Wprowadzenie kanału wapniowego
Wapń jest najstarszą i najczęściej używaną substancją sygnalizacyjną w komórce i jest zaangażowany w regulację prawie wszystkich funkcji biologicznych organizmu, takich jak skurcz mięśnia sercowego i mięśni, przekaźnictwo neuronalne, uczenie się i pamięć, embriogeneza i rozwój, proliferacja i apoptoza komórek, podział i różnicowanie komórek, metabolizm energetyczny komórek, modyfikacje fosforylacji i deposforylacji białek oraz ekspresja i regulacja genów. Cytoplazmatyczne stężenie wolnych jonów wapnia w komórkach ssaków jest zwykle kontrolowane na poziomie 100-200 nmol/L. Stromy, ale ściśle kontrolowany gradient stężenia jonów wapnia pomiędzy błoną komórkową a cytoplazmą i organellami jest utrzymywany i dynamicznie regulowany w zależności od potrzeb komórek. Polega on na współdziałaniu różnych kanałów jonowych, pomp jonowych i transporterów. Chociaż różne komórki mają różne specyficzne mechanizmy, cząsteczki zaangażowane w kanały wapniowe obejmują kanały jonowe błon komórkowych i organelli (pośredniczące w przenikaniu jonów wapnia do cytoplazmy), transportery błon komórkowych i organelli (w tym pierwotny transport aktywny i transport wtórny), cytoplazmatyczne i organellowe białka buforowe wapnia (połączone przechowywanie jonów wapnia), itp. Każda nieprawidłowość w tych połączeniach może spowodować zachwianie homeostazy wapnia i wywołać chorobę. Wyjaśnienie mechanizmu regulacji kanału wapniowego ujawnia jedno z podstawowych powiązań homeostazy wapnia i regulacji procesów życiowych.
Członkowie rodziny kanałów wapniowych i ich struktury odpowiednio
Kanał jonowy wapnia jest kompleksem białkowym, który powoduje przepływ jonów wapnia między wnętrzem a zewnętrzem komórki, jak również między organellą a cytoplazmą. Źródłem wapnia wewnątrzkomórkowego są dwa rodzaje wapnia: zewnątrzkomórkowy napływ wapnia oraz wewnątrzkomórkowe zapasy wapnia. Wnikanie wapnia zewnątrzkomórkowego do komórki może odbywać się za pośrednictwem następujących trzech szlaków kanałów receptorowych: Cav channel, receptor-gated calcium channel, calcium reservoir controlling calcium channel, a uwalnianie wewnątrzkomórkowych magazynów wapnia odbywa się głównie poprzez 4 szlaki kanałów receptorowych, tj. kanał IP3R, kanał receptora ryanodynowego, kanał receptora kwasu nikotynowego adeninowego dinukleotydu fosforanowego (NAADP) oraz kanał receptora mitochondrialnego. Dodatkowo, wypływ wapnia w retikulum endoplazmatycznym spowodowany wzrostem wewnątrzkomórkowego stężenia jonów wapnia nazywany jest uwalnianiem Ca2+ indukowanym przez Ca2+. Kanał Cav na błonie komórkowej wysepki β oraz kanał IP3R, kanał RYR i kanał receptora NAADP na wewnątrzkomórkowej bibliotece wapniowej to cztery główne kanały receptorowe biorące udział w procesie wydzielania insuliny. Napływ wapnia zewnątrzkomórkowego do wysepki β odbywa się głównie poprzez kanał Cav. Według charakterystyki elektrofizjologicznej, kanały Cav można podzielić na typy L, P/Q, N, R i T, z których kanały Cav typu L odgrywają decydującą rolę w wyzwalaniu wydzielania insuliny. Kanał Cav składa się zwykle z 4 lub 5 podjednostek α1, α2δ, β i γ. Podjednostka α1 jest główną podjednostką kanału Cav, która stanowi kanał transportowy dla jonów wapnia. Pozostałe podjednostki nie biorą udziału w tworzeniu kanału Cav, ale regulują otwarcie kanału podjednostki α1 i dlatego nazywane są podjednostkami pomocniczymi. Wśród nich podjednostka α2δ jest połączona przez zewnątrzkomórkową, glikozylowaną podjednostkę α2 i hydrofobową, transmembranową podjednostkę δ wiązaniem disulfidowym. Ponadto, podjednostka α2 posiada miejsce wiążące dla antagonisty jonów wapnia, a dihydropirydynowy antagonista jonów wapnia działa głównie poprzez wiązanie się z podjednostką α2. IP3R jest glikoproteiną o względnej masie cząsteczkowej około 240000 do 300000. IP3R dzieli się na typ I-V, z których typ I-III ulega ekspresji na komórkach β wysepek, szczególnie typ III jest najbardziej obfity. IP3R jest rozmieszczony w retikulum endoplazmatycznym komórek beta, a badania potwierdziły, że IP3R jest również obecny na ziarnistościach wydzielniczych insuliny. IP3R posiada właściwość wiązania się z trójfosforanem inozytolu (IP3) i transportowania jonów wapnia. IP3R powstaje w wyniku niekowalencyjnego powi±zania homotetramerów, a każda podjednostka może zwi±zać jedn± cz±steczkę IP3. IP3R można podzielić na trzy części: strefę wiązania IP3, strefę regulacji funkcji oraz strefę kanału jonów wapnia. Region kanału wapniowego jest podstawą do tworzenia struktury tetrameru IP3R, dlatego region kanału wapniowego jest bardzo ważny dla struktury IP3R. Kanał RYR jest białkiem o 45 000 aminokwasów ulegającym ekspresji w retikulum endoplazmatycznym i retikulum sarkoplazmatycznym o względnej masie cząsteczkowej 565 000. W zależności od kodującego genu, RYR dzieli się na trzy podtypy: RYR1, RYR2 i RYR3. Na retikulum endoplazmatycznym komórek β wysepek znajdują się głównie kanały RYR2.
Choroby związane z kanałami wapniowymi i mechanizm działania kanałów wapniowych w tych chorobach
Kanał Ca2+ jest transmembranowym białkiem wielopodjednostkowym, a napięciowo bramkowane kanały Ca2+ klasyfikuje się ogólnie na typu L (Cav1), typu P/Q (Cav2.1), typu N (Cav2.2), typu R (Cav2.3) i typu T (Cav3) oraz inne podtypy, rozmieszczone w neuronach, mięśniu sercowym i innych częściach, zaangażowane w uwalnianie neuroprzekaźników i potencjał czynnościowy mięśnia sercowego. Badania wykazały, że leki przeciwdepresyjne stymulują gynogenezę w hipokampie przy udziale receptorów sprzężonych z białkami G i zależnych od napięcia kanałów wapniowych. Dowody kliniczne sugerują, że blokery kanałów wapniowych typu L mogą leczyć zaburzenia dwubiegunowe, schizofrenię i szereg chorób neuropsychiatrycznych, takich jak depresja. Cząsteczki Cav1 i Cav3 są związane z emocjami gryzoni (lęk, depresja), zachowaniami społecznymi i poznaniem. Badania wykazały, że blokowanie kanałów wapniowych za pomocą selektywnego blokera kanałów wapniowych typu P i P/Q ω-wirusowego IVA może zmienić wydajność transmisji synaptycznej, wykazując, że kanały wapniowe typu P i P/Q są zaangażowane w nerwy hipokampa. W badaniach wykorzystano rejestrację całokomórkową patch-clamp oraz techniki obrazowania Ca2+ w celu zbadania mechanizmu długotrwałego hamowania w neuronach piramidowych w regionie CA1 hipokampa w ostrych plasterkach mózgu i stwierdzono, że kanały Ca2+ typu N są zaangażowane w neurony piramidowe hipokampa i plastyczność synaptyczną. Komórki beta wysepek są bardzo wrażliwe na zmiany w zewnątrzkomórkowym stężeniu glukozy. Kiedy zewnątrzkomórkowe stężenie glukozy jest podwyższone, glukoza jest pobierana do komórek beta przez nośnik glukozy znajdujący się na błonie komórek beta. Dzięki cyklowi Krebsa zwiększa się wewnątrzkomórkowy stosunek ATP/ADP. Kanał potasowy wrażliwy na ATP zostaje zamknięty, wypływ K+ zostaje zmniejszony, błona komórki β ulega depolaryzacji, a kanał Cav zostaje otwarty, zewnętrzny napływ wapnia zwiększa wewnątrzkomórkowe stężenie jonów wapnia, wyzwalając egzocytozę i β na błonie pęcherzyków insuliny. Aktyna w błonie komórkowej działa w celu połączenia błony pęcherzyka insuliny z błoną komórki β, tworząc por fuzyjny błony, a następnie insulina w pęcherzyku jest uwalniana do przestrzeni zewnątrzkomórkowej przez por fuzyjny w celu realizacji procesu egzocytozy komórki β. Różne leki, takie jak 2, 2-ditodipirydyna, tiopental i interleukina 6 mogą indukować lub zwiększać efekt sekrecji insuliny stymulowanej glukozą, z których wszystkie wiążą się z uwalnianiem jonów wapnia zaangażowanych w kanał IP3R. Jako największy rezerwuar wapnia w komórce, retikulum endoplazmatyczne posiada IP3R i RYR, które odgrywają ważną rolę w wydzielaniu insuliny; w linii komórkowej INS1 szczurzego insulinoma, wydzielanie insuliny może być zahamowane przez opróżnienie puli wapnia IP3-mediowanego przez IP3. Wszystkie powyższe eksperymenty potwierdziły, że kanał IP3R jest zaangażowany w proces wydzielania insuliny. RYR jest zaangażowany w wydzielanie insuliny z komórek β pod wpływem glukozy i peptydów inkretynowych, a stan cukrzycy wiąże się ze zmniejszoną ekspresją RYR w komórkach beta. Poza ekspresją w retikulum endoplazmatycznym komórek β wysepek trzustkowych, RYR jest również obecny w pęcherzykach wydzielniczych insuliny komórek beta. Lokalny CICR może być zaangażowany w proces wyzwalania egzocytozy pęcherzyków insuliny; wydzielanie insuliny jest wyzwalane przez wzrost wewnątrzkomórkowego stężenia wapnia w komórkach β wysepki, co prowadzi do aktywacji kinazy białkowej zależnej od kalmoduliny, która fosforyluje RYR2 i powoduje wypływ wapnia z retikulum endoplazmatycznego. Ten proces CICR jest zależny od stężenia glukozy. Uważa się, że fosforylacja RYR2 jest mechanizmem, który powoduje uwolnienie wewnątrzkomórkowych zapasów wapnia w celu pośredniczenia w wydzielaniu insuliny. Dixit i wsp. wprowadzili mutanta kanału RYR2 do organizmu myszy, naśladując fosforylację kanału typu RYR2, co spowodowało zwiększony wypływ wapnia przez RYR2, co z kolei wywołało podstawową hiperinsulinemię. Oba eksperymenty dowodzą, że RYR jest zaangażowany w proces wydzielania insuliny. Kanał receptorowy NAADP jest również zaangażowany w proces wydzielania insuliny z komórek beta pod wpływem glukozy i peptydów wydzielanych przez inkretyny. Badania wykazały, że peptydy inkretynowe, takie jak glukagonopodobny peptyd 1, indukują uwalnianie wapnia z komórek beta. Pierwotne uwalnianie wapnia jest mediowane przez NAADP, a wtórne przez polimerazę rybozy cyklicznego adenozyno-difosforanu, która ostatecznie uzupełnia insulinę poprzez szlak wymiany nukleotydów guaninowych regulowany przez kinazę białkową A i wydzielanie cyklicznego adenozynomonofosforanu. Ponadto badania potwierdziły, że NAADP nie tylko odgrywa rolę w indukowanym przez glukagonopodobny peptyd-1 uwalnianiu wapnia, ale również działa jako sygnał wapniowy. Badania potwierdziły, że zarówno TPC1 jak i TPC2 są zaangażowane w uwalnianie wapnia indukowane NAADP, ale CICR jest blisko związany z TPC2. Z kolei ekspresja TPC3 hamowała uwalnianie wapnia indukowane NAADP. Ostatecznie, ekspresja TPC wpływa na strukturę i dynamikę endosomów, czyniąc NAADP ważnym graczem w regulacji handlu pęcherzykami.
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.
.