Водородно-калиевая АТФаза

Класс транспортных белков

Желудочная водородно-калиевая АТФаза , также известная как H ⁺ /K ⁺ АТФаза , представляет собой фермент , который способствует подкислению желудка. ^[1] Он является членом АТФаз P-типа , также известных как АТФазы E ₁ -E ₂ из-за двух состояний. ^[2]

Биологическая функция и расположение

Желудочная водородно-калиевая АТФаза или H ⁺ / K ⁺ АТФаза является протонным насосом желудка . Он обменивает калий из просвета кишечника с цитоплазматическим гидроксонием ^[2] и является ферментом, главным образом ответственным за закисление содержимого желудка и активацию пищеварительного фермента пепсина ^[3] (см. Желудочная кислота ).

H ⁺ /K ⁺ АТФаза обнаружена в париетальных клетках , которые представляют собой высокоспециализированные эпителиальные клетки, расположенные во внутренней клеточной выстилке желудка, называемой слизистой оболочкой желудка . Париетальные клетки обладают обширной секреторной мембранной системой, и H ⁺ /K ⁺ АТФаза является основным белковым компонентом этих мембран. Небольшое количество H ⁺ /K ⁺ -АТФазы обнаружено также в мозговом веществе почек . ^[2]

Гены и структура белка

H ⁺ /K ⁺ АТФаза — гетеродимерный белок , продукт двух генов. Ген ATP4A ^[4] кодирует α-субъединицу H ⁺ /K ⁺ -АТФазы и представляет собой белок, содержащий ~1000 аминокислот, который содержит каталитические центры фермента и образует поры через клеточную мембрану, обеспечивающие транспорт ионов. Ионы гидроксония связываются с двумя активными центрами, присутствующими в α-субъединице. ^[5] Субъединица α также имеет сайт фосфорилирования (Asp ³⁸⁵ ). ^[6] Ген ATP4B ^[7] кодирует β-субъединицу H ⁺ /K ⁺ АТФазы, которая представляет собой белок, содержащий ~300 аминокислот с N-концевым цитоплазматическим доменом из 36 аминокислот, одним трансмембранным доменом и высокогликозилированный внеклеточный домен.

Структура водородно-калиевой АТФазы. Субъединица α показана розовым цветом; субъединица β показана синим цветом.

Субъединица H ⁺ /K ⁺ АТФазы β стабилизирует субъединицу H ⁺ /K ⁺ АТФазы α и необходима для функционирования фермента. Субъединица β предотвращает работу насоса в обратном направлении ^[8] и, по-видимому, также содержит сигналы, которые направляют гетеродимер к местам назначения на мембране внутри клетки, хотя некоторые из этих сигналов подчинены сигналам, обнаруженным в H ⁺ /K ⁺ АТФазе α. субъединица.

Структура H ⁺ /K ⁺ -АТФазы определена для человека, собак, свиней, крыс и кроликов и гомологична на 98% у всех видов. ^[2]

Ферментный механизм и активность

H ⁺ /K ⁺ АТФаза представляет собой АТФазу Р2 _- типа, член эукариотического класса АТФаз Р-типа . ^[9] Подобно Ca ²⁺ и Na ⁺ /K ⁺ АТФазы, H ⁺ /K ⁺ АТФаза функционирует как α, β протомер. ^[10] В отличие от других эукариотических АТФаз, H ⁺ /K ⁺ АТФаза электронейтральна и переносит один протон в просвет желудка на каждый ион калия, извлеченный из просвета желудка. ^[9] В качестве ионного насоса H ⁺ /K ⁺ АТФаза способна транспортировать ионы против градиента концентрации, используя энергию, полученную в результате гидролиза АТФ. Как и все АТФазы Р-типа, фосфатная группа переносится от аденозинтрифосфата (АТФ) к Н ⁺ /К ⁺ АТФазе во время транспортного цикла. Этот перенос фосфата приводит к конформационным изменениям фермента, который способствует транспорту ионов. ^{[ нужна цитата ]}

Водородно-калиевая АТФаза косвенно активируется гастрином , который заставляет клетки ECL выделять гистамин . ^[11] Гистамин связывается с H2-рецепторами на париетальных клетках, активируя цАМФ-зависимый путь , который заставляет фермент перемещаться от цитоплазматических трубчатых мембран к глубоко складчатым канальцам стимулированных париетальных клеток. ^[2] После локализации фермент поочередно меняет две конформации, E1 и E2, чтобы транспортировать ионы через мембрану.

Механизм H ⁺ /K ⁺ АТФазы, демонстрирующий, как конформационные изменения E1-E2 соответствуют высвобождению ионов. См. Шин и др. ^[2]

Конформация E1 связывает фосфат АТФ и ион гидроксония на цитоплазматической стороне. Затем фермент переходит в конформацию E2, позволяя гидроксонию высвобождаться в просвет. Конформация Е2 связывает калий и возвращается к конформации Е1, высвобождая фосфат и К ⁺ в цитоплазму, где другой АТФ может быть гидролизован для повторения цикла. ^[2] Субъединица β предотвращает возвращение конформации E2-P в конформацию E1-P, делая перекачку протонов однонаправленной. ^[8] Количество ионов, транспортируемых на одну АТФ, варьируется от 2H ⁺ /2K ⁺ до 1H ⁺ /1K ⁺ в зависимости от pH желудка. ^[12]

Актуальность и ингибирование заболевания

Ингибирование водородно-калиевой помпы для снижения кислотности желудка было наиболее распространенным методом лечения заболеваний, включая гастроэзофагеальную рефлюксную болезнь (ГЭРБ/ГЭРБ) и язвенную болезнь (ЯБ). ^[13] Снижение кислотности облегчает симптомы заболевания, но не лечит фактическую причину ГЭРБ (аномальное расслабление пищеводного сфинктера) или ЯБП ( Helicobacter pylori и НПВП ). ^[14]

^{Для ингибирования H +} /K ⁺ -АТФазы использовались три класса препаратов . Антагонисты H 2 -рецепторов , такие как циметидин (тагамет), ингибируют сигнальный путь, который приводит к активации АТФазы. Этот тип ингибиторов эффективен при лечении язв, но не предотвращает их образование, а толерантность к ним у пациентов развивается примерно через неделю, что приводит к снижению эффективности на 50%. ^{[15] Позже были разработаны} ингибиторы протонной помпы (ИПП), начиная с Тимопразола в 1975 году. ^[15] ИПП представляют собой активируемые кислотой пролекарства , которые ингибируют водородно-калийную АТФазу путем ковалентного связывания с активными насосами. ^[16] Современные ИПП, такие как омепразол, имеют короткий период полувыведения, составляющий примерно 90 минут. ^[17] Антагонисты кислотного насоса (APA) или калий-конкурентные блокаторы кислоты (PCAB) представляют собой третий тип ингибиторов, которые блокируют секрецию кислоты путем связывания с активным сайтом K ⁺ . ^[15] АФК обеспечивают более быстрое ингибирование, чем ИПП, поскольку они не требуют кислотной активации. Ревапразан был первым APA, использованным клинически в Восточной Азии, и в настоящее время разрабатываются другие APA, поскольку они, по данным клинических испытаний, обеспечивают лучший контроль кислотности. ^[17]

Инактивация протонной помпы также может привести к проблемам со здоровьем. Исследование на мышах, проведенное Krieg et al. ^[18] обнаружили, что мутация α-субъединицы насоса приводит к ахлоргидрии , что приводит к проблемам с абсорбцией железа, что приводит к дефициту железа и анемии . Использование ИПП не коррелирует с повышенным риском анемии, поэтому считается, что H ⁺ /K ^{+ -АТФаза способствует абсорбции железа, но не обязательно необходима. [18]}

Текущая связь деменции и ИПП была документирована в Германии и в исследовательских статьях, показывающих, как производные бензимидазола, астемизол (АСТ) и лансопразол (ЛНС) взаимодействуют с аномальными агрегатами тау-белка ( нейрофибриллярными клубками ). ^{[19] [20] [21]} Современные теории включают неселективную блокаду натриево-калиевых насосов в головном мозге, вызывающую осмотический дисбаланс или отек клеток. [мнение автора] Взаимодействие ИПП с другими препаратами, влияющими на натриево-калиевую помпу, например, с дигоксином, варфарином и т. д., хорошо документировано. ^[22] Память связана с астроцитами, а альфа3-субъединица аденозинового рецептора, обнаруженная в водородных/натрий-калиевых насосах, может быть очагом деменции. ^{[23] [24] [25]} Хроническое применение ИПП может вызвать снижение регуляции субъединицы альфа3, увеличивая повреждение астроцитов. ^[26] Остеопетроз, обусловленный геном TCIRG1, тесно связан с предстарческим слабоумием. ^{[27] [28]}

Смотрите также

• Открытие и разработка ингибиторов протонной помпы
• Сольватированный электрон

Рекомендации

1. Сакаи Х., Фуджи Т., Такегучи Н. (2016). «Глава 13. Протон-калиевые (H+/K+) АТФазы: свойства и роль в здоровье и болезнях». В Астрид С., Хельмут С., Роланд К.О. С. (ред.). Ионы щелочных металлов: их роль в жизни . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 16. Спрингер. стр. 459–483. дои : 10.1007/978-3-319-21756-7_13. ISBN 978-3-319-21755-0. ПМИД  26860309.
2. Шин, Дж. М., Мансон, К., Вагин, О., Сакс, Г. (2009). «Желудочная HK-АТФаза: структура, функции и ингибирование». Архив Pflügers: Европейский журнал физиологии . 457 (3): 609–622. дои : 10.1007/s00424-008-0495-4. ПМК 3079481 . ПМИД  18536934. 
3. Берг, Дж. М., Тимочко, Дж. Л., Страйер, Л. (2012). Биохимия (7-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company.
4. ATP4A АТФаза H+/K+, транспортирующая альфа-субъединицу
5. Чурасия, М., Састри, ГМ, Састри. ГН (2005). «Сайты связывания протонов и конформационный анализ H + K +-АТФазы». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 336 (3): 961–966. дои : 10.1016/j.bbrc.2005.08.205. ПМИД  16157306.
6. Шейрлинкс, Ф., Рауссен, В., Рейсшерт, Ж.-М., Гурмахти, Э. (2004). «Конформационные изменения желудочной H+/K+-АТФазы, контролируемые с помощью разностной инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье и обмена водорода/дейтерия». Биохимический журнал . 382 (Часть 1) (Изд. Часть 1): 121–129. дои : 10.1042/BJ20040277. ПМЦ 1133922 . ПМИД  15096097. 
7. ATP4B АТФаза H+/K+, транспортирующая бета-субъединицу
8. Абэ, К., Тани, К., Нисидзава, Т., Фудзиеси, Ю. (2009). «Межсубъединичное взаимодействие желудочной H+,K+-АТФазы предотвращает обратную реакцию транспортного цикла». Журнал ЭМБО . 28 (11): 1637–1643. дои : 10.1038/emboj.2009.102. ПМЦ 2693145 . ПМИД  19387495. 
9. Шин, Дж. М., Сакс, Г. (2009). «Ионно-движущие АТФазы: АТФазы P-типа». ЭЛС . дои : 10.1002/9780470015902.a0001379.pub2. ISBN 978-0-470-01617-6.
10. Дач, И., Олесен, К., Синьор, Л., Ниссен, П., Ле Мэр, М., Мёллер, СП, Эбель, К. (2012). «Активная H+,K+-АТФаза, солюбилизированная детергентом, является мономером». Журнал биологической химии . 287 (50): 41963–41978. дои : 10.1074/jbc.M112.398768 . ПМЦ 3516743 . ПМИД  23055529. 
11. Принц, К., Каджимура, М., Скотт, Д., Хеландер, Х., Шин, Дж., Безансон, М., Бамберг, К., Херси, С., Сакс, Г. (1992). «Кислотная секреция и H,K-АТФаза желудка». Йельский журнал биологии и медицины . 65 (6): 577–596. ПМЦ 2589780 . ПМИД  1341065. 
12. Абэ, К., Тани, К., Фридрих, Т., Фудзийоши, Ю. (2012). «Крио-ЭМ структура желудочной H+,K+-АТФазы с одним занятым катионсвязывающим участком». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (45): 18401–18406. Бибкод : 2012PNAS..10918401A. дои : 10.1073/pnas.1212294109 . ПМЦ 3494912 . ПМИД  23091039. 
13. Шин, Дж. М., Вагин, О., Мансон, К., Кидд, М., Модлин, И. М., Сакс, Г. (2008). «Молекулярные механизмы в терапии кислотозависимых заболеваний». Клеточные и молекулярные науки о жизни . 65 (2): 264–281. doi : 10.1007/s00018-007-7249-x. ПМК 3081136 . ПМИД  17928953. 
14. Йоманс, Северная Дакота (2011). «Язвенные сыщики: поиск причины язвенной болезни». Журнал гастроэнтерологии и гепатологии . 26 : 35–41. дои : 10.1111/j.1440-1746.2010.06537.x . PMID  21199512. S2CID  42592868.
15. Сакс, Г., Шин, Дж. М., Вагин, О., Ламбрехт, Н., Якубов, И., Мансон, К. (2007). «Желудочная H,K-АТФаза как мишень для лекарств: прошлое, настоящее и будущее». Журнал клинической гастроэнтерологии . 41 (Приложение 2): S226–S242. дои : 10.1097/MCG.0b013e31803233b7. ПМК 2860960 . ПМИД  17575528. 
16. Шин Дж. М., Сакс Г. (2008). «Фармакология ингибиторов протонной помпы». Текущие отчеты гастроэнтерологии . 10 (6): 528–534. дои : 10.1007/s11894-008-0098-4. ПМЦ 2855237 . ПМИД  19006606. 
17. Шин, Дж. М., Сакс, Г. (2009). «Длительные ингибиторы желудочной H,K-АТФазы». Экспертное обозрение клинической фармакологии . 2 (5): 461–468. дои : 10.1586/ecp.09.33. ПМЦ 2995460 . ПМИД  21132072. 
18. Криг Л., Мильштейн О., Кребс П., Ся Ю., Бейтлер Б., Ду, X. (2011). «Мутация альфа-субъединицы водородно-калийной АТФазы желудка вызывает железодефицитную анемию у мышей». Кровь . 118 (24): 6418–6425. doi : 10.1182/blood-2011-04-350082. ПМК 3236123 . ПМИД  21976678. 
19. Гомм В., фон Хольт К., Томе Ф., Бройх К., Майер В., Финк А., Добльхаммер Г., Хениш Б. (2016). «Связь ингибиторов протонной помпы с риском деменции: анализ данных фармакоэпидемиологических заявлений». ДЖАМА Нейрол . 73 (4): 410–416. дои : 10.1001/jamaneurol.2015.4791 . ПМИД  26882076.
20. Рохо Л.Е., Альзате-Моралес Дж., Сааведра И.Н., Дэвис П., Макчиони Р.Б. (2010). «Селективное взаимодействие лансопразола и астемизола с тау-полимерами: потенциальное новое клиническое применение в диагностике болезни Альцгеймера». Дж. Альцгеймер Дис . 19 (2): 573–89. дои : 10.3233/JAD-2010-1262. ПМЦ 2951486 . ПМИД  20110603. 
21. Фаваз М.В., Брукс А.Ф., Родник М.Э., Карпентер ГМ, Шао X, Десмонд Т.Дж., Шерман П., Кесада Калифорния, Хокли Б.Г., Килбурн М.Р., Альбин Р.Л., Фрей К.А., Скотт П.Дж. (2014). «Радиофармацевтические препараты с высоким сродством на основе лансопразола для ПЭТ-визуализации агрегированного тау при болезни Альцгеймера и прогрессирующем супрануклеарном параличе: синтез, доклиническая оценка и выбор свинца». ACS Chem Neurosci . 5 (8): 718–30. дои : 10.1021/cn500103u. ПМК 4140593 . ПМИД  24896980. Epub 2014, 16 июня.
22. Трифиро Г., Коррао С., Алаква М., Моретти С., Тари М., Капути А.П., Аркорачи В. (2006). «Риск взаимодействия с ингибиторами протонной помпы в общей практике: значительные разногласия между различными источниками информации о лекарствах». Бр Дж Клин Фармакол . 62 (5): 582–90. дои : 10.1111/j.1365-2125.2006.02687.x. ПМК 1885178 . ПМИД  16822281. 
23. Бьорклунд О, Шан М, Тонаццини I, Даре Э, Фредхольм BB (2008). «Аденозиновые рецепторы А1 и А3 защищают астроциты от гипоксического повреждения». Эур Дж Фармакол . 596 (1–3): 6–13. дои : 10.1016/j.ejphar.2008.08.002. ПМИД  18727925.Электронная публикация 2008 г., 13 августа.
24. Кармона М.А., Мурай К.К., Ван Л., Робертс А.Дж., Паскуале Э.Б. (2009). «Глиальный эфрин-А3 регулирует морфологию дендритных шипов гиппокампа и транспорт глутамата». Proc Natl Acad Sci США . 106 (30): 12524–12529. Бибкод : 2009PNAS..10612524C. дои : 10.1073/pnas.0903328106 . ПМЦ 2718351 . ПМИД  19592509. 
25. Бен Хаим Л., Каррильо-де Соваж М.А., Сейзериат К., Эскартин С. (2015). «Неуловимая роль реактивных астроцитов при нейродегенеративных заболеваниях». Переднеклеточные нейроны . 9 : 278. дои : 10.3389/fncel.2015.00278 . ПМЦ 4522610 . ПМИД  26283915. Электронная коллекция 2015
26. Гесси С., Мериги С., Стефанелли А., Фацци Д., Варани К., Бореа П.А. (2013). «Аденозиновые рецепторы A (1) и A (3) ингибируют LPS-индуцированное гипоксией накопление фактора-1 в мышиных астроцитах». Фармакол Рез . 76 : 157–70. дои : 10.1016/j.phrs.2013.08.002. ПМИД  23969284.Epub 2013, 19 августа.
27. "TCIRG1". Домашний справочник по генетике .
28. Кайфу Т., Накахара Дж., Инуи М., Мисима К., Момияма Т., Кадзи М., Сугахара А., Който Х., Удзике-Асаи А., Накамура А., Канадзава К., Тан-Такеучи К., Ивасаки К., Ёкояма В.М., Кудо А., Фудзивара М., Асо Х., Такай Т. (2003). «Остеопетроз и таламический гипомиелиноз с синаптической дегенерацией у мышей с дефицитом DAP12». Джей Клин Инвест . 111 (3): 323–32. дои : 10.1172/JCI16923. ПМК 151867 . ПМИД  12569157. 

Внешние ссылки

• Яо X, Форте JG (2003). «Клеточная биология секреции кислоты париетальными клетками». Анну. Преподобный физиол . 65 : 103–31. doi :10.1146/annurev. Physiol.65.072302.114200. ПМИД  12500969.
• Кюльбрандт В. (апрель 2004 г.). «Биология, структура и механизм АТФаз Р-типа». Нат. Преподобный мол. Клеточная Биол . 5 (4): 282–95. дои : 10.1038/nrm1354. PMID  15071553. S2CID  24927167.
• Данбар Л.А., Каплан М.Дж. (август 2001 г.). «Ионные насосы в поляризованных клетках: сортировка и регуляция Na+, K+- и H+, K+-АТФаз». Ж. Биол. Хим . 276 (32): 29617–20. дои : 10.1074/jbc.R100023200 . ПМИД  11404365.
• Сакс Г., Шин Дж. М., Бривинг С., Уоллмарк Б., Херси С. (1995). «Фармакология желудочного кислотного насоса: H +, K + АТФаза». Анну. Преподобный Фармакол. Токсикол . 35 : 277–305. дои : 10.1146/annurev.pa.35.040195.001425. ПМИД  7598495.
• Калий + водород + АТФаза в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)