Кальциевый канал P-типа - P-type calcium channel

Кальциевые каналы Р-типа представляет собой тип напряжения-зависимое кальциевого канала . Подобно многим другим кальциевым каналам, управляемым высоким напряжением, субъединица α1 определяет большинство свойств канала. Буква «P» обозначает клетки Пуркинье мозжечка , относящиеся к первоначальному месту обнаружения канала. Кальциевые каналы P-типа играют аналогичную роль кальциевым каналам N-типа в высвобождении нейромедиаторов на пресинаптическом окончании и в интеграции нейронов во многих типах нейронов.

История

Эксперименты с кальциевыми каналами, которые привели к открытию кальциевых каналов P-типа, были первоначально завершены Ллинасом и Сугимори в 1980 году. Кальциевые каналы P-типа были названы в 1989 году, потому что они были обнаружены в нейронах Пуркинье млекопитающих . Они смогли использовать препарат in vitro для изучения ионных токов, которые определяют электрофизиологические свойства клеток Пуркинье . Они обнаружили, что существуют кальций-зависимые потенциалы действия, которые медленно растут и быстро падают, а затем претерпевают гиперполяризацию . Потенциалы действия зависели от напряжения, а постгиперполяризующие потенциалы были связаны со всплесками спайков, расположенными внутри дендритов клеток Пуркинье. Без потока кальция в клетках Пуркинье потенциалы действия спорадически срабатывают с высокой частотой.

Основные характеристики и структура

кальциевый канал, потенциалзависимый, P / Q-тип, альфа-субъединица 1A
Идентификаторы
Символ CACNA1A
Альт. символы Cav2.1 , CACNL1A4, SCA6, MHP1, MHP
ИУФАР 532
Ген NCBI 773
HGNC 1388
OMIM 601011
RefSeq NM_000068
UniProt O00555
Прочие данные
Locus Chr. 19 стр. 13

Кальциевые каналы P-типа представляют собой зависимые от напряжения кальциевые каналы , которые классифицируются как каналы класса активируемых высоким напряжением, наряду с каналами L-, N-, Q- и R-типа. Для активации этих каналов требуется сильная деполяризация . Они обнаруживаются на окончаниях аксонов, а также в соматодендритных участках нейронов центральной и периферической нервной системы. Кальциевые каналы P-типа также важны для высвобождения везикул , особенно нейротрансмиттеров и гормонов на синаптических окончаниях возбуждающих и тормозных синапсов.

Управляемые напряжением кальциевые каналы P-типа состоят из основной порообразующей субъединицы α1 (которая более конкретно обозначается как CaV2.1 ), субъединицы α2 и субъединицы β. В кальциевых каналах скелетных мышц могут быть субъединицы γ. Субъединица α1 кодируется специфически геном CACNA1A и состоит из четырех доменов, каждый из которых содержит шесть трансмембранных (S1-S6), охватывающих α-спирали. Считается, что петля S1-S2 и область S6 ответственны за инактивацию канала, область S4 служит датчиком напряжения, а петля S5-S6 образует поры. Внутри субъединицы α1 семь субъединиц. Субъединица A, называемая α1ACa2 +, соответствует тому, что функционально определяется как изоформы P-типа и Q-типа. Кальциевые каналы P-типа и Q-типа тесно связаны, поскольку они производятся из одного и того же гена посредством альтернативного сплайсинга. В качестве осложнения альтернативного сплайсинга каналы P-типа и Q-типа могут иметь различный состав субъединиц. Субъединица β регулирует кинетику и экспрессию канала вместе с субъединицей α2δ.

Распределение каналов

Окрашенная клетка Пуркинье мозжечка человека. На дендритах обнаружена высокая плотность кальциевых каналов P-типа.

Большинство кальциевых каналов P-типа расположены в нервной системе и сердце. Мечение антител - это основной метод, используемый для определения местоположения канала.

Области высокой экспрессии в системах млекопитающих включают:

Блокираторы каналов

Блокаторы кальциевых каналов P-типа препятствуют оттоку кальция. Блокирование кальциевых потоков может привести к нарушению функционирования и жизнеспособности организма. Эти эффекты могут привести к различным заболеваниям, которые более подробно описаны в разделе ниже.

Пор кальциевые каналы Р-типа чувствительны к соединениям , которые могут быть разделены на три группы:

  1. Блокаторы пептидных ионных каналов
  2. Низкомолекулярные соединения
  3. Терапия

Есть только два пептидных токсинов , которые избирательно блокировать каналы Р-тип: ω- агатоксин IVA и ω-агатоксин IVB. Другие упомянутые блокаторы, такие как низкомолекулярные и терапевтические блокаторы, неселективны. Это означает, что они действуют, могут действовать как на каналы P-типа, так и на другие каналы.

Селективный пептидный токсин ω-агатоксин

Яд паука Agelenopsis является специфическим блокатором кальциевых каналов P-типа.

Два известных блокатора, специфичных для кальциевых каналов P-типа, представляют собой пептиды, полученные из яда пауков Agelenopsis aperta . Токсинами этого яда, которые проявляют селективность в отношении каналов P-типа, являются ω-агатоксин IVA и ω-агатоксин IVB. Каждый из этих пептидных токсинов состоит из 48 аминокислот , связанных четырьмя дисульфидными связями . Хотя ω-агатоксин IVA и ω-агатоксин IVB имеют одинаковое сродство и селективность к каналам P-типа, их кинетика различна. Ω-агатоксин IVA влияет на запирающий механизм канала P-типа. Когда происходит сильная деполяризация для активации канала, ω-агатоксин IVA больше не может блокировать канал. Следовательно, ω-агатоксин IVA имеет очень низкое сродство к каналу, когда он открыт. Он связывается с субъединицей α 1A за пределами поры. Ω-агатоксин IVA рецепторы на канале P-типа расположен в линкере S3-S4. С другой стороны, блокирование каналов ω-агатоксином IVB происходит гораздо медленнее. Однако, подобно ω-агатоксину IVA, ω-агатоксин IVB не может связываться с каналом при сильной деполяризации.

Неселективные пептидные токсины

Блокаторы каналов Р-типа с низкой молекулярной массой

Блокаторы каналов с низкой молекулярной массой имеют преимущества перед пептидными блокаторами при разработке лекарств. Одним из преимуществ низкомолекулярных блокаторов каналов является то, что они могут проникать в ткань , что важно для преодоления гематоэнцефалического барьера . Специфического низкомолекулярного блокатора каналов P-типа не существует. Однако существует ряд таких соединений-блокаторов, которые могут влиять на активность каналов P-типа. К ним относятся:

Терапия

В клинической практике используются терапевтические средства, которые могут влиять на активность кальциевых каналов P-типа. Однако не предполагается , что первичной мишенью этих терапевтических средств являются каналы Р-типа. Например, антагонисты кальция , которые используются для лечения ишемической болезни сердца , гипертензии и сердечной аритмии , действуют путем ингибирования кальциевых каналов L-типа или T-типа . Некоторые из этих антагонистов кальция включают верапамил , дилтиазем , амлодипин , бенидипин , цилнидипин , никардипин и барнидипин . Хотя их основная цель - не каналы P-типа, эти антагонисты кальция также действуют, блокируя функцию каналов P-типа. Более того, флунаризин является еще одним антагонистом кальция, который используется для лечения мигрени . Его основные цели - это потенциалзависимые кальциевые и натриевые каналы . Флунаризин подавляет каналы P-типа, расположенные в срезах неокортекса . Он работает, чтобы подавить приток кальция внутрь. Мигрени, которые он помогает предотвратить, вызваны мутациями в гене «cacna1a» субъединицы канала P-типа. Также показано, что соединения, блокирующие каналы P-типа, помогают при судорогах . Эпилептические припадки вызваны повышенной нейротрансмиссией , которая частично является результатом каналов P-типа. Известно, что такие соединения, как леветирацетам , ламотриджин и карбамазепин , блокируют каналы P-типа, что помогает снизить частоту приступов. В целом, существуют различные неселективные блокаторы кальциевых каналов, которые помогают облегчить симптомы гипертонии , шизофрении , сердечной аритмии , эпилепсии , боли , астмы , брадикардии , стенокардии и болезни Альцгеймера . Хотя основной мишенью многих терапевтических соединений не являются каналы P-типа, необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, влияет ли блокировка каналов P-типа на клинические эффекты этих соединений.

Сопутствующие заболевания

Как нейротрансмиттеры высвобождаются из пресинаптического нейрона (A). B - постсинаптический нейрон. 1. Митохондрии; 2. Синаптический пузырек, полный нейромедиатора; 3. Ауторецепторный; 4. Синаптическая щель; 5. Рецептор нейротрансмиттера; 6. Кальциевый канал; 7. Нейромедиатор, высвобождающий слитые везикулы; 8. Насос обратного захвата нейротрансмиттеров.

Существует ряд неврологических заболеваний , которые связывают с нарушением работы или мутированием каналов типа P / Q.

Болезнь Альцгеймера

При болезни Альцгеймера происходит прогрессирующее накопление β-амилоидного белка (Aβ) в головном мозге. Развиваются амилоидные бляшки, которые приводят к основным симптомам болезни Альцгеймера. Белок глобуломера Aβ - это искусственное вещество, используемое в исследовательских экспериментах, которое имеет свойства, аналогичные свойствам олигомера Aβ, присутствующего в организме. Олигомер Aβ непосредственно регулирует кальциевые каналы P / Q-типа. Субъединица α1A отвечает за проведение кальциевого тока. Когда с белком глобуломера Aβ присутствуют только кальциевые каналы P / Q-типа, существует прямое воздействие на субъединицу α1A и приводит к увеличению кальциевого тока через кальциевые каналы P / Q-типа. Ответ зависит от дозы, поскольку концентрации 20 нМ и 200 нМ глобуломера Aβ необходимы для значительного увеличения тока кальция через канал в ооцитах Xenopus , показывая, что определенное накопление глобуломера Aβ необходимо для того, чтобы эффекты стали заметны. Когда ток кальция увеличивается, высвобождение нейромедиаторов также увеличивается, что может быть причиной токсичности у пациентов с болезнью Альцгеймера.

Мигрень

Ген CACNA1A кодирует альфа-субъединицу кальциевого канала P / Q-типа. Мутация R192Q гена CACNA1A является усилением функциональной мутации рецепторов P2X3. Рецепторы P2X3 присутствуют в нейронах тройничного ганглия и, как полагают, вносят основной вклад в семейную гемиплегическую мигрень . Используя эксперимент с детонацией , эта мутация могла быть выражена у мышей, что позволило провести исследования. Мутантная мышь имеет значительно более высокую активность рецептора P2X3, чем мышь дикого типа, из-за увеличения вероятности открытия канала и активации канала при более низких напряжениях. Эта повышенная активность рецептора приводит к большему потоку кальция через кальциевый канал P / Q-типа. Повышенная концентрация внутриклеточного кальция может способствовать возникновению острой боли тройничного нерва, которая обычно приводит к головной боли. Доказательства подтверждают, что мигрень - это нарушение возбудимости головного мозга, характеризующееся недостаточной регуляцией коркового возбуждающе-тормозного баланса.

Судороги

Леветирацетам - это противоэпилептический препарат, который можно использовать для лечения парциальных и генерализованных припадков . Леветирацетам ингибирует опосредованное P / Q-каналом высвобождение глутамата и снижает возбуждающие постсинаптические токи как AMPA-, так и NMDA-рецепторов в гиппокампе , особенно в зубчатой ​​извилине , которая, как известно, способствует развитию судорог. Ингибирование высвобождения глутамата приводит к противоэпилептическому ответу у пациентов, поскольку оно снижает возбуждающий постсинаптический ток. Существует много различных типов кальциевых каналов, поэтому, чтобы доказать прямое участие кальциевых каналов P / Q-типа , для блокирования канала был использован ингибитор потенциалзависимых кальциевых каналов P / Q-типа, омега-агатоксин TK . При блокировке пациенты больше не получали противоэпилептического эффекта от лекарств. Когда использовались блокаторы кальциевых каналов L-типа и N-типа , эффекты леветирацетама все еще наблюдались. Это убедительное доказательство того, что кальциевые каналы P / Q-типа участвуют в лечении леветирацетамом, что позволяет облегчить судороги.

Мутационные исследования

Многие мутации кальциевых каналов P-типа приводят к снижению уровня свободного внутриклеточного кальция. Поддержание гомеостаза кальция необходимо для нормально функционирующих нейронов. Изменение концентрации ионов кальция в клетке запускает множество заболеваний, в тяжелых случаях эти заболевания могут привести к массовой гибели нейронов.

Мутационные исследования позволяют экспериментаторам изучать генетически унаследованные каналопатии . Каннелопатия - это любое заболевание, которое возникает из-за неправильной работы ионных каналов или регуляторных белков. Один пример каннелопатии кальциевых каналов P-типа показан у гомозиготных атаксических мышей, которые рецессивны как по шатающимся, так и по более худым генам. У этих мышей имеются мутации в субъединице alpha1A их каналов P / Q-типа. Мутации в этих каналах приводят к дефициту клеток Пуркинье мозжечка, что резко снижает плотность тока каналов.

Шатающиеся мутации у мышей являются результатом миссенс-мутации и вызывают отсроченное начало судорог и атаксии. Шатаясь мутация замещает одну пролина вместо лейцина в пределах области P-канала. P-область отвечает за формирование поры ионного канала . Более бедная мутация, которая приводит к более серьезным симптомам, чем мутация колебания , является результатом замены одного нуклеотида , вызывающего сбои сплайсинга в пределах открытой рамки считывания каналов. Мутации в порообразующей субъединице кальциевых каналов P-типа вызывают атаксию, серьезное нарушение дыхания, уменьшая минутную вентиляцию и вызывая симптомы, связанные с ателектазом . Мутации в Ca V 2.1 также влияют на передачу в пре-Бетцингеровском комплексе , кластере интернейронов в стволе мозга, которые помогают регулировать дыхание.

Смотрите также

использованная литература