Indledning om calciumkanal
Calcium er det ældste og mest udbredte signalstof i cellen og er involveret i reguleringen af næsten alle biologiske funktioner i kroppen, såsom hjerte- og muskelsammentrækning, neuronal transmission, indlæring og hukommelse, embryogenese og udvikling, celleproliferation og apoptose, celledeling og differentiering, cellens energimetabolisme, proteinfosforylering og affosforyleringsmodifikation samt genekspression og -regulering. Koncentrationen af frie calciumioner i cytoplasmaet i pattedyrceller er generelt kontrolleret ved 100-200 nmol/L. Den stejle, men nøje kontrollerede koncentrationsgradient af calciumioner mellem cellemembranen og cytoplasmaet og organellerne opretholdes og reguleres dynamisk i overensstemmelse med cellernes behov. Den er afhængig af, at en række ionkanaler, ionpumper og transportører arbejder sammen. Selv om forskellige celler har forskellige specifikke mekanismer, omfatter de molekyler, der er involveret i calciumkanaler, bl.a. cellemembraner og organelle membranionkanaler (der formidler calciumioner ind i cytoplasmaet), transportører i cellemembraner og organelle membraner (herunder primær aktiv transport og sekundær transport), cytoplasmatisk og organel calciumbufferprotein (kombineret opbevaring af calciumioner) osv. Enhver abnormitet i forbindelserne kan forårsage ustabilitet i calciumhomeostasen og forårsage sygdom. Opklaring af reguleringsmekanismen for calciumkanalen afslører et af de grundlæggende led i calciumhomeostase og reguleringen af livsprocesser.
Familiemedlemmerne af calciumkanalen og deres strukturer henholdsvis
Calciumionkanalen er et proteinkompleks, der får calciumioner til at strømme mellem cellens indre og ydre samt mellem organellen og cytoplasmaet. Kilderne til intracellulært calcium er to slags ekstracellulær calciumindstrømning og intracellulære calciumlagre. Indgangen af ekstracellulært calcium i cellen kan ske ved hjælp af følgende tre receptorkanalveje: Cav-kanal, receptor-gated calciumkanal, calciumreservoirstyrende calciumkanal, og frigivelse af intracellulære calciumlagre sker hovedsagelig gennem 4 receptorkanalveje, dvs. IP3R-kanal, ryanodinreceptorkanal, nikotinsyreadenin-dinukleotidfosfat (NAADP)-receptorkanal og mitokondrie-receptorkanal. Desuden kaldes den calciumudstrømning i det endoplasmatiske retikulum, der skyldes en stigning i den intracellulære calciumionkoncentration, for Ca2+-induceret Ca2+-frigivelse. Cav-kanalen på islet β-cellemembranen og IP3R-kanalen, RYR-kanalen og NAADP-receptorkanalen på det intracellulære calciumbibliotek er de fire vigtigste receptorkanaler, der er involveret i insulinsekretionsprocessen. Islet β ekstracellulær calciumindstrømning sker hovedsagelig gennem Cav-kanalen. I henhold til elektrofysiologiske egenskaber kan Cav-kanalerne opdeles i L, P/Q, N, R og T-typer, hvoraf Cav-kanaler af L-typen spiller en afgørende rolle for udløsningen af insulinsekretion. Cav-kanalen består normalt af 4 eller 5 af α1-, α2δ-, β- og γ-underenhederne. α1-underenheden er den vigtigste underenhed i Cav-kanalen, som udgør transportkanalen for calciumioner. Andre underenheder deltager ikke i dannelsen af Cav-kanalen, men regulerer åbningen af α1-underenhedens kanal og kaldes derfor hjælpesubenheder. Blandt dem er α2δ-underenheden forbundet af en ekstracellulær glykosyleret α2-underenhed og en hydrofob transmembran δ-underenhed gennem en disulfidbinding. Desuden har α2-underenheden et bindingssted for en calciumionantagonist, og dihydropyridin-kalciumionantagonisten fungerer hovedsagelig ved at binde sig til α2-underenheden. IP3R er et glykoprotein med en relativ molekylmasse på ca. 240000 til 300000. IP3R er opdelt i I-V-typer, hvoraf type I-III udtrykkes på β-celler i ølcellerne, især type III er mest udbredt. IP3R er fordelt i beta-cellernes endoplasmatiske reticulum, og undersøgelser har bekræftet, at IP3R også findes på insulinsekretoriske granula. IP3R har den egenskab at binde sig til inositoltrifosfat (IP3) og transportere calciumioner. IP3R dannes ved ikke-kovalent sammenslutning af homotetramere, og hver underenhed kan binde et molekyle IP3. IP3R kan opdeles i tre dele: IP3-bindingszonen, funktionsreguleringszonen og calciumionkanalzonen. Kalciumkanalområdet er grundlaget for dannelsen af IP3R-tetramerstrukturen, så kalciumkanalområdet er meget vigtigt for IP3R’s struktur. RYR-kanalen er et protein på 45.000 aminosyrer, der udtrykkes på det endoplasmatiske reticulum og sarkoplasmatiske reticulum med en relativ molekylmasse på 565.000. Afhængigt af det kodende gen er RYR inddelt i tre undertyper: RYR1, RYR2 og RYR3. Der er hovedsageligt RYR2-kanaler på det endoplasmatiske retikulum i islet β-celler.
Kalciumkanal-relaterede sygdomme og kalciumkanalens virkemekanisme i disse sygdomme
Ca2+-kanalen er et transmembranprotein med flere underenheder, og den spændings-gated Ca2+-kanal er generelt klassificeret i L-type (Cav1), P/Q-type (Cav2.1), N-type (Cav2.2) og R-type (Cav2. 3) og T-type (Cav3) og andre subtyper, der er fordelt i neuroner, myokardiet og andre dele og involveret i neurotransmitterfrigivelse og myokardiets aktionspotentiale. Undersøgelsen viste, at antidepressiva stimulerer gynogenese i hippocampus, der involverer G-proteinkoblede receptorer og spændingsafhængige calciumkanaler. Kliniske beviser tyder på, at L-type calciumkanalblokkere kan behandle bipolar lidelse, skizofreni og en række neuropsykiatriske sygdomme som f.eks. depression. Cav1- og Cav3-molekyler er forbundet med gnaveres følelser (angst, depression), social adfærd og kognition. Undersøgelser har vist, at blokering af calciumkanaler med selektiv P-type og P/Q-type calciumkanalblokker ω-viral IVA kan ændre effektiviteten af synaptisk transmission, hvilket viser, at P-type og P/Q-type calciumkanaler er involveret i hippocampale nerver. Undersøgelser har anvendt helcelle-patch-clamp-optagelse og Ca2+-billeddannelsesteknikker til at undersøge mekanismen for langtidsinhibering i pyramidale neuroner i hippocampal CA1-regionen i akutte hjerneskiver og fundet, at N-type Ca2+-kanaler er involveret i hippocampale pyramidale neuroner og synaptisk plasticitet. Islet-betaceller er meget følsomme over for ændringer i den ekstracellulære glukosekoncentration. Når den ekstracellulære glukosekoncentration er forhøjet, optages glukose i betacellerne gennem glukosebæreren på betacellemembranen. Gennem Krebs-cyklussen øges det intracellulære ATP/ADP-forhold. Den ATP-følsomme kaliumkanal lukkes, K+-udstrømningen reduceres, β-cellemembranen depolariseres, og Cav-kanalen åbnes, og den eksterne calciumindstrømning øger den intracellulære calciumionkoncentration, hvilket udløser exocytose og β på insulinvesikelmembranen. Actin i cellemembranen virker til at fusionere insulinvesikelmembranen med β-cellemembranen for at danne en membranfusionspore, og derefter frigives insulinet i vesiklen til det ekstracellulære rum gennem fusionsporen for at realisere β-cellens eksocytoseproces. En række lægemidler såsom 2, 2-dithiodipyridin, thiopental og interleukin 6 kan inducere eller øge effekten af glukosestimuleret insulinsekretion, som alle involverer frigivelse af calciumioner, der er involveret i IP3R-kanalen. Som det største calciumreservoir i cellen har det endoplasmatiske retikulum IP3R og RYR, som spiller en vigtig rolle i insulinsekretion; i rotteinsulinomcellelinjen INS1 kan insulinsekretion hæmmes ved at tømme den IP3-medierede calciumpulje. Alle ovenstående eksperimenter bekræftede, at IP3R-kanalen er involveret i insulinsekretionsprocessen. RYR er involveret i glukose- og inkretin-sekretineret peptid-medieret β-celleinsulinsekretion, og tilstanden diabetes er forbundet med nedsat ekspression af RYR i betaceller. Ud over at være udtrykt på det endoplasmatiske retikulum i β-cellerne i pancreatiske islet β-celler er RYR også til stede i beta-cellernes insulinsekretoriske vesikler. Lokal CICR kan være involveret i den udløsende proces for insulinvesikelekocytose; insulinsekretion udløses af en stigning i den intracellulære calciumkoncentration i islet β-celler, hvilket fører til aktivering af calmodulinafhængig proteinkinase, som fosforylerer RYR2 og producerer endoplasmatisk retikulumcalciumudstrømning. Denne CICR-proces er glukosekoncentrationsafhængig. Fosforylering af RYR2 menes at være en mekanisme, der forårsager frigørelse af intracellulære calciumlagre for at formidle insulinsekretion. Dixit et al. slog RYR2-kanalmutanten ind i mus, hvilket efterlignede RYR2-kanalfosforylering af RYR2-typen, hvilket resulterede i øget RYR2-medieret calciumudstrømning, som igen gav basal hyperinsulinæmi. Begge eksperimenter viser, at RYR er involveret i insulinsekretionsprocessen. NAADP-receptorkanalen er også involveret i glukose- og inkretin-sekretineret peptid-medieret betacelleinsulinsekretion. Undersøgelser har vist, at incretin-sekretinerede peptider, som f.eks. glukagonlignende peptid 1, inducerer calciumfrigivelse i betacellerne. Den primære calciumfrigivelse formidles af NAADP, og den sekundære calciumfrigivelse formidles gennem cyklisk adenosindiphosphat ribosepolymerase, som i sidste ende fuldender insulinen via guaninnukleotidudvekslingsvejen, der reguleres af proteinkinase A og cyklisk adenosinmonofosfat-sekretion. Desuden bekræftede undersøgelsen også, at NAADP ikke kun spiller en rolle i den glukagonlignende peptid-1-inducerede calciumfrigivelse, men også fungerer som et calciumsignal. Undersøgelser har bekræftet, at både TPC1 og TPC2 er involveret i NAADP-induceret calciumfrigivelse, men CICR er nært beslægtet med TPC2. Derimod hæmmede ekspression af TPC3 den NAADP-inducerede calciumfrigivelse. I sidste ende påvirker ekspressionen af TPC endosomernes struktur og dynamik, hvilket gør NAADP til en vigtig aktør i reguleringen af vesikletrafikken.
Reference:
- Nimmrich V, Eckert A. Calciumkanalblokkere og demens. 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-kalciumkanaler: fra in vitro-fund til in vivo-funktion. 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.