Kanał jonowy bramkowany białkiem G
Kanały jonowe bramkowane białkiem G to rodzina transbłonowych kanałów jonowych w neuronach i miocytach przedsionków , które są bezpośrednio bramkowane przez białka G.
Przegląd mechanizmów i funkcji
Ogólnie rzecz biorąc, kanały jonowe bramkowane białkiem G są specyficznymi kanałami jonowymi zlokalizowanymi w błonie komórkowej komórek, które są bezpośrednio aktywowane przez rodzinę powiązanych białek . Kanały jonowe umożliwiają selektywny ruch pewnych jonów przez błonę plazmatyczną w komórkach. Mówiąc dokładniej, w komórkach nerwowych wraz z transporterami jonów odpowiadają za utrzymanie gradientu elektrochemicznego w komórce.
Białka G to rodzina białek wewnątrzkomórkowych zdolnych do pośredniczenia w szlakach transdukcji sygnału. Każde białko G jest heterotrimerem składającym się z trzech podjednostek: podjednostek α, β i γ. Podjednostka α (Gα ) zazwyczaj wiąże białko G z białkiem receptora transbłonowego, znanym jako receptor sprzężony z białkiem G lub GPCR . To białko receptorowe ma dużą zewnątrzkomórkową domenę wiążącą, która będzie wiązać swoje odpowiednie ligandy (np. neuroprzekaźniki i hormony). Gdy ligand jest związany z receptorem, następuje zmiana konformacyjna. Ta zmiana konformacyjna w białku G umożliwia Gα wiązanie GTP. Prowadzi to do kolejnej zmiany konformacyjnej w białku G, skutkującej oddzieleniem kompleksu βγ (Gβγ ) od Gα . W tym momencie zarówno Gα, jak i Gβγ są aktywne i zdolne do kontynuowania szlaku transdukcji sygnału. Różne klasy receptorów sprzężonych z białkiem G mają wiele znanych funkcji, w tym cAMP i fosfatydyloinozytolu . Klasa znana jako metabotropowe receptory glutaminianu odgrywają dużą rolę w pośredniej aktywacji kanału jonowego przez białka G. Szlaki te są aktywowane przez wtórne przekaźniki, które inicjują kaskady sygnałów z udziałem różnych białek, które są ważne dla odpowiedzi komórki.
Kanały jonowe bramkowane białkiem G są związane z określonym typem receptora sprzężonego z białkiem G. Te kanały jonowe to transbłonowe kanały jonowe z filtrami selektywności i miejscem wiązania białka G. GPCR związane z kanałami jonowymi bramkowanymi białkiem G nie biorą udziału w szlakach transdukcji sygnału. Tylko bezpośrednio aktywują te kanały jonowe za pomocą białek efektorowych lub samych podjednostek białka G (patrz rysunek). W przeciwieństwie do większości efektorów, nie wszystkie kanały jonowe bramkowane białkiem G mają swoją aktywność, w której pośredniczy Gα odpowiadających im białek G. Na przykład, w otwieraniu prostowniczych do wewnątrz kanałów K + (GIRK) pośredniczy wiązanie Gβγ .
Kanały jonowe bramkowane białkiem G znajdują się przede wszystkim w neuronach OUN i miocytach przedsionków i wpływają na przepływ potasu (K + ), wapnia (Ca 2+ ), sodu (Na + ) i chlorków (Cl − ) przez błonę plazmatyczną .
Rodzaje kanałów jonowych bramkowanych białkiem G
Kanały potasowe
Struktura
U ssaków zidentyfikowano cztery podjednostki kanału potasowego ( GIRK ) bramkowane białkiem G : GIRK1 , GIRK2 , GIRK3 i GIRK4 . Podjednostki GIRK łączą się, tworząc kanały jonowe GIRK. Te kanały jonowe, po aktywacji, umożliwiają przepływ jonów potasu (K + ) z przestrzeni pozakomórkowej otaczającej komórkę przez błonę plazmatyczną do cytoplazmy . Każdy kanał składa się z domen rozciągających się na błonę plazmatyczną, tworząc obszar porów selektywnych względem K + , przez który będą przepływać jony K + . Zarówno N-, jak i C-końcowe końce kanałów GIRK znajdują się w cytoplazmie. Domeny te oddziałują bezpośrednio z kompleksem βγ białka G, prowadząc do aktywacji kanału K + . . Te domeny na końcach N i C, które oddziałują z białkami G, zawierają pewne reszty, które są krytyczne dla prawidłowej aktywacji kanału GIRK. W GIRK4 resztą N-końcową jest His-64, a resztą C-końcową jest Leu-268; w GIRK1 są to odpowiednio His-57 i Leu-262. Mutacje w tych domenach prowadzą do zmniejszenia wrażliwości kanału na kompleks βγ, a zatem zmniejszają aktywację kanału GIRK.
Cztery podjednostki GIRK są w 80-90% podobne w swoich domenach tworzących pory i transbłonowych, co jest cechą odpowiedzialną za podobieństwa w ich strukturach i sekwencjach. GIRK2, GIRK3 i GIRK4 mają wspólną tożsamość w 62%, podczas gdy GIRK1 ma tylko 44% tożsamości z innymi. Ze względu na swoje podobieństwo podjednostki kanałów GIRK mogą łatwo łączyć się, tworząc heteromultimery (białko z dwoma lub więcej różnymi łańcuchami polipeptydowymi). GIRK1, GIRK2 i GIRK3 wykazują obfite i nakładające się rozmieszczenie w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN), podczas gdy GIRK1 i GIRK4 występują głównie w sercu. GIRK1 łączy się z GIRK2 w OUN i GIRK4 w przedsionku, tworząc heterotetramery; każdy końcowy heterotetramer zawiera dwie podjednostki GIRK1 i dwie podjednostki GIRK2 lub GIRK4. Podjednostki GIRK2 mogą również tworzyć homotetramery w mózgu, podczas gdy podjednostki GIRK4 mogą tworzyć homotetramery w sercu. Nie wykazano, aby podjednostki GIRK1 były zdolne do tworzenia funkcjonalnych homotetramerów. Chociaż podjednostki GIRK3 znajdują się w OUN, ich rola w tworzeniu funkcjonalnych kanałów jonowych jest nadal nieznana.
Podtypy i odpowiadające im funkcje
- GIRK znalezione w sercu
Jeden kanał potasowy bramkowany białkiem G to skierowany do wewnątrz kanał potasowy (IKACh) znajdujący się w mięśniu sercowym (szczególnie w węźle zatokowo- przedsionkowym i przedsionkach ), który przyczynia się do regulacji częstości akcji serca. Kanały te są prawie całkowicie zależne od aktywacji białka G, co czyni je wyjątkowymi w porównaniu z innymi kanałami bramkowanymi białkiem G. Aktywacja kanałów IKACh rozpoczyna się od uwolnienia acetylocholiny (ACh) z nerwu błędnego do komórek rozrusznika serca. ACh wiąże się z muskarynowymi receptorami acetylocholiny M2, które oddziałują z białkami G i promują dysocjację podjednostki Gα i kompleksu Gβγ . IKACh składa się z dwóch homologicznych podjednostek kanałowych GIRK: GIRK1 i GIRK4. G βγ wiąże się bezpośrednio i specyficznie z kanałem IKACh poprzez interakcje zarówno z podjednostkami GIRK1, jak i GIRK4. Po aktywacji kanału jonowego jony K + wypływają z komórki i powodują jej hiperpolaryzację. W stanie hiperspolaryzowanym neuron nie może tak szybko wyzwalać potencjałów czynnościowych, co spowalnia bicie serca.
- GIRK znalezione w mózgu
nerwowym kanał prostowniczy do wewnątrz białka G jest heterotetramerem złożonym z podjednostek GIRK1 i GIRK2 i jest odpowiedzialny za utrzymanie spoczynkowego potencjału błonowego i pobudliwości neuronu. Badania wykazały, że największe skupiska podjednostek GIRK1 i GIRK2 występują w obszarach dendrytycznych neuronów w OUN. Te obszary, które są zarówno pozasynaptyczne (na zewnątrz synapsy), jak i perysynaptyczne (w pobliżu synapsy), korelują z dużym stężeniem receptorów GABA B w tych samych obszarach. Gdy receptory GABA B zostaną aktywowane przez ich ligandy, umożliwiają one dysocjację białka G na jego indywidualną podjednostkę α i kompleks βγ, dzięki czemu może ono z kolei aktywować kanały K + . Białka G łączą skierowane do wewnątrz prostownicze kanały K + z receptorami GABA B , pośrednicząc w znacznej części hamowania postsynaptycznego GABA.
Ponadto stwierdzono, że GIRK odgrywają rolę w grupie neuronów serotonergicznych w grzbietowym jądrze szwu , szczególnie tych związanych z oreksyną , hormonem neuropeptydowym . Wykazano, że receptor 5-HT1A , receptor serotoniny i rodzaj GPCR, jest bezpośrednio sprzężony z podjednostką α białka G, podczas gdy kompleks βγ aktywuje GIRK bez użycia drugiego przekaźnika. Późniejsza aktywacja kanału GIRK pośredniczy w hiperpolaryzacji neuronów oreksyny, które regulują uwalnianie wielu innych neuroprzekaźników, w tym noradrenaliny i acetylocholiny .
Kanały wapniowe
Struktura
Oprócz podzbioru kanałów potasowych, które są bezpośrednio bramkowane przez białka G, białka G mogą również bezpośrednio bramkować pewne kanały jonowe wapnia w błonach komórek nerwowych. Chociaż na błonowe kanały jonowe i fosforylację białek zazwyczaj pośrednio wpływają receptory sprzężone z białkiem G poprzez białka efektorowe (takie jak fosfolipaza C i cyklaza adenylowa ) i wtórne przekaźniki (takie jak trifosforan inozytolu , diacyloglicerol i cykliczny AMP ), białka G mogą zwierać szlak drugiego posłańca i bezpośrednio bramkuj kanały jonowe. Takie omijanie szlaków drugiego przekaźnika obserwuje się w miocytach sercowych ssaków i związanych z nimi sarkolemmy , w których kanały Ca 2+ są w stanie przetrwać i funkcjonować pod nieobecność cAMP, ATP lub kinazy białkowej C , gdy w obecności aktywowanej α- podjednostka białka G. Na przykład Gα , który stymuluje cyklazę adenylową, działa bezpośrednio na kanał Ca2 + jako efektor. To zwarcie ogranicza błonę, umożliwiając bezpośrednie bramkowanie kanałów wapniowych przez białka G w celu uzyskania efektów szybciej niż kaskada cAMP. To bezpośrednie bramkowanie stwierdzono również w specyficznych kanałach Ca2 + w kanalikach T serca i mięśni szkieletowych.
Funkcjonować
Kilka wysokoprogowych, wolno inaktywujących kanałów wapniowych w neuronach jest regulowanych przez białka G. Wykazano, że aktywacja podjednostek α białek G powoduje szybkie zamykanie zależnych od napięcia kanałów Ca 2+ , co powoduje trudności w wyzwalaniu potencjałów czynnościowych. To hamowanie kanałów wapniowych bramkowanych napięciem przez receptory sprzężone z białkiem G wykazano w zwoju korzenia grzbietowego pisklęcia wśród innych linii komórkowych. Dalsze badania wykazały role podjednostek Gα i Gβγ w hamowaniu kanałów Ca2 + . Badania ukierunkowane na określenie udziału każdej podjednostki nie ujawniły jednak specyfiki ani mechanizmów regulacji kanałów Ca 2+ .
Wyczuwalny kwas kanał jonowy ASIC1a jest specyficznym kanałem Ca2 + bramkowanym białkiem G. Górny muskarynowy receptor acetylocholiny M1 wiąże się z białkami G klasy G. Wykazano, że blokowanie tego kanału agonistą metiodku oksotremoryny hamuje prądy ASIC1a. Wykazano również, że prądy ASIC1a są hamowane w obecności środków utleniających i wzmacniane w obecności środków redukujących. Stwierdzono odpowiednio spadek i wzrost indukowanej kwasem wewnątrzkomórkowej akumulacji Ca 2+ .
Kanały sodowe
patch clamp sugerują bezpośrednią rolę Gα w hamowaniu szybkiego prądu Na + w komórkach serca. Inne badania wykazały istnienie ścieżki drugiego posłańca, która może pośrednio kontrolować te kanały. To, czy białka G pośrednio lub bezpośrednio aktywują kanały jonowe Na + , nie zostało określone z całkowitą pewnością.
Kanały chlorkowe
, że aktywność kanału chlorkowego w komórkach nabłonka i serca jest zależna od białka G. Jednak kanał sercowy, który, jak wykazano, jest bezpośrednio bramkowany przez podjednostkę Gα, nie został jeszcze zidentyfikowany. Podobnie jak w przypadku hamowania kanału Na + , szlaki drugiego posłańca nie mogą być pominięte w aktywacji kanału Cl- .
Badania przeprowadzone na określonych kanałach Cl- wykazują różne role aktywacji białka G. Wykazano, że białka G bezpośrednio aktywują jeden typ kanału Cl− w mięśniu szkieletowym. Inne badania na komórkach CHO wykazały, że kanał Cl- o dużej przewodności jest aktywowany w różny sposób przez białka G wrażliwe na CTX i PTX. Rola białek G w aktywacji kanałów Cl- jest złożonym obszarem badań, które trwają.
Znaczenie kliniczne i trwające badania
Wykazano, że mutacje białek G związane z kanałami jonowymi bramkowanymi białkiem G są zaangażowane między innymi w choroby takie jak padaczka , choroby mięśni, choroby neurologiczne i przewlekły ból.
Padaczka, przewlekły ból i uzależniające leki, takie jak kokaina, opioidy, kannabinoidy i etanol wpływają na pobudliwość neuronów i częstość akcji serca. Wykazano, że kanały GIRK biorą udział w podatności na napady padaczkowe, uzależnieniu od kokainy i zwiększonej tolerancji na ból przez opioidy, kannabinoidy i etanol. To powiązanie sugeruje, że modulatory kanałów GIRK mogą być użytecznymi środkami terapeutycznymi w leczeniu tych stanów. Inhibitory kanału GIRK mogą służyć do leczenia uzależnień od kokainy, opioidów, kannabinoidów i etanolu, podczas gdy aktywatory kanału GIRK mogą służyć do leczenia objawów odstawienia.
Zatrucie alkoholowe
alkoholem jest bezpośrednio związane z działaniami kanałów GIRK. Kanały GIRK mają hydrofobową kieszeń, która jest zdolna do wiązania etanolu , rodzaju alkoholu występującego w napojach alkoholowych. Kiedy etanol działa jako agonista , kanały GIRK w mózgu doświadczają przedłużonego otwarcia. Powoduje to zmniejszenie aktywności neuronów, czego skutkiem są objawy zatrucia alkoholem. Odkrycie hydrofobowej kieszeni zdolnej do wiązania etanolu ma istotne znaczenie w dziedzinie farmakologii klinicznej. Środki, które mogą działać jako agoniści tego miejsca wiązania, mogą być potencjalnie przydatne w tworzeniu leków do leczenia zaburzeń neurologicznych, takich jak padaczka, w których odpalanie neuronów przekracza normalny poziom.
Rak piersi
Badania wykazały, że istnieje powiązanie między kanałami z podjednostkami GIRK1 a szlakiem receptora beta-adrenergicznego w komórkach raka piersi odpowiedzialnym za regulację wzrostu komórek. Stwierdzono, że około 40% pierwotnych ludzkich tkanek raka piersi zawiera mRNA, który koduje podjednostki GIRK1. Wykazano, że leczenie tkanki raka piersi alkoholem powoduje zwiększony wzrost komórek rakowych. Mechanizm tego działania jest wciąż przedmiotem badań.
Zespół Downa
Zmieniona regulacja pracy serca jest częsta u dorosłych z rozpoznaniem zespołu Downa i może być związana z kanałami jonowymi bramkowanymi białkiem G. Gen KCNJ6 znajduje się na chromosomie 21 i koduje podjednostkę białkową GIRK2 bramkowanych białkiem G kanałów K + . Osoby z zespołem Downa mają trzy kopie chromosomu 21, co powoduje nadekspresję podjednostki GIRK2. Badania wykazały, że rekombinowane myszy z nadekspresją podjednostek GIRK2 wykazują zmienione odpowiedzi na leki, które aktywują kanały K + bramkowane białkiem G. Te zmienione odpowiedzi były ograniczone do węzła zatokowo-przedsionkowego i przedsionków, obydwóch obszarów, które zawierają wiele bramkowanych białkiem G kanałów K + . Takie odkrycia mogą potencjalnie prowadzić do opracowania leków, które mogą pomóc regulować nierównowagę współczulno-przywspółczulną serca u dorosłych z zespołem Downa.
Przewlekłe migotanie przedsionków
Migotanie przedsionków (nieprawidłowy rytm serca) jest związane z krótszym czasem trwania potencjału czynnościowego i uważa się, że wpływa na nie bramkowany białkiem G kanał K + , IK,ACh . Kanał IK ,ACh aktywowany przez białka G umożliwia przepływ K + przez błonę plazmatyczną i na zewnątrz komórki. Ten prąd hiperpolaryzuje komórkę, kończąc w ten sposób potencjał czynnościowy. Wykazano, że w przewlekłym migotaniu przedsionków dochodzi do wzrostu tego prostowniczego prądu z powodu stale aktywowanych kanałów IK,ACh . Zwiększenie prądu skutkuje krótszym czasem trwania potencjału czynnościowego doświadczanego w przewlekłym migotaniu przedsionków i prowadzi do późniejszego migotania mięśnia sercowego. Blokowanie IK,ACh może być celem terapeutycznym w migotaniu przedsionków i jest przedmiotem badań.
Zarządzanie bólem
Wykazano in vivo, że kanały GIRK biorą udział w analgezji wywołanej opioidami i etanolem. Te specyficzne kanały były celem ostatnich badań dotyczących wariancji genetycznej i wrażliwości na opioidowe środki przeciwbólowe ze względu na ich rolę w analgezji wywołanej opioidami. Kilka badań wykazało, że kiedy opioidy są przepisywane w celu leczenia przewlekłego bólu, kanały GIRK są aktywowane przez pewne GPCR, mianowicie receptory opioidowe, co prowadzi do hamowania transmisji nocyceptywnej, działając w ten sposób w łagodzeniu bólu. Ponadto badania wykazały, że białka G, w szczególności podjednostka Gi alfa , bezpośrednio aktywują GIRK, które, jak stwierdzono, biorą udział w propagacji znieczulenia indukowanego morfiną u myszy z zapaleniem kolców. W tej dziedzinie nadal prowadzone są badania dotyczące leczenia bólu przewlekłego.