Молекулярної будова потенціалкерованого кальцієвого каналу

Зміст:

1. Властивості потенціалкерованих кальцієвих каналів.
2. Класифікація потенціалкерованих кальцієвих каналів.
3. Взаємодія кальцієвих каналів з неорганічними іонами.
4. Молекулярної будова потенціалкерованого кальцієвого каналу.
5. Регуляція високопорогових кальцієвих каналів фосфорилюванням і  вторинними посередниками.
6. Висновок.
7. Використана література.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Властивості потенціалкерованих кальцієвих каналів

  Надходження іонів кальцію в клітину відбувається в основному через кальцієві канали. Розрізняють два класи цих каналів: потенціал керовані та рецептокеровані. Рецептокеровані кальцієві канали пов 'язані з мембраними рецепторами, що взаємодіють в основному з нейромедіаторами і гормонами.  Кальцієві канали мають велике значення у життєдіяльності клітини. Крім електричного сигналу, вхід Са2+  в клітину може бути хімічним сигналом для активації екзоцитозу ( секреції), скорочення м'язів,активації інших сигналів, активації певних метаболічних шляхів, експресії генів тощо.         Потенціалкеровані кальцієві канали виявлено в плазматичній мембрані практично всіх електричнозбудливих клітин, зокрема, клітини серцевого м'яза, клітини гладеньких м 'язів,ендокринних клітин, м'язових волокон членистоногих, нервових клітин, клітин електрорецепторів ската тощо.

  Важливу роль у з'ясуванні властивостей потенціалкерованих кальцієвих каналів збудливих мембран відіграли дослідження на м'язових волокнах ракоподібних. За умов норми у відповідь на електричне подразнення тут, як правило, не виникають потенціали дії. Для м'язових волокон ракоподібних характерна розосереджена рухова іннервація. Активація їхніх скорочувальних елементів відбувається завдяки майже одночасному виникненню збудливих постсинаптичних потенціалів по всій довжині волокна.

  У разі введення в зовнішній розчин іонів тетраетил амонію (ТЕА) або тетрабутиламонію (сполук, що пригнічують калієві струми) м'язові волокна ракоподібних набувають спроможності генерувати потенціал дії, що поширюються вздовж волокна. На них не впливає видалення із зовнішнього розчину іонів натрію. У зв'язку з цим зроблено висновок, що потенціал дії виникають внаслідок збільшення проникності мембрани для двохвалентних катіонів. Потім було доведено, що збільшується проникність мембрани для іонів кальцію, а не для іонів магнію. Потенціал дії виникали без попереднього впливу іонам ТЕА в тому випадку, коли в зовнішньому розчині було отримано при дослідженні м'язових волокон комах.

  Найбільш повна інформація про спроможність двовалентних катіонів переносити вхідний струм у м'язових волокнах ракоподібних отримана С.Хагіварою та співробітниками в дослідженнях на м'язах морського жолудя Balanus nubilis . Діаметр цих волокон досягає 0.5-2 мм, а довжина – 5-6 см. Вони набували спроможності генерувати потенціал дії за принципом « все або нічого» при зменшенні внутрішньоклітинної концентрації іонізованого кальцію за допомогою ін'єкцій кальційхелатуючих речовин: ЕДТА, ЕГТА, цитрату. В межах норми внутрішньоклітинна концентрація іонів кальцію становила приблизно 107 моль/л. Потенціал дії виникав, коли вона була нижчою, ніж 8*10-8 моль/л. Цей ефект зумовлений  здатністю внутрішньоклітинних іонів кальцію блокувати кальцієві канали.

  Підвищення зовнішньої концентрації кальцію мало стабілізуючий вплив на мембрану ( це проявлялося в підвищенні порога виникнення потенціалу дії). Крім того, підвищувався максимум потенціалу дії. При відносно низьких концентраціях відбувалося його збільшення приблизно на 29 мВ у разі десятикратного збільшення концентрації іонів кальцію, що узгоджується з розрахунком кальцієвого рівноважного потенціалу за формулою Нернста:

ЕСа=

де ЕСа - рівноважний потенціал для іонів кальцію; [Са2+]0, [Са2+]1, - відповідно  зовнішньо- і внутрішньоклітинна концентрації іонізованого кальцію.

  Водночас зменшення внутрішньоклітинної концентрації іонів кальцію всередині м'язового волокна  з 8*108 до 8*109 моль/л не впливало на максимум потенціалу дії, хоча ЕСа повинен збільшитися при цьому на 29 мВ. У різних клітинах концентрація іонізуючого кальцію в цитозолю в 10 4 – 106 раз нижча позаклітинної. ЕСа становить приблизно +120…+175 мВ.

  Роль іонів кальцію як переносників вхідного струму під час потенціалу дії підтверджується вимірами входу радіоактивного 45Са2+ у м'язові волокна морського жолудя. Вхід іонів кальцію під час потенціалу дії м'язових волокон морського жолудя вивчали також за допомогою ін'єкцій екворину. Екворин є протеїн з молекулярною масою близько 31000. Його було виділено з медузи Aequorea forkalea. У разі взаємодії з іонізованим кальцієм екворин люмінесціює, що дає можливість виявити дуже низькі концентрації кальцію (10-8 моль/л).

  С.Хагівара і К.Такахаші припустили, що важливим проміжним етапом у механізмі проникнення іонів кальцію через мембрану є їхнє зв'ясування з певною структурою кальцієвого каналу. Перехід іонів кальцію із зовнішнього розчину всередину клітини схематично подано так:

Х+Са02+ ХСа Х + Са12+ ,

де Х -  місце зв'язування кальцію; Са02+ , Са12+ - іони кальцію, що знаходяться відповідно поза і всередині клітини. Згідно з поданою схемою іони кальцію можуть проходити через кальцієві канали тільки всередину клітини.

  Підвищення концентрації кальцію в зовнішньому розчині зумовлює збільшення кальцієвого струму тільки в певних межах змін концентрації, потім спостерігається насичення. Така залежність виражається формулою:

ІСа (Е)  =

ІСа (Е), ІСа макс (Е), КСа(Е) – залежні від мембранного потенціалу відповідно кальцієвий струм, граничне значення кальцієвого струму і константа дисоціації (КСа – зовнішня концентрація Са2+, при якій кальцієвий струм становить: ІСа макс/2 ).

  Через кальцієві канали достатньо легко проходять Sr2+ і Ва2+ . Струми, що переносяться іонами барію, нерідко значно перевищують кальцієві. Іони барію ефективно пригнічують калієві струми. Тому за наявності іонів барію більш чітко виділяються струми, що протікають по кальцієвих каналах. Для кальцієвих каналів плазматичної мембрани гігантських м'язових волокон морського жолудя характерне таке співвідношення струмів при еквімолярних концентраціях Са2+, Sr2+ і Ва2+  у зовнішньому розчині:

ІСа : І Sr : ІВа = 1,0:1,05:1,3.

  Активація  кальцієвих каналів звичайно здійснюється повільніше, ніж натрієвих. Для виділення струмів, що протікають по кальцієвих каналах, застосовують блокування калієвої провідності мембрани за допомогою ін'єкції всередину клітини ТЕА і Сs+. Для більш чітких реєстрацій струмів кальцієвих каналів як носіїв струму часто використовують Ва2+.

2. Класифікація потенціалкерованих кальцієвих каналів

  Дослідження на нейронах, проведені С.Федуловою, П.Костюком і М.Веселовським (1983) та Е.Кароне і Г.Люксом (1984), показали, що потенціал керовані кальцієві канали можна поділити на низькопорогові та високопорогові. На підставі фармакологічних та біофізичних характеристик розрізняють L-, N-, P-, Q-, R- і Т- типи кальцієвих каналів. Згідно з цією класифікацією до низькопорогових належить тільки Т-тип каналів. L-, N-, P-, Q- і R- типи відносяться до високопоргових. Т-тип каналів активується при більш негативних значеннях мембранного потенціалу, ніж високо порогові типи. Т-тип повільно активується і досить швидко інактивується. Сучасні дослідження довели, що низькопорогові кальцієві канали доцільно виділити як досить різноманітну підродину каналів. Її члени відрізняються за фармакологічними властивостями, іонною вибірковістю, кінетикою активації та інактивації. L-, N-, P-, Q- і R- типи каналів активуються значно швидше і між ними існує помітна різниця у розмірах і швидкості інактивації. N-тип інактивується значно швидше, ніж L-, P-, Q- і R- типи. Різні типи високопорогових каналів відрізняються чутливістю до специфічних блокаторів і токсинів. L-тип каналів ( дуже поширений, зокрема у скелетних м'язах , міокарді та нервових клітинах) чутливий до дигідроніридинів: зокрема агоніста (ВауК-2844) і антагоніста ніфедипіну.  N-тип каналів незворотно блокується токсином молюска Соnus magus  ώ-конотоксином GVIA. Токсин молюска Соnus magus  ώ-конотоксином MVIIIC пригнічує N- i P/Q- типи кальцієвих каналів. Токсин отрути павука Agelenopus aperta ώ-агатоксин- ІVА вибірково блокує Р-тип кальцієвих каналів. Q-тип каналів може бути заблокований більш високими концентраціями ώ-агатоксину- ІVА. Відмінність між Р-типом і Q-типом не завжди досить чітка, і саме це дає підставу розглядати Р- і Q-типи як P/Q- тип. У багатьох нейронах виявлено кальцієві струми, нечутливі до дії вищезазначених блокаторів. Вони були віднесені до R- типу. Т- і R- типи кальцієвих каналів високочутливі до блокуючої дії Ni2+. Інактивація контролює вхід Са2+ протягом потенціалу дії і тим самим відіграє важливу роль у реалізації  Внутрішньклітинного кальцієвого сигналу. В основі етіології таких неврологічних захворювань, як родинна геміплегічна мігрень і атаксія, лежать істотні зміни в інактивації кальцієвих каналів. Молекулярні механізми інактивації кальцієвих каналів менш зрозумілі, ніж механізми інактивації натрієвих та калієвих каналів. Інактивація кальцієвих каналів має три різновиди конфірмаційних змін, які забезпечують швидку і повільну потенціал залежні інактивації, а в деяких типах каналів кальцій залежний механізм інактивації. Здатність інактивуватись істотно відрізняється у різних типів кальцієвих каналів. Для

L-типу каналів властива дуже повільна  інактивація, яка залежить від сили кальцієвого струму, що входить в клітину. Вона зумовлена підвищенням концентрації Са2+ у навколо мембранному просторі всередині клітини. Введення всередину клітини кальційхелатуючих  речовин запобігає інактивації L-типу каналів. Внутрішньоклітинні іони магнію в концентрації 200 мкмоль блокують  N-тип кальцієвих каналів. Потенціалзалежна інактивація відбувається у N- і Q-типах каналів. Особливо чітко вона виражена у Т-типі кальцієвих каналів. На нервових клітинах було виявлено, що в різних ділянках індивідуального нейрона функціонують різні типи кальцієвих каналів. L-тип кальцієвих каналів знаходиться переважно в соматичній мембрані та в початкових частинах головних дендритів. L-тип кальцієвих каналів відіграє важливу роль у сполученні збудження і скорочення в серці. Канали P/Q- типу поширені вздовж дендритів клітин Пуркіньє мозочка. Вони також можуть бути в нейронах інших відділів мозку. Певна локалізація різних типів кальцієвих каналів має відношення до контролювання багатьох кальцій керованих клітинних процесів, таких як вивільнення нейромедіаторів , експресія генів, зростання нейритів. N-, P/Q- і R- типи кальцієвих каналів забезпечують вхід Са2+ у нервові закінчення і, головним чином, відповідають за секрецію  нейромедіаторів нервовими закінченнями.

  Існує значна кількість органічних блокаторів кальцієвих каналів, які широко використовуються клініці як анти аритмічні і судиннорозширювальні засоби. Найбільш поширеними органічними блокаторами є фенілалкіламіни (верапаміл і його похідне Д-600), дильтиазем, дигідропіридини, зокрема ніфедипін.

3. Взаємодія кальцієвих каналів з неорганічними іонами.

  С.Хагівара і К.Такахаші  встановили, що двовалентні іони, а також La3+, пригнічують струми, що протікають по кальцієвих каналах. В основі такої дії лежить конкурентне зв'язування кальцієвим каналом блокуючих іонів. Іони Ni2+, Cd2+,Co2+ i Mn2+ широко використовують як блокатори Т-типу кальцієвих каналів (низькопорогових каналів).

  Вивчаючи властивості кальцієвих каналів нейронів молюсків, П.Костюк і О.Кришталь виявили,  що в без кальцієвому зовнішньо клітинному розчині, що містить кальцієві хелатори ЕГТА або ЕДТА, відбувається модифікація кальцієвих каналів. Такі канали зберігають свою потенціал-залежність, але спроможні пропускати натрієвий струм. Натрієвий струм пригнічувався в разі введення в зовнішній розчин Са2+ у мікромолярних концентраціях, а також при блокуванні кальцієвих каналів верапамілом або Д-600.  Цей феномен пояснюють тим, що в без кальцієвому розчині властивості селективного фільтра кальцієвих каналів, розташованого у зовнішньому вході каналу, змінюються таким чином, що в канал можуть заходити іони натрію. Аналогічні результати було отримано на серцевому м'язі жаби та гладеньких м'язових клітинах.

 

 

4.Молекулярної будова потенціалкерованого кальцієвого каналу.

На рис.1. показано, що головна субодиниця кальцієвих каналів α1 являє собою структурний аналог α-субодиниці натрієвого  каналу. Кальцієві канали в нервових клітинах асоційовані з α2- і δ-субодиницями, які формулюють зв’язаний  дисульфідом трансмембранний глікопротеіоновий комплекс, а  β-субодиниця є внутрішньоклітинною. Кальцієві канали скелетних м’язів  мають трансмембранну γ-субодиницю. Первинна структура допоміжних α2-, β-,  δ- і γ-субодиниць кальцієвих каналів істотно відрізняється від β-субодиниць натрієвих каналів. Експресія кальцієвих каналів  (α-субодиниці) з допоміжними  α2-, β-,  δ- і γ-субодиницями модулює властивості еспресованх кальцієвих каналів і може значно збільшити їх експресію.

  Потенціалкеровані кальцієві канали  різноманітні за структурою і механізмами регуляції. Клоновано кілька різновидів їхніх субодиниць. 

  Кожний тип складається з великої α1-субодиниці в комплексі з однією або кількома меншими допоміжними субодиницями. Клоновано принаймі сім α1-, чотири β-, одну α2- і одну δ-субодиниці. Велика α1-субодиниця має чотири домени. Кожен з них має шість трансмембранних сегментів, які формують пору каналу. Гени, які кодують α1-субодиниці, позначені як A, B, C, D, E, G i S. S-ген кодує α1-субодиницю в скелетних м'язах. Експресовані α1-субодиниці у яйцеклітинах жаби Хеnopus leavis або клітинах яєчника китайського хом'яка  мають фармакологічні властивості, подібні до властивостей нативних типів кальцієвих каналів ( L-тип: α1-С, α1-D; N-тип : α1В; Q/P-тип: α1А; R- тип : α1Е). Функція різноманітних допоміжних субодиниць нативних типів кальцієвих каналів потребує подальшого вивчення. Відомо, що на інактивацію кальцієвих каналів впливає взаємодія α1-субодиниці з β-субодиницею.

У зв’язку з відсутністю відомостей відносно тривимірної структури каналів до цього часу залишаються мало з’ясованими молекулярні механізми таких критичних функцій іонних каналів, як вибіркова іонна провідність і потенціалзалежність.

 

Рис.1. Схематичне зображення молекулярної будови  α-субодиниці та допоміжних субодиниць потенціалкерованого кальцієвого каналу

5. Регуляція високопорогових кальцієвих каналів фосфорилюванням і  вторинними посередниками

Існують певні докази, що фосфорилювання кальцієвих каналів необхідне для їхнього функціонування. Вперше це було виявлено Ройтером і Шольцем при вивченні дії адреналіну й норадреналіну на кальцієві струми в міокарді ссавців та амфібій. Ці нейромедіатори підсилюють кальцієвий струм, взаємодіючи з β- адренорецепторами. Вони належать до класу метаботропних  рецепторів. Ефект опосередкований гуанозинтрифосфат-зв'язуючим G-білком, який активує аденілатциклазу, що призводить до підвищення внутрішньоклітинної концентрації циклічного аденозинмонофосфату (цАМФ). У свою чергу, це зумовлює активацію протеїнкінази А, що каталізує оборотне фосфорилювання кальцієвих каналів.