Kanał wapniowy typu P - P-type calcium channel
Kanałów wapniowych typu P to typ napięciowo-zależny kanał wapniowy . Podobnie jak w przypadku wielu innych kanałów wapniowych bramkowanych wysokim napięciem, podjednostka α1 określa większość właściwości kanału. Litera „P” oznacza móżdżkowe komórki Purkiniego , odnosząc się do początkowego miejsca odkrycia kanału. Kanały wapniowe typu P odgrywają podobną rolę do kanałów wapniowych typu N w uwalnianiu neuroprzekaźników na końcu presynaptycznym oraz w integracji neuronów w wielu typach neuronów.
Historia
Eksperymenty z kanałami wapniowymi, które doprowadziły do odkrycia kanałów wapniowych typu P, zostały początkowo ukończone przez Llinása i Sugimori w 1980 roku. Kanały wapniowe typu P zostały nazwane w 1989 roku, ponieważ zostały odkryte w neuronach Purkinjego ssaków . Udało im się wykorzystać preparat in vitro do zbadania prądów jonowych, które odpowiadają za właściwości elektrofizjologiczne komórek Purkinjego . Odkryli, że istnieją potencjały czynnościowe zależne od wapnia, które rosną powoli i szybko opadają, a następnie ulegają hiperpolaryzacji . Potencjały czynnościowe były zależne od napięcia, a wtórne potencjały hiperpolaryzacyjne były połączone z impulsami kolców, znajdującymi się w dendrytach komórek Purkinjego. Bez przepływu wapnia w komórkach Purkinjego potencjały czynnościowe sporadycznie zapalają się z dużą częstotliwością.
Podstawowe cechy i struktura
kanał wapniowy, zależny od napięcia, typ P/Q, podjednostka alfa 1A | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Identyfikatory | |||||||
Symbol | CACNA1A | ||||||
Alt. symbolika | Cav2.1 , CACNL1A4, SCA6, MHP1, MHP | ||||||
IUPHAR | 532 | ||||||
Gen NCBI | 773 | ||||||
HGNC | 1388 | ||||||
OMIM | 601011 | ||||||
RefSeq | NM_000068 | ||||||
UniProt | O00555 | ||||||
Inne dane | |||||||
Umiejscowienie | Chr. 19 s13 | ||||||
|
Kanały wapniowe typu P są zależnymi od napięcia kanałami wapniowymi, które są klasyfikowane jako kanał klasy aktywowanej wysokim napięciem, wraz z kanałami typu L-, N-, Q- i R. Kanały te wymagają silnej depolaryzacji, aby mogły zostać aktywowane. Znajdują się na zakończeniach aksonów, a także w somatodendrytycznych obszarach neuronów w ośrodkowym i obwodowym układzie nerwowym. Kanały wapniowe typu P są również krytyczne dla uwalniania pęcherzyków , w szczególności neuroprzekaźników i hormonów w synaptycznych zakończeniach synaps pobudzających i hamujących .
Bramkowane napięciem kanały wapniowe typu P składają się z głównej podjednostki tworzącej pory α1 (która jest bardziej szczegółowo określana jako CaV2.1 ), podjednostki α2 i podjednostki β. W kanałach wapniowych mięśni szkieletowych mogą znajdować się podjednostki γ. Podjednostka α1 jest specyficznie kodowana przez gen CACNA1A i składa się z czterech domen, z których każda zawiera sześć transbłonowych (S1-S6) obejmujących helisy α. Uważa się, że pętla S1-S2 i obszar S6 są odpowiedzialne za dezaktywację kanału, obszar S4 służy jako czujnik napięcia, a pętla S5-S6 tworzy por. W podjednostce α1 znajduje się siedem podjednostek. Podjednostka A, zwana α1ACa2+, odpowiada temu, co jest funkcjonalnie zdefiniowane jako izoformy typu P i Q. Kanały wapniowe typu P i Q są blisko spokrewnione, ponieważ są wytwarzane z tego samego genu w wyniku alternatywnego splicingu. Jako komplikacja alternatywnego splicingu, kanały typu P i typu Q mogą mieć różne składy podjednostek. Podjednostka β reguluje kinetykę i ekspresję kanału wraz z podjednostką α2δ.
Dystrybucja kanałów
Większość kanałów wapniowych typu P znajduje się w układzie nerwowym i sercu. Znakowanie przeciwciał jest podstawową metodą stosowaną do identyfikacji lokalizacji kanału.
Obszary o wysokiej ekspresji w systemach ssaków obejmują:
- Dendryty komórek Purkinjego
- Retikulum endoplazmatyczne gładkie
- Błona plazmatyczna somy (ciała komórki)
- Komórki okołokłębuszkowe w opuszce węchowej
- Kora móżdżku
- Neurony w pniu mózgu , korze śródwęchowej i gruszkowatej oraz habenula .
Blokery kanałów
Blokery kanału wapniowego typu P hamują przepływ wapnia. Zablokowanie prądów wapniowych może spowodować upośledzenie funkcjonowania i żywotności organizmu. Efekty te mogą prowadzić do różnych chorób, które są opisane bardziej szczegółowo w poniższej sekcji.
Porów kanałów wapniowych typu P są wrażliwe na związki, które można podzielić na trzy grupy:
- Blokery peptydowych kanałów jonowych
- Związki o niskiej masie cząsteczkowej
- Lecznictwo
Istnieją tylko dwa peptydu toksyny , które selektywnie blokować kanały typu P: ω- agatoxin IVa i ω-agatoxin IVb. Inne wspomniane blokery, takie jak blokery o niskiej masie cząsteczkowej i terapeutyczne, są nieselektywne. Oznacza to, że mogą działać na kanałach typu P, a także na innych kanałach.
Selektywna toksyna peptydowa ω-agatoksyna
Dwa znane blokery, które są specyficzne dla kanałów wapniowych typu P, to peptydy pochodzące z jadu pająka Agelenopsis aperta . Toksyny z tego jadu, które wykazują selektywność względem kanałów typu P, to ω-agatoksyna IVA i ω-agatoksyna IVB. Każda z tych toksyn peptydowych składa się z 48 aminokwasów, które są połączone czterema wiązaniami dwusiarczkowymi . Chociaż ω-agatoksyna IVA i ω-agatoksyna IVB mają takie samo powinowactwo i selektywność względem kanałów typu P, ich kinetyka jest różna. ω-agatoksyna IVA wpływa na mechanizm bramkowania kanału typu P. Gdy występuje silna depolaryzacja aktywująca kanał, ω-agatoksyna IVA nie może już blokować kanału. Dlatego ω-agatoksyna IVA ma bardzo niskie powinowactwo do kanału, gdy jest otwarty. Wiąże się z podjednostką α 1A na zewnątrz porów. Receptor ω-agatoksyny IVA na kanale typu P jest zlokalizowany na łączniku S3-S4. Z drugiej strony blokowanie kanałów przez ω-agatoksynę IVB zachodzi znacznie wolniej. Jednak podobnie jak ω-agatoksyna IVA, ω-agatoksyna IVB nie może wiązać się z kanałem po silnej depolaryzacji.
Nieselektywne toksyny peptydowe
- ω-Grammotoxin SPI jest toksyną peptydu pochodzącego z jadu pająka Grammostola spatulata . Działa on zmodyfikować kanału P typu bramkowania .
- ω-PnTx3-3, PnTx3-3 i fonetoksyna IIA to toksyny z pająka Phonoetrica nigriventer, które blokują przepływ prądu przez kanały wapniowe typu P.
- DW13.3 jest toksyną peptydową z pająka Filistata hibernalis i składa się z 74 aminokwasów. Działa również w celu blokowania prądu przez kanały wapniowe typu P.
- ω- Konotoksyny pochodzą z jadu ślimaków stożkowych . ω-Konotoksyna MVIIC działa w neuronach piramidowych CA1 hipokampa, blokując kanały typu P. Również w neuronach CA3 hipokampa ta toksyna blokuje transmisję synaptyczną . Jego efekty są powolne.
- Calcicludine pochodzi z jadu Dendroaspis angusticeps , który jest mambą zieloną . Posiada możliwość blokowania kanałów typu P w zależności od napięcia.
- Kurotoksyna pochodzi z jadu skorpiona Parabuthus . W neuronach w wzgórza , kurtoxin zmniejsza wysoki próg prądu wapnia, jednak w komórkach Purkinjego , zwiększa prądy wapnia.
Blokery kanałów typu P o niskiej masie cząsteczkowej
Blokery kanałów o niskiej masie cząsteczkowej mają przewagę nad blokerami peptydowymi w opracowywaniu leków. Jedną z zalet blokerów kanałów o niskiej masie cząsteczkowej jest to , że mogą przenikać do tkanek , co jest ważne dla przekraczania bariery krew-mózg . Nie ma specyficznego blokera kanału o niskiej masie cząsteczkowej dla kanałów typu P. Istnieje jednak szereg takich związków blokujących, które mogą wpływać na aktywność kanałów typu P. Obejmują one:
- Roskowityna jest inhibitorem kinazy cyklinozależnej . Zwiększa przepływ wapnia w międzyneuronach neostriatalnych , spowalniając dezaktywację kanału. Roskowityna może również działać jako agonista lub antagonista kanałów wapniowych typu P w błonie presynaptycznej.
- Izoprenalina jest agonistą receptorów β-adrenergicznych i powoduje wzrost prądu kanału wapniowego typu P. Izoprenalina działa poprzez szlak sygnałowy cAMP .
- Eliprodil i antazolina są antagonistami receptora NMDA i działają blokując kanały typu P. Eliprodil może zmniejszać prądy kanałów typu P w neuronach Purkinjego w móżdżku .
- Dodecyloamina może blokować kanały typu P tylko wtedy, gdy są one w stanie otwartym.
- Etanol może blokować kanały typu P, gdy ma wystarczająco wysokie stężenie. Zablokowanie kanałów typu P może być przyczyną ataksji podczas picia alkoholu .
Lecznictwo
Istnieją terapeutyki stosowane klinicznie, które mogą wpływać na aktywność kanałów wapniowych typu P. Jednak uważa się , że głównym celem tych środków terapeutycznych nie są kanały typu P. Na przykład antagoniści wapnia , których stosuje się w leczeniu choroby wieńcowej serca , nadciśnienia i arytmii serca , działają poprzez hamowanie kanałów wapniowych typu L lub T. Niektóre z tych antagonistów wapnia obejmują werapamil , diltiazem , amlodypinę , benidypinę , cylnidypinę , nikardypinę i barnidypinę . Chociaż ich głównym celem nie są kanały typu P, ci antagoniści wapnia działają również w celu blokowania funkcji kanałów typu P. Ponadto flunaryzyna jest kolejnym antagonistą wapnia stosowanym w leczeniu migreny . Jego głównym celem są kanały wapniowe i sodowe bramkowane napięciem . Flunaryzyna hamuje kanały typu P, które znajdują się w warstwach kory nowej . Działa hamująco na wewnętrzny przepływ wapnia. Migreny, którym pomaga zapobiegać, są spowodowane mutacjami w genie „cacna1a” podjednostki kanału typu P. Wykazano również, że związki blokujące kanały typu P pomagają w napadach padaczkowych . Napady padaczkowe spowodowane są wzmożoną neurotransmisją , która jest częściowo wynikiem działania kanałów typu P. Wiadomo, że związki takie jak lewetyracetam , lamotrygina i karbamazepina blokują kanały typu P, co pomogło zmniejszyć występowanie napadów padaczkowych. Ogólnie rzecz biorąc, istnieje wiele nieselektywnych blokerów kanałów wapniowych, które pomagają złagodzić objawy nadciśnienia , schizofrenii , arytmii serca , epilepsji , bólu , astmy , bradykardii , dusznicy bolesnej i choroby Alzheimera . Chociaż głównym celem wielu związków terapeutycznych nie są kanały typu P, dalsze badania muszą ustalić, czy na kliniczne efekty tych związków wpływa również blokada kanałów typu P.
Choroby pokrewne
Istnieje wiele chorób neurologicznych , które przypisuje się nieprawidłowemu działaniu lub zmutowanym kanałom typu P/Q.
Choroba Alzheimera
W chorobie Alzheimera następuje postępująca akumulacja białka β-amyloidu (Aβ) w mózgu. Powstają blaszki amyloidowe, które powodują kluczowe objawy choroby Alzheimera. Białko globulomerowe Aβ to sztuczna substancja wykorzystywana w eksperymentach badawczych, która ma właściwości zbliżone do występującego w organizmie oligomeru Aβ. Oligomer Aβ bezpośrednio reguluje kanały wapniowe typu P/Q. Za przewodzenie prądu wapniowego odpowiada podjednostka α1A. Gdy tylko kanały wapniowe typu P/Q są obecne z białkiem globulomerowym Aβ, występuje bezpośredni wpływ na podjednostkę α1A i skutkuje zwiększonym prądem wapniowym przez kanał wapniowy typu P/Q. Odpowiedź jest zależna od dawki, ponieważ stężenia 20 nM i 200 nM globulomeru Aβ są niezbędne do znacznego zwiększenia przepływu wapniowego przez kanał w oocytach Xenopus , co pokazuje, że pewne nagromadzenie globulomeru Aβ jest konieczne przed zaobserwowaniem efektów. Gdy prąd wapniowy jest zwiększony, wzrasta również uwalnianie neuroprzekaźników , co stanowi możliwą przyczynę toksyczności u pacjentów z chorobą Alzheimera.
Migrenowe bóle głowy
Do genu CACNA1A koduje podjednostkę alfa kanału wapniowego typu P / Q. Mutacja R192Q genu CACNA1A jest mutacją wzmocnienia funkcji receptorów P2X3. Receptory P2X3 są obecne w neuronach zwoju trójdzielnego i uważa się, że są głównym czynnikiem przyczyniającym się do rodzinnej migreny połowiczej . Dzięki eksperymentowi z knockinem ta mutacja może zostać wyrażona u myszy, co umożliwi prowadzenie badań. Zmutowana mysz ma znacznie wyższą aktywność receptora P2X3 niż mysz typu dzikiego z powodu zwiększonego prawdopodobieństwa otwarcia kanału i aktywacji kanału przy niższych napięciach. Ta zwiększona aktywność receptora powoduje wyższy przepływ wapnia przez kanał wapniowy typu P/Q. Zwiększone wewnątrzkomórkowe stężenie wapnia może przyczyniać się do ostrego bólu nerwu trójdzielnego, który zwykle powoduje ból głowy. Dowody potwierdzają, że migreny są zaburzeniem pobudliwości mózgu charakteryzującym się niedostateczną regulacją równowagi korowo-pobudzającej i hamującej.
Napady padaczkowe
Lewetyracetam jest lekiem przeciwpadaczkowym , który może być stosowany w leczeniu napadów częściowych i uogólnionych . Lewetriacetam hamuje P / Q kanału pośredniczy glutaminian uwalniania i zmniejsza pobudzające postsynaptycznej prądy obu AMPA i receptorów NMDA w hipokampie , w szczególności z zakrętu zębatego , które jest znane propagacji aktywności napadów. Hamowanie uwalniania glutaminianu powoduje u pacjentów odpowiedź przeciwpadaczkową, ponieważ zmniejsza pobudzający prąd postsynaptyczny. Istnieje wiele różnych typów kanałów wapniowych, więc aby udowodnić, że kanały wapniowe typu P/Q są bezpośrednio zaangażowane, do zablokowania kanału zastosowano inhibitor kanału wapniowego bramkowanego napięciem typu P/Q, omega-agatoksynę TK . Po zablokowaniu pacjenci nie odnosili już korzyści z przeciwpadaczkowego działania leków. Kiedy stosowano blokery kanałów wapniowych typu L i N , działanie lewetyracetamu było nadal widoczne. Jest to mocny dowód na to, że kanały wapniowe typu P/Q są zaangażowane w leczenie lewetyracetamem, co pozwala łagodzić napady padaczkowe.
Badania mutacji
Wiele mutacji kanałów wapniowych typu P powoduje obniżony poziom wewnątrzkomórkowego wolnego wapnia. Utrzymanie homeostazy wapnia jest niezbędne dla normalnie funkcjonujących neuronów. Zmiana stężenia komórkowego jonów wapnia działa jak wyzwalacz wielu chorób, w ciężkich przypadkach choroby te mogą powodować masową śmierć neuronów.
Badania mutacji umożliwiają eksperymentatorom badanie genetycznie dziedziczonych kanałopatii . Kanałopatia to każda choroba, która wynika z kanału jonowego z nieprawidłowo działającymi podjednostkami lub białkami regulatorowymi. Jeden przykład kanałopatii kanału wapniowego typu P pokazano u homozygotycznych myszy z ataksją , które są recesywne zarówno pod względem chwiejnych, jak i szczuplejszych genów. Te myszy wykazują mutacje w podjednostce alfa1A ich kanałów typu P/Q. Mutacje w tych kanałach powodują niedobory w móżdżkowych komórkach Purkiniego, które drastycznie zmniejszają gęstość prądu kanałów.
Chwiejne mutacje u myszy wynikają z mutacji zmiany sensu i powodują opóźniony początek napadów i ataksji. Niepewny mutacja podstawia jedną prolinę, zamiast leucyny w obszar typu p kanału. Region P jest odpowiedzialny za tworzenie porów kanału jonowego . Wykazano, że słabsza mutacja, która powoduje cięższe objawy niż chwiejna mutacja, jest wynikiem substytucji pojedynczego nukleotydu, która powoduje niepowodzenia splicingu w ramach otwartej ramki odczytu kanałów. Mutacje w podjednostce tworzącej pory kanałów wapniowych typu P powodują ataksję, poważnie zmienione oddychanie, poprzez zmniejszenie wentylacji minutowej i wytwarzanie objawów związanych z niedodmą . Wykazano również, że mutacje Ca V 2.1 wpływają na transmisję w pre-Bötzinger Complex , skupisku interneuronów w pniu mózgu, które pomagają regulować oddychanie.