A kalciumcsatorna bemutatása
A kalcium a sejt legrégebbi és legszélesebb körben használt jelzőanyag, amely a szervezet szinte valamennyi biológiai funkciójának szabályozásában részt vesz, mint például a szív- és izomösszehúzódás, a neuronális transzmisszió, a tanulás és a memória, az embriogenezis és a fejlődés, a sejtproliferáció és az apoptózis, a sejtosztódás és a differenciálódás, a sejtek energiaanyagcseréje, a fehérjék foszforilációs és defoszforilációs módosítása, valamint a génexpresszió és a génszabályozás. Az emlőssejtek citoplazmatikus szabad kalciumion-koncentrációja általában 100-200 nmol/l között van szabályozva. A kalciumionok meredek, de szigorúan szabályozott koncentrációs gradiensét a sejtmembrán, a citoplazma és az organellumok között a sejtek igényei szerint tartják fenn és dinamikusan szabályozzák. Ez különböző ioncsatornák, ionpumpák és transzporterek együttműködésére támaszkodik. Bár a különböző sejtek különböző specifikus mechanizmusokkal rendelkeznek, a kalciumcsatornában részt vevő molekulák közé tartoznak a sejtmembránok és organellamembránok ioncsatornái (a kalciumionok citoplazmába történő közvetítése), a sejtmembránok és organellamembránok transzporterei (beleértve az elsődleges aktív transzportot és a másodlagos transzportot), a citoplazma és organella kalciumpufferfehérje (a kalciumionok kombinált tárolása) stb. A kapcsolatok bármely rendellenessége a kalcium-homeosztázis instabilitását és betegséget okozhat. A kalciumcsatorna szabályozási mechanizmusának tisztázása feltárja a kalcium-homeosztázis és az életfolyamatok szabályozásának egyik alapvető kapcsolatát.
A kalciumcsatorna családtagjai és szerkezetük, illetve
A kalciumion-csatorna olyan fehérjekomplex, amely a kalciumionok áramlását a sejt belseje és külseje, valamint a szervsejt és a citoplazma között biztosítja. Az intracelluláris kalcium kétféle forrása az extracelluláris kalcium beáramlás és az intracelluláris kalciumraktárak. Az extracelluláris kalcium bejutása a sejtbe a következő három receptorcsatornás úton valósulhat meg: Cav-csatorna, receptorvezérelt kalciumcsatorna, kalciumtartályt vezérlő kalciumcsatorna, az intracelluláris kalciumraktárak felszabadulása pedig elsősorban 4 receptorcsatorna-útvonalon keresztül történik, azaz: IP3R-csatorna, ryanodinreceptor-csatorna, nikotinsav-adenin-dinukleotid-foszfát (NAADP) receptorcsatorna és mitokondriális receptorcsatorna. Ezenkívül az intracelluláris kalciumion-koncentráció növekedése által az endoplazmatikus retikulumban okozott kalcium kiáramlást Ca2+ indukált Ca2+ felszabadulásnak nevezzük. A Cav-csatorna a sziget β-sejtmembránon, valamint az IP3R-csatorna, a RYR-csatorna és a NAADP-receptorcsatorna az intracelluláris kalciumtárban a négy fő receptorcsatorna, amelyek részt vesznek az inzulinszekréció folyamatában. A sziget β extracelluláris kalcium beáramlása elsősorban a Cav csatornán keresztül történik. Az elektrofiziológiai jellemzők alapján a Cav-csatornák L, P/Q, N, R és T típusokra oszthatók, amelyek közül az L-típusú Cav-csatornák döntő szerepet játszanak az inzulinszekréció kiváltásában. A Cav-csatorna általában 4 vagy 5 α1, α2δ, β és γ alegységből áll. Az α1 alegység a Cav-csatorna fő alegysége, amely a kalciumionok transzportcsatornáját képezi. A többi alegység nem vesz részt a Cav-csatorna kialakításában, de szabályozzák az α1 alegység csatornájának nyitását, ezért ezeket segéd alegységeknek nevezik. Közülük az α2δ alegységhez egy extracelluláris glikozilált α2 alegység és egy hidrofób transzmembrán δ alegység kapcsolódik diszulfidkötéssel. Ezenkívül az α2 alegységnek van egy kötőhelye egy kalciumion-antagonista számára, és a dihidropiridin kalciumion-antagonista elsősorban az α2 alegységhez kötődve működik. Az IP3R egy glikoprotein, amelynek relatív molekulatömege körülbelül 240000-300000. Az IP3R-t I-V típusra osztják, amelyek közül az I-III típus expresszálódik a β-szigetsejteken, különösen a III típus a legelterjedtebb. Az IP3R a béta-sejtek endoplazmatikus retikulumában oszlik el, és vizsgálatok megerősítették, hogy az IP3R az inzulinszekréciós szemcséken is jelen van. Az IP3R-nek az a tulajdonsága, hogy inozitol-trifoszfáthoz (IP3) kötődik és kalciumionokat szállít. Az IP3R homotetramerek nem-kovalens asszociációjával jön létre, és minden alegység egy molekula IP3-at képes megkötni. Az IP3R három részre osztható: IP3-kötő zóna, funkciószabályozó zóna és kalciumion-csatorna zóna. A kalciumcsatorna régió az alapja az IP3R tetramer szerkezetének kialakulásának, ezért a kalciumcsatorna régió nagyon fontos az IP3R szerkezete szempontjából. A RYR csatorna egy 45 000 aminosavból álló fehérje, amely az endoplazmatikus retikulumban és a szarkoplazmatikus retikulumban fejeződik ki, relatív molekulatömege 565 000. A RYR csatorna egy 45 000 aminosavból álló fehérje. A kódoló géntől függően a RYR három altípusra osztható: RYR1, RYR2 és RYR3. Elsősorban RYR2 csatornák vannak a β-szigetsejtek endoplazmatikus retikulumán.
Kalciumcsatornával kapcsolatos betegségek és a kalciumcsatorna működési mechanizmusa ezekben a betegségekben
A Ca2+ csatorna egy transzmembrán több alegységből álló fehérje, és a feszültségkapcsolt Ca2+ csatornát általában L-típusú (Cav1), P/Q-típusú (Cav2.1), N-típusú (Cav2.2) és R-típusú (Cav2. 3) és T-típusú (Cav3) és egyéb altípusokba, amelyek eloszlanak az idegsejtekben, a szívizomban és más részekben, és részt vesznek a neurotranszmitterek felszabadításában és a szívizom akciós potenciáljában. A tanulmány megállapította, hogy az antidepresszánsok a hippokampuszban a G-fehérje kapcsolt receptorok és a feszültségfüggő kalciumcsatornák bevonásával serkentik a gynogenezist. Klinikai bizonyítékok arra utalnak, hogy az L-típusú kalciumcsatorna-blokkolókkal kezelhető a bipoláris zavar, a skizofrénia és egy sor neuropszichiátriai betegség, például a depresszió. A Cav1 és Cav3 molekulák kapcsolatban állnak a rágcsálók érzelmeivel (szorongás, depresszió), szociális viselkedésével és kogníciójával. Vizsgálatok megállapították, hogy a kalciumcsatornák szelektív P-típusú és P/Q-típusú kalciumcsatorna-blokkoló ω-virális IVA-val történő blokkolása megváltoztathatja a szinaptikus átvitel hatékonyságát, bizonyítva, hogy a P-típusú és P/Q-típusú kalciumcsatornák részt vesznek a hippokampusz idegekben. A vizsgálatok teljes sejtes patch-clamp rögzítési és Ca2+ képalkotó technikákat használtak a hosszú távú gátlás mechanizmusának tanulmányozására akut agyszeletek hippokampális CA1 régiójában lévő piramissejtekben, és megállapították, hogy az N-típusú Ca2+ csatornák részt vesznek a hippokampális piramissejtekben és a szinaptikus plaszticitásban. A szigetbéta-sejtek nagyon érzékenyek az extracelluláris glükózkoncentráció változásaira. Ha az extracelluláris glükózkoncentráció emelkedik, a glükóz a béta-sejtek membránján lévő glükózhordozón keresztül a béta-sejtekbe kerül. A Krebs-cikluson keresztül az intracelluláris ATP/ADP arány megnő. Az ATP-érzékeny káliumcsatorna bezárul, a K+ kiáramlás csökken, a β sejtmembrán depolarizálódik, a Cav-csatorna megnyílik, és a külső kalcium beáramlás növeli az intracelluláris kalciumion-koncentrációt, kiváltva az exocitózist és a β-t az inzulinhólyag membránján. A sejtmembránban lévő aktin hatására az inzulinvezikulamembrán összeolvad a β-sejtmembránnal, így kialakul egy membránfúziós pórus, majd a vezikulában lévő inzulin a fúziós póruson keresztül az extracelluláris térbe jut, így megvalósul a β-sejt exocitózisfolyamata. Számos gyógyszer, például a 2,2-ditiodipiridin, a tiopentál és az interleukin 6 képes kiváltani vagy fokozni a glükóz-stimulált inzulinszekréció hatását, amelyek mindegyike az IP3R-csatornában részt vevő kalciumionok felszabadulásával jár. A sejt legnagyobb kalciumtartályaként az endoplazmatikus retikulum rendelkezik IP3R-rel és RYR-rel, amely fontos szerepet játszik az inzulinszekrécióban; az INS1 patkány inzulinóma sejtvonalban az inzulinszekréció gátolható az IP3 által közvetített kalcium-pool kiürítésével. A fenti kísérletek mindegyike megerősítette, hogy az IP3R csatorna részt vesz az inzulinszekréció folyamatában. A RYR részt vesz a glükóz és az inkretin szekretált peptidek által közvetített β-sejtes inzulinszekrécióban, és a cukorbetegség állapota a RYR csökkent expressziójával jár együtt a béta-sejtekben. Amellett, hogy a RYR a hasnyálmirigy β-szigetsejtjeinek endoplazmatikus retikulumán expresszálódik, a béta-sejtek inzulinszekréciós vezikuláiban is jelen van. A helyi CICR részt vehet az inzulinvezikuláris exocitózis kiváltási folyamatában; az inzulinszekréciót az intracelluláris kalciumkoncentráció növekedése váltja ki a sziget β-sejtekben, ami a kalmodulinfüggő protein-kináz aktiválásához vezet, amely foszforilálja a RYR2-t és endoplazmatikus retikulum kalcium kiáramlását eredményezi. Ez a CICR-folyamat glükózkoncentráció-függő. A RYR2 foszforilációja feltehetően olyan mechanizmus, amely az intracelluláris kalciumraktárak felszabadulását okozza az inzulinszekréció közvetítése érdekében. Dixit és munkatársai a RYR2 csatorna mutánsát kopogtatták egerekbe, imitálva a RYR2-típusú csatorna foszforilációját, ami fokozott RYR2-mediált kalcium kiáramlást eredményezett, ami viszont bazális hiperinzulinémiát eredményezett. Mindkét kísérlet azt bizonyítja, hogy a RYR részt vesz az inzulinszekréció folyamatában. A NAADP receptor csatorna szintén részt vesz a glükóz és az inkretin szekretált peptidek által közvetített béta-sejtes inzulinszekrécióban. Vizsgálatok kimutatták, hogy az inkretin szekretált peptidek, mint például a glükagonszerű peptid 1, indukálják a béta-sejtek kalciumfelszabadulását. Az elsődleges kalciumfelszabadulást a NAADP, a másodlagos kalciumfelszabadulást pedig a ciklikus adenozin-difoszfát ribóz-polimeráz közvetíti, amely végül a protein-kináz A és a ciklikus adenozin-monofoszfát szekréció által szabályozott guanin-nukleotid csereútvonalon keresztül fejezi be az inzulint. Ezenkívül a tanulmány azt is megerősítette, hogy a NAADP nemcsak a glükagonszerű peptid-1 indukálta kalciumfelszabadulásban játszik szerepet, hanem kalciumszignálként is működik. A vizsgálatok megerősítették, hogy mind a TPC1, mind a TPC2 részt vesz a NAADP által kiváltott kalciumfelszabadulásban, de a CICR szoros kapcsolatban áll a TPC2-vel. Ezzel szemben a TPC3 expressziója gátolta a NAADP-indukált kalciumfelszabadulást. Végső soron a TPC expressziója befolyásolja az endoszómák szerkezetét és dinamikáját, így a NAADP fontos szereplője a vezikuláris forgalom szabályozásának.
Hivatkozás:
- Nimmrich V, Eckert A. Kalciumcsatorna-blokkolók és demencia. 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.