Потенциалзависимые натриевые каналы ( VGSC ), также известные как потенциалзависимые натриевые каналы ( VDSC ), представляют собой группу потенциалзависимых ионных каналов, обнаруженных в мембране возбудимых клеток ( например , мышечных , глиальных клеток , нейронов и т. д.) с проницаемостью для ионов натрия Na + . Они являются основными каналами, участвующими в потенциале действия возбудимых клеток.
Натриевые каналы состоят из крупных альфа-субъединиц , которые связываются с вспомогательными белками, такими как бета-субъединицы . Альфа-субъединица образует ядро канала и функциональна сама по себе. Когда белок альфа-субъединицы экспрессируется клеткой, он способен образовывать пору в клеточной мембране, которая проводит Na + в зависимости от напряжения, даже если бета-субъединицы или другие известные модулирующие белки не экспрессируются. Когда вспомогательные белки собираются с α-субъединицами, полученный комплекс может демонстрировать измененную зависимость от напряжения и клеточную локализацию.
Альфа-субъединица состоит из четырех повторяющихся доменов, обозначенных I–IV, каждый из которых содержит шесть охватывающих мембрану сегментов, обозначенных S1–S6. Высококонсервативный сегмент S4 действует как датчик напряжения канала. Чувствительность этого канала к напряжению обусловлена положительными аминокислотами, расположенными в каждой третьей позиции. [2] При стимуляции изменением трансмембранного напряжения этот сегмент перемещается к внеклеточной стороне клеточной мембраны, позволяя каналу стать проницаемым для ионов. Ионы проводятся через центральную полость поры, которая состоит из двух основных областей. Более внешняя (т. е. более внеклеточная) часть поры образована «P-петлями» (область между S5 и S6) четырех доменов. Эта область является самой узкой частью поры и отвечает за ее ионную селективность. Внутренняя часть (т. е. более цитоплазматическая) поры является поровыми воротами и образована объединенными сегментами S5 и S6 четырех доменов. Домен поры также имеет боковые туннели или фенестрации, которые идут перпендикулярно оси поры. Эти фенестрации, которые соединяют центральную полость с мембраной, предположительно важны для доступности лекарств. [3] [4] [5]
В натриевых каналах млекопитающих область, связывающая домены III и IV, также важна для функционирования канала. Этот линкер DIII-IV отвечает за заклинивание поровых ворот после открытия канала, инактивируя их. [6]
Потенциал-зависимые Na + -каналы имеют три основных конформационных состояния: закрытое, открытое и инактивированное. Переходы вперед/назад между этими состояниями соответственно называются активацией/деактивацией (между открытым и закрытым соответственно), инактивацией/реактивацией (между инактивированным и открытым соответственно) и восстановлением из инактивированного/закрытого состояния инактивации (между инактивированным и закрытым соответственно). Закрытые и инактивированные состояния непроницаемы для ионов.
Перед возникновением потенциала действия аксональная мембрана находится в своем нормальном состоянии покоя , около -70 мВ в большинстве человеческих нейронов, а Na + -каналы находятся в дезактивированном состоянии, заблокированные на внеклеточной стороне их активационными воротами . В ответ на увеличение мембранного потенциала примерно до -55 мВ (в данном случае вызванное потенциалом действия), активационные ворота открываются, позволяя положительно заряженным ионам Na + поступать в нейрон через каналы и вызывая увеличение напряжения на нейрональной мембране до +30 мВ в человеческих нейронах. Поскольку напряжение на мембране изначально отрицательное, по мере того, как его напряжение увеличивается до нуля и выше (от -70 мВ в состоянии покоя до максимального значения +30 мВ), говорят, что оно деполяризуется. Это увеличение напряжения составляет восходящую фазу потенциала действия.
На пике потенциала действия, когда в нейрон поступает достаточно Na + и потенциал мембраны становится достаточно высоким, Na + каналы инактивируют себя, закрывая свои инактивационные ворота . Инактивационные ворота можно рассматривать как «заглушку», привязанную к доменам III и IV внутриклеточной альфа-субъединицы канала. Закрытие инактивационных ворот приводит к остановке потока Na + через канал, что, в свою очередь, приводит к прекращению роста мембранного потенциала. Закрытие инактивационных ворот создает рефрактерный период в каждом отдельном Na + канале. Этот рефрактерный период исключает возможность движения потенциала действия в противоположном направлении обратно к соме. При закрытых инактивационных воротах канал считается инактивированным. Когда Na + канал больше не вносит вклад в мембранный потенциал, потенциал уменьшается до своего потенциала покоя, поскольку нейрон реполяризуется и впоследствии гиперполяризуется, и это составляет падающую фазу потенциала действия. Таким образом, рефрактерный период каждого канала имеет решающее значение для однонаправленного распространения потенциала действия по аксону для обеспечения надлежащей коммуникации между нейронами.
Когда напряжение мембраны становится достаточно низким, инактивационные ворота снова открываются, а активационные ворота закрываются в процессе, называемом деинактивацией . При закрытых активационных воротах и открытых инактивационных воротах канал Na + снова находится в дезактивированном состоянии и готов участвовать в другом потенциале действия.
Когда какой-либо вид ионного канала не инактивируется сам, говорят, что он постоянно (или тонически) активен. Некоторые виды ионных каналов от природы постоянно активны. Однако генетические мутации, которые вызывают постоянную активность в других каналах, могут вызывать заболевания, создавая чрезмерную активность определенных видов нейронов. Мутации, которые мешают инактивации Na + -каналов, могут способствовать сердечно-сосудистым заболеваниям или эпилептическим припадкам из-за оконных токов , которые могут вызывать перевозбуждение мышечных и/или нервных клеток.
Временное поведение Na + -каналов можно моделировать с помощью марковской схемы или формализма типа Ходжкина–Хаксли . В первой схеме каждый канал занимает отдельное состояние с дифференциальными уравнениями , описывающими переходы между состояниями; во второй каналы рассматриваются как популяция , на которую влияют три независимые переменные управления. Каждая из этих переменных может достигать значения от 1 (полностью проницаемый для ионов) до 0 (полностью непроницаемый), произведение этих переменных дает процент проводящих каналов. Можно показать, что модель Ходжкина–Хаксли эквивалентна марковской модели. [ необходимо дальнейшее объяснение ]
Пора натриевых каналов содержит селективный фильтр , состоящий из отрицательно заряженных остатков аминокислот , которые притягивают положительный ион Na + и не пропускают отрицательно заряженные ионы, такие как хлорид . Катионы попадают в более узкую часть поры, которая имеет ширину 0,3 на 0,5 нм , что достаточно для того, чтобы пропустить один ион Na + с молекулой воды . Более крупный ион K + не может пройти через эту область. Ионы разных размеров также не могут взаимодействовать с отрицательно заряженными остатками глутаминовой кислоты , которые выстилают пору. [ необходима цитата ]
Потенциалзависимые натриевые каналы обычно состоят из альфа-субъединицы, которая образует пору ионной проводимости, и одной-двух бета-субъединиц, которые выполняют несколько функций, включая модуляцию управления каналом. [7] Экспрессии одной альфа-субъединицы достаточно для создания функционального канала.
Семейство натриевых каналов насчитывает 9 известных членов с аминокислотной идентичностью >50% в трансмембранных сегментах и внеклеточных петлевых областях. В настоящее время используется стандартизированная номенклатура натриевых каналов, которая поддерживается IUPHAR . [ 8]
Белки этих каналов называются Na v 1.1 через Na v 1.9. Имена генов обозначаются как SCN1A через SCN5A, затем SCN8A через SCN11A. [8] «Десятый член», Na x , не действует потенциалзависимым образом. Он имеет примерно похожую общую структуру. О его реальной функции известно немного, кроме того, что он также ассоциируется с бета-субъединицами. [9]
Вероятная эволюционная связь между этими каналами, основанная на сходстве их аминокислотных последовательностей, показана на рисунке 1. Отдельные натриевые каналы отличаются не только различиями в их последовательностях, но также и кинетикой и профилями экспрессии. Некоторые из этих данных суммированы в таблице 1 ниже.
Субъединицы бета-каналов натриевых каналов являются трансмембранными гликопротеинами типа 1 с внеклеточным N-концом и цитоплазматическим C-концом. Как члены суперсемейства Ig, субъединицы бета содержат прототипическую петлю Ig V-set в своем внеклеточном домене. Они не имеют никакой гомологии со своими аналогами кальциевых и калиевых каналов. [18] Вместо этого они гомологичны молекулам адгезии нейронных клеток (CAM) и большому семейству L1 CAM. Существует четыре различных бета-субъединицы, названных в порядке открытия: SCN1B, SCN2B, SCN3B, SCN4B (таблица 2). Бета-1 и бета-3 взаимодействуют с альфа-субъединицей нековалентно, тогда как бета-2 и бета-4 связываются с альфа-субъединицей через дисульфидную связь. [19] Натриевые каналы с большей вероятностью остаются открытыми при подпороговом мембранном потенциале при взаимодействии с бета-токсинами, что, в свою очередь, вызывает немедленное ощущение боли. [20]
Помимо регулирования пропускания каналов, бета-субъединицы натриевых каналов также модулируют экспрессию каналов и образуют связи с внутриклеточным цитоскелетом через анкирин и спектрин . [7] [21] [22] Потенциалзависимые натриевые каналы также собираются с различными другими белками, такими как белки FHF (гомологичный фактор фактора роста фибробластов), кальмодулин, цитоскелет или регуляторные киназы, [23] [7] [24] [ 25] [26] , которые образуют комплекс с натриевыми каналами, влияя на его экспрессию и/или функцию. Несколько бета-субъединиц взаимодействуют с одной или несколькими молекулами внеклеточного матрикса (ECM). Контактин, также известный как F3 или F11, ассоциируется с бета 1, как показано с помощью коиммунопреципитации. [27] Фибронектин -подобные (FN-подобные) повторы Tenascin -C и Tenascin -R связываются с бета 2 в отличие от эпидермального фактора роста -подобных (EGF-подобных) повторов, которые отталкивают бета 2. [28] Дезинтегрин и металлопротеиназа (ADAM) 10 сбрасывают эктодомен бета 2, возможно, вызывая рост нейритов. [29] Бета 3 и бета 1 связываются с нейрофасцином в перехватах Ранвье в развивающихся нейронах. [30]
Потенциал-управляемый натриевый канал присутствует у представителей хоанофлагеллят , которые считаются ближайшими живыми одноклеточными родственниками животных. [32] [33] Это говорит о том, что предковая форма животного канала была среди многих белков, которые играют центральную роль в жизни животных, но которые, как полагают, эволюционировали до многоклеточности. [34] Четырехдоменный животный потенциал-управляемый натриевый канал, вероятно, произошел от односубъединичного ионного канала, который, вероятно, был проницаем для ионов калия, через последовательность двух событий дупликации. [35] Эта модель подтверждается тем фактом, что субъединицы I и III (а также II и IV) группируются по сходству, что предполагает, что двухканальный промежуточный продукт, образованный в результате первой дупликации, существовал достаточно долго для того, чтобы произошло расхождение между его двумя субъединицами. После второй дупликации канал остался с двумя наборами похожих доменов. [35] Предполагается, что полученный четырехдоменный канал был проницаем в первую очередь для кальция и достигал селективности к натрию несколько раз независимо. [36] [37] После расхождения с беспозвоночными линия позвоночных претерпела две полногеномные дупликации (WGD), что дало набор из четырех прологов генов натриевых каналов у предкового позвоночного, все из которых были сохранены. [38] [39] После разделения четвероногих и костистых костистые, вероятно, претерпели третью WGD, что привело к восьми прологам натриевых каналов, экспрессируемых у многих современных рыб. [38] Считается, что современный набор генов натрия из десяти паралогов млекопитающих возник в результате серии параллельных и вложенных дупликаций, включающих два из четырех паралогов, присутствующих у предка всех четвероногих. [39]
Несколько рыб обладают электрическим органом, функционирующим с помощью потенциалзависимых натриевых каналов, что позволяет им общаться, обездвиживать добычу или отпугивать хищников, в зависимости от рыбы. Электрические органы, используемые для общения, развивались независимо по крайней мере дважды: у Gymnotiformes Южной Америки и Mormyriformes Африки. [40] У неэлектрических рыб каналы Na v 1.4a и Na v 1.4b присутствуют в мышцах, в то время как у Gymnotiformes и Mormyriformes Na v 1.4a исчез в мышцах и выражается в электрическом органе. [40]
В данной статье использован текст Марьям Иман, Атефе Саадабади и Асгара Давуда, доступный по лицензии CC BY 4.0.
компиляция генетических вариаций в гене SCN1A, которые изменяют экспрессию или функцию Nav1.1