Калиевые каналы с внутренним выпрямлением ( Kir , IRK ) представляют собой специфическую липидзависимую подгруппу калиевых каналов . На сегодняшний день в различных типах клеток млекопитающих, [1] растений, [2] и бактерий идентифицировано семь подсемейств . [3] Они активируются фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфатом ( PIP 2 ). Нарушение работы каналов связано с несколькими заболеваниями. [4] [5] Каналы IRK обладают поровым доменом, гомологичным потенциал -управляемым ионным каналам , и фланкирующими трансмембранными сегментами (TMS). Они могут существовать в мембране в виде гомо- или гетероолигомеров , и каждый мономер содержит от 2 до 4 ТМС. С точки зрения функции эти белки транспортируют калий (K + ) с большей тенденцией к поглощению K + , чем к экспорту K + . [3] Процесс внутренней выпрямления был открыт Денисом Ноблом в клетках сердечной мышцы в 1960-х годах [6] и Ричардом Адрианом и Аланом Ходжкиным в 1970 году в клетках скелетных мышц. [7]
Канал, который является «внутренним выпрямителем», — это канал, который легче пропускает ток (положительный заряд) во внутреннем направлении (внутрь ячейки), чем во внешнем направлении (из ячейки). Считается, что этот ток может играть важную роль в регуляции активности нейронов, помогая стабилизировать мембранный потенциал покоя клетки.
По соглашению, входящий ток (положительный заряд, перемещающийся в ячейку) отображается в зажиме напряжения как отклонение вниз, тогда как внешний ток (положительный заряд, перемещающийся из ячейки) отображается как отклонение вверх. При мембранном потенциале, отрицательном по отношению к реверсивному потенциалу калия , внутренние выпрямляющие каналы K + поддерживают поток положительно заряженных ионов K + в клетку, возвращая мембранный потенциал обратно к потенциалу покоя. Это можно увидеть на рисунке 1: когда мембранный потенциал фиксируется отрицательным по отношению к потенциалу покоя канала (например, -60 мВ), внутрь течет ток (т. е. в клетку течет положительный заряд). Однако, когда мембранный потенциал становится положительным по отношению к потенциалу покоя канала (например, +60 мВ), эти каналы пропускают очень небольшой ток. Проще говоря, этот канал пропускает гораздо больший ток во внутрь, чем наружу, в своем диапазоне рабочего напряжения. Эти каналы не являются идеальными выпрямителями, поскольку они могут пропускать некоторый внешний ток в диапазоне напряжений примерно на 30 мВ выше потенциала покоя.
Эти каналы отличаются от калиевых каналов, которые обычно отвечают за реполяризацию клетки после потенциала действия , таких как замедленное выпрямление и калиевые каналы А-типа . Эти более «типичные» калиевые каналы преимущественно проводят калиевые токи наружу (а не внутрь) при деполяризованных мембранных потенциалах, и их можно рассматривать как «внешне выпрямляющие». При первом обнаружении внутреннее выпрямление было названо «аномальным выпрямлением», чтобы отличить его от внешних калиевых токов. [8]
Внутренние выпрямители также отличаются от калиевых каналов с тандемными порами , которые в значительной степени ответственны за токи «утечки» K + . [9] Некоторые внутренние выпрямители, называемые «слабыми внутренними выпрямителями», проводят измеримые внешние токи K + при напряжениях, положительных по отношению к реверсивному потенциалу K + (что соответствует, но превышает малые токи выше линии 0 нА на рисунке 1). Они вместе с каналами «утечки» устанавливают мембранный потенциал покоя клетки. Другие каналы внутреннего выпрямления, называемые «сильными внутренними выпрямителями», вообще несут очень небольшой внешний ток и в основном активны при напряжениях, отрицательных по отношению к реверсивному потенциалу K + , где они переносят входящий ток (гораздо большие токи ниже линии 0 нА в Рисунок 1). [10]
Феномен внутреннего выпрямления Kir - каналов является результатом блокады с высоким сродством эндогенных полиаминов , а именно спермина , а также ионов магния , которые закупоривают поры каналов при положительных потенциалах, что приводит к уменьшению внешних токов. Эта зависимая от напряжения блокировка полиаминов приводит к эффективной проводимости тока только во внутреннем направлении. Хотя основная идея блокады полиаминов понятна, конкретные механизмы все еще остаются спорными. [11]
Все каналы K ir требуют для активации фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата (PIP 2 ). [12] PIP 2 связывается с Kir 2.2 и напрямую активирует его, обладая свойствами агониста. [13] В этом отношении каналы K ir представляют собой ионные каналы, управляемые лигандом PIP 2 .
Kir - каналы обнаружены во многих типах клеток, включая макрофаги , клетки сердца и почек , лейкоциты , нейроны и эндотелиальные клетки . Опосредуя небольшой деполяризующий ток K + при отрицательных мембранных потенциалах, они помогают установить мембранный потенциал покоя, а в случае группы K ir 3 они помогают опосредовать тормозные реакции нейромедиаторов , но их роль в клеточной физиологии варьируется в зависимости от типа клеток:
Зависимость от напряжения может регулироваться внешним K + , внутренним Mg2 + , внутренним АТФ и/или G-белками . P-домены каналов IRK демонстрируют ограниченное сходство последовательностей с доменами семейства VIC. Внутренние выпрямители играют роль в установлении потенциалов клеточной мембраны, а закрытие этих каналов при деполяризации позволяет возникать потенциалы действия большой продолжительности с фазой плато. Во внутренних выпрямителях отсутствуют внутренние спирали, чувствительные к напряжению, которые есть во многих каналах семейства VIC. В некоторых случаях (например, Kir1.1a, Kir6.1 и Kir6.2) прямое взаимодействие с членом суперсемейства ABC было предложено для придания гетеромерному комплексу уникальных функциональных и регуляторных свойств, включая чувствительность к АТФ. . Эти АТФ-чувствительные каналы обнаружены во многих тканях организма. Они делают активность канала реагирующей на цитоплазматическое соотношение АТФ/АДФ (повышение АТФ/АДФ закрывает канал). Человеческие рецепторы сульфонилмочевины SUR1 и SUR2 (spQ09428 и Q15527 соответственно) представляют собой белки ABC, которые регулируют каналы Kir6.1 и Kir6.2 в ответ на АТФ, а CFTR (TC #3.A.1.208.4) может регулировать Кир1.1а. [16]
Определены кристаллическая структура [17] и функции [18] бактерий семейства IRK-C. KirBac1.1 из Burkholderia pseudomallei имеет длину 333 аминокислотных остатка (aas) с двумя N-концевыми TMS, фланкирующими P-петлю (остатки 1–150), а C-концевая половина белка является гидрофильной. Он переносит одновалентные катионы с селективностью: K ≈ Rb ≈ Cs ≫ Li ≈ Na ≈ NMGM (протонированный N -метил- D -глюкамин ). Активность ингибируется Ba 2+ , Ca 2+ и низким pH. [18]
Существует семь подсемейств каналов Kir , обозначаемых как Kir 1 – Kir 7. [ 1] Каждое подсемейство состоит из нескольких членов (т.е. Kir 2.1 , Kir 2.2 , Kir 2.3 и т. д.), которые имеют почти идентичные аминокислоты. последовательности у известных видов млекопитающих.
Kir - каналы образуются из гомотетрамерных мембранных белков. Каждая из четырех идентичных белковых субъединиц состоит из двух трансмембранных альфа-спиралей (М1 и М2). Гететеротетрамеры могут образовываться между членами одного и того же подсемейства (т.е. K ir 2.1 и K ir 2.3), когда каналы сверхэкспрессируются.