Introducerea canalului de calciu
Calciul este cea mai veche și cea mai utilizată substanță de semnalizare din celulă și este implicat în reglarea aproape tuturor funcțiilor biologice ale organismului, cum ar fi contracția cardiacă și musculară, transmiterea neuronală, învățarea și memoria, embriogeneza și dezvoltarea, proliferarea și apoptoza celulară, diviziunea și diferențierea celulară, metabolismul energetic celular, modificarea fosforilării și defosforilării proteinelor, precum și expresia și reglarea genelor. Concentrația ionului de calciu liber citoplasmatic din celulele mamiferelor este, în general, controlată la 100-200 nmol/L. Gradientul de concentrație abrupt, dar strâns controlat, al ionilor de calciu între membrana celulară și citoplasmă și organite este menținut și reglat în mod dinamic în funcție de nevoile celulelor. Acesta se bazează pe o varietate de canale de ioni, pompe de ioni și transportatori care lucrează împreună. Deși diferite celule au mecanisme specifice diferite, moleculele implicate în canalul de calciu includ canale ionice ale membranelor celulare și ale membranelor organitelor (care mediază ionii de calciu în citoplasmă), transportatori ai membranelor celulare și ai membranelor organitelor (inclusiv transportul activ primar și transportul secundar), proteinele tampon de calciu citoplasmatice și organite (stocarea combinată a ionilor de calciu), etc. Orice anomalie a legăturilor poate provoca instabilitatea homeostaziei calciului și poate cauza boli. Elucidarea mecanismului de reglare a canalului de calciu dezvăluie una dintre legăturile de bază ale homeostaziei calciului și reglarea proceselor vitale.
Membrul familiei canalelor de calciu și, respectiv, structurile acestora
Canalul ionilor de calciu este un complex proteic care determină fluxul ionilor de calciu între interiorul și exteriorul celulei, precum și între organite și citoplasmă. Sursele de calciu intracelular sunt de două tipuri: influxul de calciu extracelular și depozitele de calciu intracelular. Intrarea calciului extracelular în celulă se poate realiza prin următoarele trei căi ale canalelor receptoare: canalul Cav, canalul de calciu pornit la receptor, canalul de calciu care controlează rezervorul de calciu, iar eliberarea depozitelor intracelulare de calciu se face în principal prin 4 căi de canale receptoare, și anume: canalul IP3R, canalul receptorului de ryanodină, canalul receptorului de acid nicotinic adenină dinucleotid fosfat (NAADP) și canalul receptorului mitocondrial. În plus, ieșirea de calciu în reticulul endoplasmatic cauzată de o creștere a concentrației intracelulare de ioni de calciu se numește eliberare de Ca2+ indusă de Ca2+. Canalul Cav de pe membrana celulelor β din insuliță și canalul IP3R, canalul RYR și canalul receptorului NAADP de pe biblioteca de calciu intracelular sunt cele patru canale receptoare majore implicate în procesul de secreție a insulinei. Afluxul de calciu extracelular din insulița β se face în principal prin canalul Cav. În funcție de caracteristicile electrofiziologice, canalele Cav pot fi împărțite în tipurile L, P/Q, N, R și T, dintre care canalele Cav de tip L joacă un rol decisiv în declanșarea secreției de insulină. Canalul Cav este alcătuit, de obicei, din 4 sau 5 dintre subunitățile α1, α2δ, β și γ. Subunitatea α1 este subunitatea principală a canalului Cav, care constituie canalul de transport al ionilor de calciu. Alte subunități nu participă la formarea canalului Cav, dar reglează deschiderea canalului subunității α1 și, prin urmare, sunt numite subunități auxiliare. Dintre acestea, subunitatea α2δ este legată de o subunitate α2 glicozilată extracelulară și de o subunitate δ transmembranară hidrofobă prin intermediul unei legături disulfidice. În plus, subunitatea α2 are un situs de legare pentru un antagonist al ionului de calciu, iar antagonistul ionului de calciu dihidropiridină funcționează în principal prin legarea la subunitatea α2. IP3R este o glicoproteină cu o masă moleculară relativă de aproximativ 240000 până la 300000. IP3R este împărțit în tipul I-V, dintre care tipul I-III este exprimat pe celulele β din insuliță, în special tipul III este cel mai abundent. IP3R este distribuit în reticulul endoplasmatic al celulelor beta, iar studiile au confirmat faptul că IP3R este prezent și pe granulele secretorii de insulină. IP3R are proprietatea de a se lega de inositol trifosfat (IP3) și de a transporta ioni de calciu. IP3R este format prin asocierea necovalentă a homotetramerilor, iar fiecare subunitate poate lega o moleculă de IP3. IP3R poate fi împărțit în trei părți: zona de legare a IP3, zona de reglare a funcției și zona canalului de ioni de calciu. Regiunea canalului de calciu este baza pentru formarea structurii tetramerice a IP3R, astfel încât regiunea canalului de calciu este foarte importantă pentru structura IP3R. Canalul RYR este o proteină de 45.000 de aminoacizi exprimată pe reticulul endoplasmatic și reticulul sarcoplasmatic, cu o masă moleculară relativă de 565.000. În funcție de gena codificatoare, RYR este împărțit în trei subtipuri: RYR1, RYR2 și RYR3. Există în principal canale RYR2 pe reticulul endoplasmatic al celulelor β din insuliță.
Boala legată de canalul de calciu și mecanismul de funcționare a canalului de calciu în aceste boli
Canalul de Ca2+ este o proteină transmembranară cu mai multe subunități, iar canalul de Ca2+ legat de voltaj este în general clasificat în tip L (Cav1), tip P/Q (Cav2.1), de tip N (Cav2.2) și de tip R (Cav2. 3) și de tip T (Cav3) și alte subtipuri, distribuite în neuroni, miocard și alte părți, și implicate în eliberarea neurotransmițătorilor și în potențialul de acțiune miocardic. Studiul a constatat că antidepresivele stimulează ginecogeneza în hipocampus, implicând receptorii cuplați cu proteina G și canalele de calciu voltaj-dependente. Dovezile clinice sugerează că blocantele canalelor de calciu de tip L pot trata tulburarea bipolară, schizofrenia și o serie de boli neuropsihiatrice, cum ar fi depresia. Moleculele Cav1 și Cav3 sunt asociate cu emoțiile rozătoarelor (anxietate, depresie), comportamentul social și cogniția. Studiile au constatat că blocarea canalelor de calciu cu blocajul selectiv al canalelor de calciu de tip P și P/Q de tip ω-viral IVA poate modifica eficiența transmisiei sinaptice, demonstrând că canalele de calciu de tip P și P/Q sunt implicate în nervii hipocampali. Studiile au utilizat tehnici de înregistrare patch-clamp cu celule întregi și tehnici de imagistică Ca2+ pentru a studia mecanismul de inhibiție pe termen lung în neuronii piramidali din regiunea CA1 a hipocampului din felii de creier acut și au constatat că canalele Ca2+ de tip N sunt implicate în neuronii piramidali hipocampali și în plasticitatea sinaptică. Celulele beta ale insulelor sunt foarte sensibile la modificările concentrației de glucoză extracelulară. Atunci când concentrația de glucoză extracelulară este ridicată, glucoza este absorbită în celulele beta prin intermediul transportatorului de glucoză de pe membrana celulelor beta. Prin intermediul ciclului Krebs, raportul intracelular ATP/ADP este crescut. Canalul de potasiu sensibil la ATP este închis, fluxul de ieșire de K+ este redus, membrana celulei β este depolarizată, iar canalul Cav este deschis, iar influxul extern de calciu crește concentrația intracelulară de ioni de calciu, declanșând exocitoza și β pe membrana veziculelor de insulină. Actina din membrana celulară acționează pentru a fuziona membrana veziculei de insulină cu membrana celulei β pentru a forma un por de fuziune a membranei, iar apoi insulina din veziculă este eliberată în spațiul extracelular prin porul de fuziune pentru a realiza procesul de exocitoză al celulei β. O varietate de medicamente, cum ar fi 2, 2-ditiodipiridina, tiopentalul și interleukina 6, pot induce sau crește efectul secreției de insulină stimulată de glucoză, toate acestea implicând eliberarea de ioni de calciu implicați în canalul IP3R. Fiind cel mai mare rezervor de calciu din celulă, reticulul endoplasmatic are IP3R și RYR, care joacă un rol important în secreția de insulină; în linia celulară de insulinom de șobolan INS1, secreția de insulină poate fi inhibată prin golirea rezervorului de calciu mediat de IP3. Toate experimentele de mai sus au confirmat faptul că canalul IP3R este implicat în procesul de secreție a insulinei. RYR este implicat în secreția de insulină mediată de glucoză și de peptidele secretate de incretină din celulele β, iar starea de diabet este asociată cu scăderea expresiei RYR în celulele beta. Pe lângă faptul că este exprimat în reticulul endoplasmatic al celulelor β din insulele pancreatice, RYR este, de asemenea, prezent în veziculele de secreție a insulinei din celulele beta. CICR local poate fi implicat în procesul de declanșare a exocitozei veziculelor de insulină; secreția de insulină este declanșată de o creștere a concentrației intracelulare de calciu în celulele β din insuliță, ceea ce duce la activarea proteinei kinaza dependentă de calmodulină, care fosforilează RYR2 și produce ieșirea de calciu din reticulul endoplasmatic. Acest proces CICR este dependent de concentrația de glucoză. Se crede că fosforilarea lui RYR2 este un mecanism care determină eliberarea depozitelor de calciu intracelular pentru a media secreția de insulină. Dixit et al. au introdus mutantul canalului RYR2 în șoareci, imitând fosforilarea canalului de tip RYR2, ceea ce a dus la creșterea efluxului de calciu mediat de RYR2, care, la rândul său, a produs hiperinsulinemie bazală. Ambele experimente demonstrează că RYR este implicat în procesul de secreție a insulinei. Canalul receptor NAADP este, de asemenea, implicat în secreția de insulină a celulelor beta mediată de peptidele secretate de glucoză și incretină. Studiile au arătat că peptidele secretate de incretină, cum ar fi peptida 1 asemănătoare glucagonului, induc eliberarea de calciu în celulele beta. Eliberarea primară de calciu este mediată de NAADP, iar eliberarea secundară de calciu este mediată de adenozin difosfat ciclic de riboză polimerază, care, în cele din urmă, finalizează insulina prin intermediul căii de schimb de nucleotide de guanină, reglementată de proteina kinaza A și de secreția de adenozin monofosfat ciclic. În plus, studiul a confirmat, de asemenea, că NAADP nu numai că joacă un rol în eliberarea de calciu indusă de peptida-1 asemănătoare glucagonului, dar acționează și ca un semnal de calciu. Studiile au confirmat faptul că atât TPC1, cât și TPC2 sunt implicate în eliberarea de calciu indusă de NAADP, dar CICR este strâns legată de TPC2. În schimb, exprimarea TPC3 a inhibat eliberarea de calciu indusă de NAADP. În cele din urmă, expresia TPC afectează structura și dinamica endosomilor, făcând din NAADP un jucător important în reglarea traficului de vezicule.
Referință:
- Nimmrich V, Eckert A. Blocantele canalelor de calciu și demența. 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. Canale de calciu CaV1.2 de tip L: de la descoperirile in vitro la funcția in vivo. Revizuiri fiziologice. 2014, 94(1):303-326.
- Dolphin A C. Canale de calciu auxiliare α2δ și β subunități: trafic și un pas mai departe. 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.
.