Kalsiumkanavan esittely
Kalsium on solun vanhin ja laajimmin käytetty signalointiaine, ja se osallistuu lähes kaikkien elimistön biologisten toimintojen säätelyyn, kuten sydämen ja lihasten supistumiseen, hermosolujen välittämiseen, oppimiseen ja muistiin, embryogeneesiin ja kehitykseen, solujen proliferaatioon ja apoptoosiin, solujen jakautumiseen ja erilaistumiseen, solujen energia-aineenvaihduntaan, proteiinien fosforylaatioiden ja defosforylaatioiden modifikaatioon sekä geenien ilmentymiseen ja säätelyyn. Nisäkässolujen sytoplasman vapaan kalsiumionin pitoisuus on yleensä 100-200 nmol/L. Kalsiumionien jyrkkä mutta tiukasti hallittu konsentraatiogradientti solukalvon ja sytoplasman ja organellien välillä säilyy ja sitä säädellään dynaamisesti solujen tarpeiden mukaan. Se perustuu erilaisten ionikanavien, ionipumppujen ja kuljettajien yhteistoimintaan. Vaikka eri soluilla on erilaiset spesifiset mekanismit, kalsiumkanavaan osallistuviin molekyyleihin kuuluvat solukalvojen ja organellien kalvojen ionikanavat (jotka välittävät kalsiumioneja sytoplasmaan), solukalvojen ja organellien kalvojen siirtäjät (mukaan lukien primaarinen aktiivinen kuljetus ja sekundaarinen kuljetus), sytoplasman ja organellien kalsiumpuskurivalkuaisproteiini (kalsiumionien yhdistetty varastoiminen), jne. Mikä tahansa poikkeavuus yhteyksissä voi aiheuttaa kalsiumhomeostaasin epävakautta ja aiheuttaa sairauksia. Kalsiumkanavan säätelymekanismin selvittäminen paljastaa yhden kalsiumhomeostaasin ja elämänprosessien säätelyn perusyhteyksistä.
Kalsiumkanavien perheenjäsenet ja niiden rakenteet vastaavasti
Kalsiumionikanava on proteiinikompleksi, joka saa aikaan kalsiumionien virtauksen solun sisä- ja ulkopuolelta sekä organellin ja sytoplasman välillä. Solunsisäisen kalsiumin lähteitä ovat kahdenlaiset solunulkoinen kalsiumin sisäänvirtaus ja solunsisäiset kalsiumvarastot. Solunulkoisen kalsiumin pääsy soluun voi tapahtua seuraavien kolmen reseptorikanavan kautta: Cav-kanava, reseptoriohjattu kalsiumkanava, kalsiumvarastoa ohjaava kalsiumkanava, ja solunsisäisten kalsiumvarastojen vapautuminen tapahtuu pääasiassa neljän reseptorikanavapolun eli IP3R-kanavan, ryanodiinireseptorikanavan, nikotiinihappoadeniinidinukleotidifosfaatti (NAADP) -reseptorikanavan ja mitokondrion reseptorikanavan kautta. Lisäksi solunsisäisen kalsiumionikonsentraation nousun aiheuttamaa kalsiumin ulosvirtausta endoplasmisessa retikulumissa kutsutaan Ca2+ -indusoiduksi Ca2+ -vapautumiseksi. Cav-kanava saarekkeen β-solukalvolla ja IP3R-kanava, RYR-kanava ja NAADP-reseptorikanava solunsisäisellä kalsiumkirjolla ovat neljä tärkeintä reseptorikanavaa, jotka osallistuvat insuliinin eritykseen. Saarekkeen β solunulkoisen kalsiumin sisäänvirtaus tapahtuu pääasiassa Cav-kanavan kautta. Sähköfysiologisten ominaisuuksien mukaan Cav-kanavat voidaan jakaa L-, P/Q-, N-, R- ja T-tyyppeihin, joista L-tyypin Cav-kanavilla on ratkaiseva rooli insuliinin erityksen käynnistämisessä. Cav-kanava koostuu yleensä 4 tai 5 α1-, α2δ-, β- ja γ-alayksiköstä. α1-alayksikkö on Cav-kanavan tärkein alayksikkö, joka muodostaa kalsiumionien kuljetuskanavan. Muut alayksiköt eivät osallistu Cav-kanavan muodostumiseen, mutta säätelevät α1-alayksikön kanavan avautumista, ja siksi niitä kutsutaan apuyksiköiksi. Niistä α2δ-alayksikkö liittyy solunulkoiseen glykosyloituun α2-alayksikköön ja hydrofobiseen transmembraaniseen δ-alayksikköön disulfidisidoksella. Lisäksi α2-alayksikössä on kalsiumioniantagonistin sitoutumiskohta, ja dihydropyridiinikalsiumioniantagonisti toimii pääasiassa sitoutumalla α2-alayksikköön. IP3R on glykoproteiini, jonka suhteellinen molekyylimassa on noin 240000-300000. IP3R jaetaan tyyppeihin I-V, joista tyypit I-III ilmentyvät saarekkeiden β-soluissa, erityisesti tyyppi III on runsain. IP3R jakautuu beetasolujen endoplasmisessa retikulumissa, ja tutkimukset ovat vahvistaneet, että IP3R:ää on myös insuliinin erittävissä rakeissa. IP3R:llä on ominaisuus sitoutua inositolitrifosfaattiin (IP3) ja kuljettaa kalsiumioneja. IP3R muodostuu homotetrameerien ei-kovalenttisesta assosiaatiosta, ja kukin alayksikkö voi sitoa yhden molekyylin IP3:a. IP3R voidaan jakaa kolmeen osaan: IP3:n sitoutumisvyöhyke, toiminnan säätelyvyöhyke ja kalsiumionikanavavyöhyke. Kalsiumkanava-alue on perusta IP3R:n tetrameerirakenteen muodostumiselle, joten kalsiumkanava-alue on erittäin tärkeä IP3R:n rakenteen kannalta. RYR-kanava on 45 000 aminohapon proteiini, joka ilmentyy endoplasmisessa retikulumissa ja sarkoplasmisessa retikulumissa ja jonka suhteellinen molekyylimassa on 565 000. Koodaavasta geenistä riippuen RYR jaetaan kolmeen alatyyppiin: RYR1, RYR2 ja RYR3. Pääasiassa RYR2-kanavia on saarekkeiden β-solujen endoplasmisessa retikulumissa.
Kalsiumkanaviin liittyvät sairaudet ja kalsiumkanavan toimintamekanismi näissä sairauksissa
Ca2+-kanava on transmembraaninen moniyksikköinen proteiini, ja jännitevahvisteinen Ca2+-kanava luokitellaan yleisesti L-tyypin (Cav1), P/Q-tyypin (Cav2.1), N-tyypin (Cav2.2) ja R-tyypin (Cav2. 3) ja T-tyypin (Cav3) ja muihin alatyyppeihin, jotka ovat jakautuneet neuroneihin, sydänlihakseen ja muihin osiin ja jotka osallistuvat välittäjäaineiden vapautumiseen ja sydänlihaksen toimintapotentiaaliin. Tutkimuksessa todettiin, että masennuslääkkeet stimuloivat gynogeneesiä hippokampuksessa, johon osallistuvat G-proteiiniin kytketyt reseptorit ja jännitteestä riippuvaiset kalsiumkanavat. Kliiniset todisteet viittaavat siihen, että L-tyypin kalsiumkanavien salpaajilla voidaan hoitaa kaksisuuntaista mielialahäiriötä, skitsofreniaa ja useita neuropsykiatrisia sairauksia, kuten masennusta. Cav1- ja Cav3-molekyylit liittyvät jyrsijöiden tunteisiin (ahdistus, masennus), sosiaaliseen käyttäytymiseen ja kognitioon. Tutkimuksissa on havaittu, että kalsiumkanavien salpaaminen selektiivisellä P-tyypin ja P/Q-tyypin kalsiumkanavan salpaajalla ω-virus IVA:lla voi muuttaa synaptisen siirron tehokkuutta, mikä osoittaa, että P-tyypin ja P/Q-tyypin kalsiumkanavat ovat mukana hippokampushermoissa. Tutkimuksissa on käytetty kokosolujen patch-clamp-tallennusta ja Ca2+-kuvantamistekniikoita pitkäaikaisen eston mekanismin tutkimiseen pyramidineuroneissa hippokampuksen CA1-alueella akuuteissa aivoviipaleissa, ja niissä on todettu, että N-tyypin Ca2+-kanavat ovat mukana hippokampuksen pyramidineuroneissa ja synaptisessa plastisuudessa. Saarekkeen beetasolut ovat hyvin herkkiä solunulkoisen glukoosipitoisuuden muutoksille. Kun solunulkoinen glukoosipitoisuus nousee, glukoosia kulkeutuu beetasoluihin beetasolukalvolla olevan glukoosikantajan kautta. Krebsin syklin kautta solunsisäinen ATP/ADP-suhde kasvaa. ATP-herkkä kaliumkanava sulkeutuu, K+:n ulosvirtaus vähenee, β-solukalvo depolarisoituu ja Cav-kanava aukeaa, ja ulkoinen kalsiumin sisäänvirtaus kasvattaa solunsisäistä kalsiumionikonsentraatiota laukaisten eksosytoosin ja β:n insuliinivesikkelin kalvolla. Solukalvon aktiini sulattaa insuliinivesikkelin kalvon β-solukalvoon muodostaen kalvon fuusiohuokosen, minkä jälkeen insuliinivesikkelissä oleva insuliini vapautuu solunulkoiseen tilaan fuusiohuokosen kautta β-solun eksosytoosiprosessin toteuttamiseksi. Erilaiset lääkkeet, kuten 2,2-ditodipyridiini, tiopentaali ja interleukiini 6, voivat indusoida tai lisätä glukoosistimuloidun insuliinin erityksen vaikutusta, joihin kaikkiin liittyy IP3R-kanavaan osallistuvien kalsiumionien vapautuminen. Solun suurimpana kalsiumvarastona endoplasmisessa retikulumissa on IP3R ja RYR, joilla on tärkeä rooli insuliinin erityksessä; rotan insulinoomasolulinjassa INS1 insuliinin eritystä voidaan estää tyhjentämällä IP3-välitteinen kalsiumallas. Kaikki edellä mainitut kokeet vahvistivat, että IP3R-kanava osallistuu insuliinin eritykseen. RYR osallistuu glukoosin ja inkretiinien erittämän peptidin välittämään β-solujen insuliinin eritykseen, ja diabeteksen tila liittyy RYR:n vähentyneeseen ilmentymiseen beetasoluissa. Sen lisäksi, että RYR ilmentyy haiman saarekkeen β-solujen endoplasmisessa retikulumissa, sitä esiintyy myös beetasolujen insuliinia erittävissä vesikkeleissä. Paikallinen CICR saattaa osallistua insuliinivesikkelien eksosytoosin käynnistysprosessiin; insuliinin erityksen käynnistää solunsisäisen kalsiumpitoisuuden nousu saarekkeen β-soluissa, mikä johtaa kalmoduliini-riippuvaisen proteiinikinaasin aktivoitumiseen, joka fosforyloi RYR2:n ja saa aikaan kalsiumin ulosvirtauksen endoplasmisesta retikulumista. Tämä CICR-prosessi on glukoosipitoisuudesta riippuvainen. RYR2:n fosforylaation uskotaan olevan mekanismi, joka saa aikaan solunsisäisten kalsiumvarastojen vapautumisen insuliinin erityksen välittämiseksi. Dixit et al. koputtivat RYR2-kanavamutanttia hiiriin jäljittelemällä RYR2-tyyppisen kanavan fosforylaatiota, mikä johti lisääntyneeseen RYR2-välitteiseen kalsiumin ulosvirtaukseen, mikä puolestaan tuotti basaalisen hyperinsulinemian. Molemmat kokeet osoittavat, että RYR osallistuu insuliinin eritykseen. NAADP-reseptorikanava osallistuu myös glukoosin ja inkretiinien erittämän peptidin välittämään beetasolujen insuliinin eritykseen. Tutkimukset ovat osoittaneet, että inkretiinien erityspeptidit, kuten glukagonin kaltainen peptidi 1, indusoivat beetasolujen kalsiumin vapautumista. Primaarista kalsiumin vapautumista välittää NAADP, ja sekundaarinen kalsiumin vapautuminen välittyy syklisen adenosiinidifosfaattiriboosipolymeraasin kautta, joka lopulta viimeistelee insuliinin proteiinikinaasi A:n säätelemän guaniininukleotidin vaihtoreitin ja syklisen adenosiinimonofosfaatin erityksen kautta. Lisäksi tutkimuksessa vahvistettiin, että NAADP:llä ei ole merkitystä ainoastaan glukagonin kaltaisen peptidi-1:n aiheuttamassa kalsiumin vapautumisessa, vaan se toimii myös kalsiumsignaalina. Tutkimukset ovat vahvistaneet, että sekä TPC1 että TPC2 osallistuvat NAADP:n indusoimaan kalsiumin vapautumiseen, mutta CICR liittyy läheisesti TPC2:een. Sen sijaan TPC3:n ilmentyminen esti NAADP:n indusoiman kalsiumin vapautumisen. Viime kädessä TPC:n ilmentyminen vaikuttaa endosomien rakenteeseen ja dynamiikkaan, mikä tekee NAADP:stä tärkeän toimijan vesikkelikaupan säätelyssä.
Viite:
- 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-tyypin CaV1.2 kalsiumkanavat: in vitro -löydöksistä in vivo -toimintaan. 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.