Představení vápníkového kanálu
Vápník je nejstarší a nejrozšířenější signální látka v buňce a podílí se na regulaci téměř všech biologických funkcí organismu, jako je srdeční a svalová kontrakce, neuronální přenos, učení a paměť, embryogeneze a vývoj, buněčná proliferace a apoptóza, buněčné dělení a diferenciace, energetický metabolismus buněk, modifikace fosforylace a defosforylace proteinů a genová exprese a regulace. Koncentrace volných vápenatých iontů v cytoplazmě savčích buněk je obecně regulována na 100-200 nmol/l. Strmý, ale přísně kontrolovaný koncentrační gradient vápenatých iontů mezi buněčnou membránou a cytoplazmou a organelami je udržován a dynamicky regulován podle potřeb buněk. Spoléhá se na spolupráci různých iontových kanálů, iontových pump a transportérů. Ačkoli různé buňky mají různé specifické mechanismy, molekuly zapojené do vápníkového kanálu zahrnují iontové kanály buněčných membrán a membrán organel (zprostředkovávající ionty vápníku do cytoplazmy), transportéry buněčných membrán a membrán organel (včetně primárního aktivního transportu a sekundárního transportu), cytoplazmatické a organelové vápníkové pufry (kombinované skladování iontů vápníku) atd. Jakákoli abnormalita v těchto vazbách může způsobit nestabilitu homeostázy vápníku a vyvolat onemocnění. Objasnění mechanismu regulace vápníkového kanálu odhaluje jeden ze základních článků homeostázy vápníku a regulace životních procesů.
Člen rodiny vápníkových kanálů a jejich struktury, respektive
Vápníkový iontový kanál je proteinový komplex, který způsobuje tok vápníkových iontů mezi vnitřkem a vnějškem buňky a také mezi organelou a cytoplazmou. Zdrojem intracelulárního vápníku jsou dva druhy vtoku extracelulárního vápníku a intracelulární zásoby vápníku. Vstup extracelulárního vápníku do buňky může být zajištěn následujícími třemi cestami receptorového kanálu: Cav kanál, receptorem řízený vápníkový kanál, vápníkový kanál řídící zásobárnu vápníku a k uvolňování intracelulárních zásob vápníku dochází především prostřednictvím 4 receptorových kanálových cest, tj. kanálu IP3R, kanálu ryanodinového receptoru, kanálu receptoru kyseliny nikotinové adenindinukleotidfosfátové (NAADP) a kanálu mitochondriálního receptoru. Kromě toho se odtok vápníku v endoplazmatickém retikulu způsobený zvýšením intracelulární koncentrace vápenatých iontů nazývá Ca2+ indukované uvolňování Ca2+. Kanál Cav na membráně β buněk ostrůvků a kanál IP3R, kanál RYR a kanál receptoru NAADP na intracelulární vápníkové knihovně jsou čtyři hlavní receptorové kanály zapojené do procesu sekrece inzulinu. K influxu extracelulárního vápníku do buněk ostrůvku β dochází především prostřednictvím kanálu Cav. Podle elektrofyziologických charakteristik lze kanály Cav rozdělit na typy L, P/Q, N, R a T, z nichž kanály Cav typu L hrají rozhodující roli při spouštění sekrece inzulinu. Kanál Cav se obvykle skládá ze 4 nebo 5 podjednotek α1, α2δ, β a γ. Z těchto podjednotek se skládá i kanál Cav. Podjednotka α1 je hlavní podjednotkou kanálu Cav, která představuje transportní kanál vápenatých iontů. Ostatní podjednotky se nepodílejí na tvorbě kanálu Cav, ale regulují otevírání kanálu podjednotky α1, a proto se nazývají pomocné podjednotky. Mezi ně patří podjednotka α2δ, která je spojena extracelulární glykosylovanou podjednotkou α2 a hydrofobní transmembránovou podjednotkou δ disulfidovou vazbou. Podjednotka α2 má navíc vazebné místo pro antagonistu vápenatých iontů a dihydropyridinový antagonista vápenatých iontů funguje hlavně díky vazbě na podjednotku α2. IP3R je glykoprotein s relativní molekulovou hmotností přibližně 240000 až 300000. IP3R se dělí na typy I-V, z nichž typy I-III jsou exprimovány na buňkách β ostrůvků, zejména typ III je nejhojnější. IP3R je distribuován v endoplazmatickém retikulu beta buněk a studie potvrdily, že IP3R je přítomen také na inzulinových sekrečních granulích. IP3R má vlastnost vázat se na inositoltrifosfát (IP3) a přenášet vápenaté ionty. IP3R je tvořen nekovalentní asociací homotetramerů a každá podjednotka může vázat jednu molekulu IP3. IP3R lze rozdělit na tři části: IP3 vazebnou zónu, zónu regulace funkce a zónu vápníkového iontového kanálu. Oblast vápníkového kanálu je základem pro vytvoření struktury tetrameru IP3R, takže oblast vápníkového kanálu je pro strukturu IP3R velmi důležitá. Kanál RYR je protein o 45 000 aminokyselinách exprimovaný na endoplazmatickém retikulu a sarkoplazmatickém retikulu s relativní molekulovou hmotností 565 000 molekul. V závislosti na kódujícím genu se RYR dělí na tři podtypy: RYR1, RYR2 a RYR3. Na endoplazmatickém retikulu buněk β ostrůvků se nacházejí především kanály RYR2.
Onemocnění související s vápníkovými kanály a mechanismus fungování vápníkového kanálu u těchto onemocnění
Ca2+ kanál je transmembránový protein s více podjednotkami a napěťově řízený Ca2+ kanál se obecně dělí na typ L (Cav1), typ P/Q (Cav2.1), N-typ (Cav2.2) a R-typ (Cav2. 3) a T-typ (Cav3) a další podtypy, které jsou rozšířeny v neuronech, myokardu a dalších částech a podílejí se na uvolňování neurotransmiterů a akčním potenciálu myokardu. Studie zjistila, že antidepresiva stimulují gynogenezi v hipokampu za účasti receptorů spřažených s G-proteinem a napěťově závislých vápníkových kanálů. Klinické důkazy naznačují, že blokátory vápníkových kanálů typu L mohou léčit bipolární poruchu, schizofrenii a řadu neuropsychiatrických onemocnění, jako je deprese. Molekuly Cav1 a Cav3 jsou spojeny s emocemi hlodavců (úzkost, deprese), sociálním chováním a poznáváním. Studie zjistily, že blokování vápníkových kanálů pomocí selektivního blokátoru vápníkových kanálů typu P a P/Q ω-viru IVA může změnit účinnost synaptického přenosu, což dokazuje, že vápníkové kanály typu P a P/Q jsou zapojeny v hipokampálních nervech. Studie použily celobuněčný záznam pomocí patch-clamp a techniky zobrazování Ca2+ ke studiu mechanismu dlouhodobé inhibice u pyramidových neuronů v hipokampální oblasti CA1 akutních mozkových řezů a zjistily, že Ca2+ kanály typu N jsou zapojeny v hipokampálních pyramidových neuronech a synaptické plasticitě. Ostrůvkové beta buňky jsou velmi citlivé na změny extracelulární koncentrace glukózy. Při zvýšené extracelulární koncentraci glukózy je glukóza přijímána do beta buněk prostřednictvím glukózového přenašeče na membráně beta buněk. Prostřednictvím Krebsova cyklu se zvyšuje intracelulární poměr ATP/ADP. ATP-senzitivní draslíkový kanál se uzavře, sníží se odtok K+, membrána β-buňky se depolarizuje a otevře se Cavův kanál a vnější přítok vápníku zvýší intracelulární koncentraci vápenatých iontů, což spustí exocytózu a β na membráně inzulínových vezikul. Aktin v buněčné membráně působí na spojení membrány inzulínového vezikulu s membránou β buňky za vzniku membránového fúzního póru a poté se inzulín ve vezikulu uvolní do extracelulárního prostoru přes fúzní pór, aby se realizoval proces exocytózy β buňky. Řada léčiv, jako je 2, 2-dithiodipyridin, thiopental a interleukin 6, může vyvolat nebo zvýšit účinek sekrece inzulinu stimulované glukózou, přičemž všechny tyto látky zahrnují uvolnění vápenatých iontů zapojených do kanálu IP3R. Endoplazmatické retikulum jako největší zásobárna vápníku v buňce má IP3R a RYR, které hrají důležitou roli při sekreci inzulinu; u buněčné linie inzulinomu potkana INS1 lze sekreci inzulinu inhibovat vyprázdněním zásobárny vápníku zprostředkované IP3. Všechny výše uvedené experimenty potvrdily, že kanál IP3R se podílí na procesu sekrece inzulinu. RYR se podílí na sekreci inzulinu z β-buněk zprostředkované glukózou a inkretinovými peptidy a stav diabetu je spojen se sníženou expresí RYR v beta-buňkách. Kromě toho, že je RYR exprimován na endoplazmatickém retikulu β buněk ostrůvků pankreatu, je přítomen také ve vezikulách vylučujících inzulin z beta buněk. Lokální CICR se může podílet na spouštěcím procesu exocytózy inzulínových vezikul; sekrece inzulínu je spuštěna zvýšením intracelulární koncentrace vápníku v buňkách ostrůvků β, což vede k aktivaci kalmodulin-dependentní proteinkinázy, která fosforyluje RYR2 a způsobuje odtok vápníku z endoplazmatického retikula. Tento proces CICR je závislý na koncentraci glukózy. Předpokládá se, že fosforylace RYR2 je mechanismus, který způsobuje uvolnění intracelulárních zásob vápníku za účelem zprostředkování sekrece inzulinu. Dixit a spol. vpravili do myší mutantní kanál RYR2, čímž napodobili fosforylaci kanálu typu RYR2, což vedlo ke zvýšenému výtoku vápníku zprostředkovanému RYR2, který následně vyvolal bazální hyperinzulinémii. Oba experimenty ukazují, že RYR se podílí na procesu sekrece inzulínu. Receptorový kanál NAADP se rovněž podílí na sekreci inzulinu z beta buněk zprostředkované glukózou a inkretinovými peptidy. Studie ukázaly, že inkretinem vylučované peptidy, jako je glukagonu podobný peptid 1, indukují uvolňování vápníku z beta buněk. Primární uvolňování vápníku je zprostředkováno NAADP a sekundární uvolňování vápníku je zprostředkováno cyklickou adenosin difosfát ribózovou polymerázou, která nakonec dokončí inzulin cestou výměny guaninových nukleotidů regulovanou proteinkinázou A a cyklickým adenosin monofosfátem. Kromě toho studie také potvrdila, že NAADP hraje roli nejen při uvolňování glukagonu podobného peptidu-1, ale působí také jako vápníkový signál. Studie potvrdily, že jak TPC1, tak TPC2 se podílejí na uvolňování vápníku vyvolaném NAADP, ale CICR je úzce spojen s TPC2. Naopak exprese TPC3 inhibovala uvolňování vápníku vyvolané NAADP. V konečném důsledku exprese TPC ovlivňuje strukturu a dynamiku endozomů, čímž se NAADP stává důležitým hráčem v regulaci obchodu s vezikuly.
Reference:
- Nimmrich V, Eckert A. Calcium channel blockers and dementia. British Journal of Pharmacology. 2013, 169(6):1203-1210.
- Simms B A, Zamponi G W. Neuronal voltage-gated calcium channels: structure, function, and dysfunction. Neuron. 2014, 82(1):24-45.
- Hofmann F, Flockerzi V, Kahl S, et al. L-type CaV1.2 calcium channels: from in vitro findings to in vivo function. Physiological Reviews. 2014, 94(1):303-326.
- Dolphin A C. Calcium channel auxiliary α2δ and β subunits: trafficking and one step beyond. Nature Reviews Neuroscience. 2012, 13(8):542.
- Dong H, Klein M L, Fiorin G. Counterion-assisted cation transport in a biological calcium channel.Journal of Physical Chemistry B. 2014, 118(32):9668.
.