Са2 -канал. Планометрическая организация. Кальциевые токи. Молекулярная организация кальциевого канала

Са²⁺-канал. Планометрическая организация

Потенциалуправляемые Са²⁺-каналы позволяют ионам Са²⁺ входить в клетки, когда мембрана деполяризована. Роль Са²⁺-каналов особенно значительна для взаимосвязи электрических потенциалов, возникающих на мембране клетки, с физиологическими процессами, происходящими внутри клетки. Повышение цитозольной концентрации Ca²⁺ вызывает различные клеточные реакции, например сокращение, секрецию, выброс медиатора, процессы транскрипции.

Са²⁺-каналы представляют собой комплекс белков, образованный из α₁-субъединицы и вспомогательных α₂δ-, β- и γ-субъединиц. Субъединица α₁ формирует проводящую пору, она содержит сенсор напряжения и аппарат ворот канала. Петля между трансмембранными сегментами S5 и S6 в каждом домене определяет селективность и проводимость канала. Селективный фильтр Са²⁺-канала должен узнать ион Са²⁺ уже на входе в канал. Эти события достаточно редки по сравнению с входами ионов Na⁺, количество которых во внеклеточной среде примерно в 100 раз больше. Хотя ионы Са²⁺ и Na⁺ имеют идентичный диаметр (2 Ао), канал может выбирать Са²⁺ в большей степени, чем Na⁺, в соотношении 1000:1. Никакое сито не может так эффективно дифференцировать ионы идентичного размера. Скорее всего, пора содержит специфическое место,

которое способно связывать Са²⁺ при его очень низких концентрациях в растворе (10^-6 M), а все другие физиологические ионы связывает в намного более высоких концентрациях.

Са²⁺-каналы были классифицированы на основе двух принципов:

• химический символ главного иона, для которого они проницаемы (в данном случае ионы

Ca²⁺);

• принцип физиологической регуляции работы канала, имея в виду, что эти каналы потенциалуправляемые (voltage gated calcium channels) Са²⁺-каналы, что позволило ввести обозначение СаV (рис. 1-11 В).

Первая цифра после обозначения соответствует в субъединице номеру генного подсемейства (от 1 до 3 в настоящее время), а вторая цифра, которая ставится после точки, соответствует порядку открытия оригинальной изоформы α₁субъединицы внутри этого подсемейства (от 1 до m). Соответственно этой номенклатуре, Са_V1 подсемейство (от Са_V1.1 до Са_V1.4) включает каналы, содержащие α_1S, α_1C, α_1D и α_1F, для которых характерен L-тип кальциевых токов. Подсемейство Са_V2 (от Са_V2.1 до Са_V2.3) включает каналы, содержащие α_1Α, α_1Β и α_1Ε, для которых характерен P/Q-тип, N-тип и R-тип кальциевых токов соответственно. Подсемейство Са_V3 (от Са_V3.1 до Са_V3.3) включает каналы, содержащие α_1G, α_1Η и α_1I, для которых характерен T-тип кальциевых токов.

Рис. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 1-11. Планометрическая модель молекулярной организации потенциалуправляемого Ca²⁺-канала.

А - основная α₁-субъединица, формирующая пору. Основные структуры α₁-субъединицы показаны как трансмембранные цилиндры, представляющие собой α-спиральные сегменты. Б - модель выполнена на основе экспериментальных данных изучения структуры Са²⁺-каналов, состоящих из пяти субъединиц. В дополнение к α₁-субъединице представлена локализованная внутриклеточно β-субъединица и расположенная внеклеточно α₂-субъединица, соединенная дисульфидной связью с δ-субъединицей в комплекс α₂δ. Масштаб длины линий приблизительно соответствует длине полипептидных сегментов. Участки различий в α₁-субъединице между некоторыми Са²+-каналами мембран клеток расположены в NH₂-концевой части в гидрофобных сегментах DIS6 и DIVS3 и в линкере (цитоплазматическом связующем участке) между доменами I и II. AID (α₁-interaction domain) - первичная область связывания для всех Ca_Vα₁-субъединиц с Ca_Vβ-субъединицами, названная как α₁-взаимодействующий домен. Символом «Р» обозначены места фосфорилирования разными протеинкиназами. В - последовательное сходство α₁-субъединиц потенциалуправляемых Са²⁺-каналов. Продемонстрировано филогенетическое дерево первичных последовательностей Са²⁺-каналов. В результате сравнения пар последовательностей четко дифференцированы три семейства с межсемейственными последовательностями, идентифицированными более чем 80% (Ca_V1, Ca_V2, Ca_V3). Далее сходство последовательности было определено для каждого семейства, и эти три последовательности были сравнены одна с другой с межсемейственными последовательностями, идентифицированными на 52% (Ca_V1 по сравнению с Ca_V2) и на 28% (Ca_V3 по сравнению с Ca_V1 или с Ca_V2)

Кальциевые токи

Са²⁺-каналы были обнаружены практически во всех клетках. Са²⁺-токи, зарегистрированные в различных типах клеток, имеют определенные физиологические и фармакологические свойства. Изначальная буквенная номенклатура была предложена исходя из кинетик Са²⁺-токов. L-тип (от «long-lasting» - долго длящийся) Са²⁺-токов требует сильной деполяризации для активации, он долго длящийся и блокируется органическими антагонистами L-типа Са²⁺-каналов, включая дигидропиридины, фенилалкиламины и бензотиазепины. Са²⁺-токи L-типа являются главными в мышцах и эндокринных клетках, где они инициируют сокращение и секрецию. N-тип (от «neither long nor transient» - ни L, ни T), P/Q-тип и R-тип кальциевых токов также требуют сильной деполяризации для активации. Они относительно нечувствительны к антагонистами L-типа Са²⁺-каналов, но блокируются специфическими полипептидными токсинами из ядов улитки или паука. Эти токи в основном выражены в нейронах, где они инициируют нейротрансмиссию для большинства быстрых синапсов и также опосредуют вход Са²⁺ в клеточные тела и дендриты. T-тип (от «transient» - преходящий) Са²⁺-токов активируется слабой деполяризацией, и эти токи мимолетные (преходящие). Они нечувствительны к органическим антагонистам и токсинам змей и пауков, которые используются для определения N- и P/Q Са²⁺-токов. Са²⁺-токи T-типа выражены в большом спектре клеточных типов, где они вовлечены в развитие потенциала действия и важны в клетках и тканях, обладающих ритмической активностью.

Молекулярная организация кальциевого канала

Са²⁺-каналы, которые были охарактеризованы биохимическими методами, представляют собой комплекс белков, образованный из четырех или пяти определенных субъединиц, кодирующихся большим семейством генов.

На молекулярном уровне Са²⁺-канал составлен из формирующей пору трансмембранной α₁-субъединицы и вспомогательных α₂δ, β и γ-субъединиц (рис. 1-12 А). При этом α₂-субъединица находится на внешней стороне мембраны, β-субъединица - на внутренней стороне мембраны, а δ- и γ-субъединицы представляют собой трансмембранные структуры. Структура Са²⁺-канала сердечной и гладкой мышцы - это структура с четырьмя субъединицами канала, и она напоминает Са²⁺-каналы нейрона. Вспомогательные α₂δ- и β-субъединицы увеличивают транспорт ионов Са²⁺ через пору, образованную α₁-субъединицей, и модулируют потенциалзависимую кинетику канала. Внутриклеточная β-субъединица и трансмембранный дисульфид-связанный комплекс α₂δ-субъединиц являются компонентами большинства типов Са²⁺-каналов. В дополнение к роли β-субъединицы в транспорте ионов через канал, она также играет принципиальную роль в электромеханическом сопряжении в мышечных волокнах скелетных мышц. Взаимодействия субъединиц α₂δ- и β-субъединицы в настоящее время хорошо изучены. Наличие субъединицы γ было также обнаружено в Са²⁺-каналах скелетных мышц, в кардиомиоцитах и нейронах головного мозга. Хотя эти добавочные субъединицы модулируют свойства ионного канала, фармакологические и электрофизиологические особенности Са²⁺-каналов в основном связаны с существованием α₁-субъединиц.

β-субъединицы Са²⁺-каналов способны формировать гетерогенные комплексы in vivo и in vitro. β-субъединицы и α₁-субъединица обладают консервативными областями взаимодействия, что способствует формированию гетерогенных комплексов канала. α₂δ-субъединицы модулируют различные α₁-субъединицы in vitro, и возможно, что эта гетерогенность распространяется на ситуации in vivo. Такое разнообразие взаимодействия субъединиц потенциально увеличило бы число возможных вариантов каналов с отличающимися биофизическими и физиологическими свойствами, что может обеспечивать разнообразие клеточных ответов.

Физиологическая модель потенциалуправляемого Na⁺-канала показана на рисунке (рис. 1-12 Б).

Рис. 1-12. Объемная модель взаимодействий субъединиц потенциалуправляемого Ca²⁺-канала.

А - γ-субъединица изображена как трансмембранный белок с четырьмя сегментами с внутриклеточным N- и C-концами. Первая половина γ-субъединицы взаимодействует с α₁-субъединицей. Первая внеклеточная петля содержит заряженные остатки и участки гликозилирования. Определены взаимодействующие участки α₂δ- и β-субъединица (β-взаимодействующий домен) с α₁-субъединицей. Б - физиологическая модель потенциалуправляемого Na⁺-анала. Показана основная α₁-субъединица, формирующая пору и дополнительные α₂-, δ-, γ- и β-субъединицы