6.2 необходим для адаптации к стрессу». Учеб. Натл. акад. наук. США . 99 (20): 13278–83. Бибкод : 2002PNAS...9913278Z. дои : 10.1073/pnas.212315199 . ПМК 130624 . ПМИД  12271142. 
  28. ^ Чутков В.А., Пу Дж., Уиллер М.Т., Вада Т., Макиельски Дж.К., Бурант К.Ф., МакНелли Э.М. (июль 2002 г.). «Эпизодический спазм коронарных артерий и гипертония развиваются при отсутствии каналов Sur2 K (АТФ)». Дж. Клин. Вкладывать деньги . 110 (2): 203–8. дои : 10.1172/JCI15672. ПМК 151064 . ПМИД  12122112. 
  29. ^ Биененгребер М., Олсон Т.М., Селиванов В.А., Катманн ЕС, О'Кохлен Ф., Гао Ф, Каргер А.Б., Баллью Дж.Д., Ходжсон Д.М., Зингман Л.В., Панг Ю.П., Алексеев А.Е., Терзич А. (апрель 2004 г.). «Мутации ABCC9, выявленные при дилатационной кардиомиопатии человека, нарушают каталитическое управление KATP-каналом». Нат. Жене . 36 (4): 382–7. дои : 10.1038/ng1329. ЧВК 1995438 . ПМИД  15034580. 

дальнейшее чтение

Внешние ссылки