Introduktion av kalciumkanal
Kalcium är den äldsta och mest använda signalsubstansen i cellen och är involverad i regleringen av nästan alla biologiska funktioner i kroppen, såsom hjärt- och muskelkontraktion, neuronal överföring, inlärning och minne, embryogenes och utveckling, cellproliferation och apoptos, celldelning och differentiering, cellens energiomsättning, modifiering av proteinfosforylering och defosforylering samt genuttryck och reglering. Den cytoplasmatiska koncentrationen av fria kalciumjoner i däggdjursceller kontrolleras i allmänhet vid 100-200 nmol/L. Den branta men noggrant kontrollerade koncentrationsgradienten av kalciumjoner mellan cellmembranet och cytoplasman och organellerna upprätthålls och regleras dynamiskt i enlighet med cellernas behov. Den är beroende av att en mängd olika jonkanaler, jonpumpar och transportörer arbetar tillsammans. Även om olika celler har olika specifika mekanismer är de molekyler som är involverade i kalciumkanalen bland annat cellmembranens och organellmembranens jonkanaler (som förmedlar kalciumjoner till cytoplasman), transportörer i cellmembranen och organellmembranen (bland annat primär aktiv transport och sekundär transport), cytoplasmatiskt och organellt kalciumbuffertprotein (kombinerad lagring av kalciumjoner), osv. Varje avvikelse i länkarna kan orsaka instabilitet i kalciumhomeostasen och orsaka sjukdom. Uppklarandet av kalciumkanalens regleringsmekanism avslöjar en av de grundläggande länkarna för kalciumhomeostas och regleringen av livsprocesser.
Kalciumkanalens familjemedlemmar och deras strukturer respektive
Kalciumjonkanalen är ett proteinkomplex som får kalciumjoner att flöda mellan cellens insida och utsida samt mellan organellen och cytoplasman. Källorna till intracellulärt kalcium är två typer av extracellulärt kalciuminflöde och intracellulära kalciumlager. Inflödet av extracellulärt kalcium till cellen kan ske genom följande tre receptorkanalvägar: Cav-kanal, receptorstyrd kalciumkanal, kalciumreservoarkontrollerande kalciumkanal, och frisättning av intracellulära kalciumlager sker huvudsakligen genom fyra receptorkanalvägar, dvs. IP3R-kanal, ryanodinreceptorkanal, nikotinsyraadenin-dinukleotidfosfat (NAADP)-receptorkanal och mitokondriell receptorkanal. Dessutom kallas det kalciumutflöde i det endoplasmatiska retikulumet som orsakas av en ökning av den intracellulära kalciumjonkoncentrationen för Ca2+-inducerad Ca2+-frisättning. Cav-kanalen på öns β-cellmembran och IP3R-kanalen, RYR-kanalen och NAADP-receptorkanalen på det intracellulära kalciumbiblioteket är de fyra viktigaste receptorkanalerna som är involverade i insulinutsöndringsprocessen. Islet β extracellulärt kalciuminflöde sker huvudsakligen genom Cav-kanalen. Enligt elektrofysiologiska egenskaper kan Cav-kanalerna delas in i L-, P/Q-, N-, R- och T-typer, av vilka Cav-kanalerna av L-typ spelar en avgörande roll för att utlösa insulinsekretion. Cav-kanalen består vanligtvis av 4 eller 5 av underenheterna α1, α2δ, β och γ. α1-underenheten är den viktigaste underenheten i Cav-kanalen, som utgör transportkanalen för kalciumjoner. Andra underenheter deltar inte i bildandet av Cav-kanalen, men reglerar öppnandet av α1-underenhetens kanal och kallas därför hjälpunderenheter. Bland dem är α2δ-underenheten sammanlänkad av en extracellulär glykosylerad α2-underenhet och en hydrofob transmembran δ-underenhet genom en disulfidbindning. Dessutom har α2-underenheten en bindningsplats för en kalciumjonantagonist, och dihydropyridin-kalciumjonantagonisten fungerar huvudsakligen genom att binda till α2-underenheten. IP3R är ett glykoprotein med en relativ molekylmassa på cirka 240000 till 300000. IP3R delas in i I-V-typ, varav typ I-III uttrycks på β-celler i öarna, särskilt typ III är rikligast förekommande. IP3R distribueras i betacellernas endoplasmatiska retikulum, och studier har bekräftat att IP3R också finns på insulinsekretoriska granuler. IP3R har egenskapen att binda till inositoltrifosfat (IP3) och transportera kalciumjoner. IP3R bildas genom icke-kovalent förening av homotetramer, och varje underenhet kan binda en molekyl IP3. IP3R kan delas in i tre delar: IP3-bindningszonen, funktionsregleringszonen och kalciumjonkanalzonen. Kalciumkanalregionen är grunden för bildandet av IP3R-tetramerstrukturen, så kalciumkanalregionen är mycket viktig för IP3R:s struktur. RYR-kanalen är ett protein med 45 000 aminosyror som uttrycks på det endoplasmatiska retikulumet och det sarkoplasmatiska retikulumet med en relativ molekylmassa på 565 000. Beroende på den kodande genen delas RYR in i tre subtyper: RYR1, RYR2 och RYR3. Det finns huvudsakligen RYR2-kanaler på det endoplasmatiska retikulumet i β-celler i öarna.
Kalciumkanalrelaterade sjukdomar och kalciumkanalens verkningsmekanism vid dessa sjukdomar
Ca2+-kanalen är ett transmembranprotein med flera underenheter, och den spänningsstyrda Ca2+-kanalen klassificeras generellt i L-typ (Cav1), P/Q-typ (Cav2.1), N-typ (Cav2.2), och R-typ (Cav2. 3) och T-typ (Cav3) och andra subtyper, fördelade i neuronerna, myokardiet och andra delar, och involverade i neurotransmittorfrisättning och myokardiets aktionspotential. Studien visade att antidepressiva medel stimulerar gynogenes i hippocampus som involverar G-proteinkopplade receptorer och spänningsberoende kalciumkanaler. Kliniska bevis tyder på att L-typ kalciumkanalblockerare kan behandla bipolär sjukdom, schizofreni och en rad neuropsykiatriska sjukdomar som depression. Cav1- och Cav3-molekylerna är förknippade med känslor hos gnagare (ångest, depression), socialt beteende och kognition. Studier har visat att blockering av kalciumkanaler med selektiv kalciumkanalblockerare av P-typ och P/Q-typ ω-viral IVA kan förändra effektiviteten i den synaptiska överföringen, vilket visar att kalciumkanaler av P-typ och P/Q-typ är involverade i hippocampala nerver. Studier har använt helcells patch-clamp-inspelning och Ca2+-bildteknik för att studera mekanismen för långtidsinhibering i pyramidala neuroner i hippocampus CA1-regionen i akuta hjärnskivor och funnit att Ca2+-kanaler av N-typ är involverade i hippocampus pyramidala neuroner och synaptisk plasticitet. Betaceller i öarna är mycket känsliga för förändringar i den extracellulära glukoskoncentrationen. När den extracellulära glukoskoncentrationen är förhöjd tas glukos upp i betacellerna genom glukosbäraren på betacellmembranet. Genom Krebscykeln ökar det intracellulära ATP/ADP-förhållandet. Den ATP-känsliga kaliumkanalen stängs, K+-utflödet minskas, β-cellmembranet depolariseras och Cav-kanalen öppnas, och det externa kalciuminflödet ökar den intracellulära kalciumjonkoncentrationen, vilket utlöser exocytos och β på insulinvesikelns membran. Aktinet i cellmembranet verkar för att fusionera insulinvesikelmembranet med β-cellmembranet för att bilda en membranfusionspor, och sedan frigörs insulinet i vesikeln till det extracellulära utrymmet genom fusionsporten för att förverkliga β-cellens exocytosprocess. En mängd olika läkemedel såsom 2, 2-dithiodipyridin, tiopental och interleukin 6 kan inducera eller öka effekten av glukosstimulerad insulinutsöndring, som alla involverar frisättning av kalciumjoner som är involverade i IP3R-kanalen. Som den största kalciumreservoaren i cellen har det endoplasmatiska retikulumet IP3R och RYR, som spelar en viktig roll för insulinutsöndringen; i råttinsulinomcelllinjen INS1 kan insulinutsöndringen hämmas genom att tömma den IP3-medierade kalciumpoolen. Alla ovanstående experiment bekräftade att IP3R-kanalen är involverad i insulinutsöndringsprocessen. RYR är involverad i glukos- och inkretinutsöndrad peptidmedierad β-cells insulinutsöndring, och diabetestillståndet är förknippat med minskat uttryck av RYR i betaceller. Förutom att RYR uttrycks på det endoplasmatiska retikulumet hos β-celler i bukspottkörtelns öar β-celler finns RYR också i betacellernas insulinsekretoriska vesiklar. Lokal CICR kan vara involverad i den utlösande processen för exocytos av insulinvesiklar; insulinutsöndringen utlöses av en ökning av den intracellulära kalciumkoncentrationen i islet β-celler, vilket leder till aktivering av calmodulinberoende proteinkinas, som fosforylerar RYR2 och ger upphov till kalciumutflöde från endoplasmatiskt retikulum. Denna CICR-process är beroende av glukoskoncentrationen. Fosforylering av RYR2 tros vara en mekanism som orsakar frisättning av intracellulära kalciumlager för att förmedla insulinsekretion. Dixit et al. slog in RYR2-kanalmutanten i möss, vilket efterliknade kanalfosforylering av RYR2-typ, vilket resulterade i ökat RYR2-medierat kalciumutflöde, vilket i sin tur gav upphov till basal hyperinsulinemi. Båda experimenten visar att RYR är involverad i insulinsekretionsprocessen. NAADP-receptorkanalen är också involverad i glukos- och inkretinutsöndrad peptidmedierad betacellinsulinutsöndring. Studier har visat att inkretinutsöndrade peptider, t.ex. glukagonliknande peptid 1, inducerar kalciumfrisättning i betacellen. Den primära kalciumfrisättningen medieras av NAADP och den sekundära kalciumfrisättningen medieras av cykliskt adenosindifosfat ribosepolymeras, vilket i slutändan fullbordar insulinet via guaninnukleotidutbytesvägen som regleras av proteinkinas A och cyklisk adenosinmonofosfatsekretion. Dessutom bekräftade studien också att NAADP inte bara spelar en roll i den glukagonliknande peptid-1-inducerade kalciumfrisättningen utan också fungerar som en kalciumsignal. Studier har bekräftat att både TPC1 och TPC2 är involverade i NAADP-inducerad kalciumfrisättning, men CICR är nära besläktad med TPC2. Däremot hämmade uttryck av TPC3 den NAADP-inducerade kalciumfrisättningen. I slutändan påverkar uttrycket av TPC endosomernas struktur och dynamik, vilket gör NAADP till en viktig aktör i regleringen av vesikeltrafik.
Referens:
- Nimmrich V, Eckert A. Kalciumkanalblockerare och 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-typ CaV1.2-kalciumkanaler: från in vitro-fynd till 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.