А

АТФ-зависимые калиевые каналы

АТФ-зависимые калиевые каналы (англ. ATP-sensitive potassium channels или K ATP channel) — группа белков калиевых каналов, активность которых регулируется внутриклеточными нуклеотидами, такими как АТФ и АДФ. Впервые были открыты в клетках сердца. АТФ-зависимые калиевые каналы принадлежат к классу К + -каналов входного выпрямления (K ir -каналы) и представляют собой семью K ir 6. Они работают в основном в мышцах и нейронах, где в условиях недостатка энергии в виде АТФ переводят клетки в режим покоя, снижая их возбудимость и сократимость. Также K ATP -каналы задействованы в регуляции выделения инсулина в бета-клетках поджелудочной железы. АТФ-зависимые калиевые каналы являются мишенями действия лекарственных средств, которые защищают сердце и сосуды во время перегрузки.

Молекулярная структура

K ATP -каналы — это функциональные октамер, которые состоят из четырех Kir6.х субъединиц, формирующих время канала, и четырех дополнительных белков — рецепторов сульфонилмочевины SURx (SulphonylUrea Receprors). Название последней субъединицы обусловлена ​​тем, что при блокировании канала сульфонилмочевины, она связывается именно с SUR.

K ir 6.x включает в себя две трансмембранные участка и одну, которая погружена в мембрану и формирует внутреннюю поверхность поры канала с селективным фильтром (P-домен или P-петля). K ir субодниця отвечает за ингибирование канала, то есть поддержания его в закрытом состоянии с помощью АТФ (исключая таких каналов в гладких мышцах).

SUR субодниця состоит из трех трансмембранных доменов (TMD0, TMD1, TMD2), первый из которых содержит в себе пять, а другие два — шесть трансмембранных сегментов. Также между TMD1 и TMD2 и после TMD2 на цитоплазматическом стороне мембраны находятся нуклеодитзвьязувальни домены (NBD1, NBD2). Именно SURx субъединицы отвечают за активацию канала. Они принадлежат к классу ABC-транспортеров (ATP-binding cassette transporters), основная функция которых — использовать энергию АТФ на нужды клетки, такие как транслокация различных субстратов вдоль мембраны.

Данные ионы каналы имеют высокую селективность в отношении К +. Селективный фильтр, определяющий который катион (например, Na + или K +) может пройти сквозь канал, расположенный в узкой части. Исследования показали, что сегмент H5 необходим для селективности к К +. H5 имеет в себе консенсусную последовательность (Thr-Val-Gly-Tyr-Gly), которая была найдена во всех калиевых каналах с минимальными изменениями в течение эволюции. Атомы кислорода создают «негативный» заряд в области фильтра, который имитирует водную среду, в котором находится калий в растворе. Считается, что селективность именно к ионам калия обеспечивается жестко закрепленным размером поры. То есть, другие ионы такие, как, например, литий не могут пройти (проходят с меньшей вероятностью) потому, что кислород находится от них слишком далеко, гораздо дальше, чем диполи воды, окружающих ион в растворе, то есть литий такая «имитация» некорректна.

Тканиноспецифичнисть и гены, кодирующие K ATP

Для каждой ткани характерна своя конфигурация различных субъединиц. Поэтому для гладкой мускулатуры сосудов характерный набор K ir 6.1-SUR2B и они образуют подтип K ATP — K NDP, который назван так, чтобы подчеркнуть важность активации с помощью НДФ и то, что АТФ сам не может их открыть. В то же время сведения о том, что существуют и другие композиции, такие как K ir 6.2-SUR2B в мышцах сосудов. Есть сведения о том, что гладкие мышцы детрузора содержат K ir 6.2-SUR2A (B). Для сердца характерная конфигурация K ir 6.2-SUR2A. Но если с пороутворювальною единицей все четко и понятно, то с другой возникают некоторые вопросы. Было показано, что у мышей SUR1 экспрессируется в предсердии, в то время как SUR2A — в желудочке. Глюкозочутливи нейроны мозга содержат K ir 6.2-SUR1 субодинци. Однако также эксперименты, которые показывают, что глюкозочутливи нейроны в вентромедиальных ядре гипоталамуса и такие же холинергические в полосатом теле мозга включают в себя композицию из субодниць K ir 6.1-SUR1. В поджелудочной железе β-клетки содержат K ATP -каналы в конформации K ir 6.2-SUR1.

Все вариации K ATP кодируются четырьмя генами: KCNJ8, KCNJ11, ABCC8, ABCC9. Они отвечают за субъединицы K ir 6.1, K ir 6.2, SUR1 и SUR2 соответственно. Последняя образует два сплайс варианты и так появляются субъединицы SUR2A и SUR2B. У крысы эти гены расположены в следующем порядке: в первой хромосоме ABCC8 — 39 экзон и KCNJ11 — 2 экзон, в четвертой хромосоме ABCC9 — 40 экзон и KCNJ8 — 3 экзон.

Функции в организме

Поджелудочная железа

Главная функция K ATP-каналов в эндокринной части поджелудочной железы — это секреция инсулина. Инсулиновая секреция активируется высоким уровнем глюкозы в крови. Во время допорогового уровня глюкозы K ATP -каналы открытые и поддерживают отрицательный электрохимический потенциал. В момент, когда уровень глюкозы в крови возрастает, запускается метаболизм в β-клетках островков Лангерганса. Как следствие в клетке возрастает уровень АТФ, а уровень АДФ падает. Вслед за этим K ATP -каналы закрываются, клетки деполяризуються и происходит активация потенциалзависимых кальциевых каналов (ПЗКК). Приток кальция ведет к тому, что пузырьки, содержащие инсулин, сливаются с мембраной и гормон таким образом высвобождается наружу.

Сердце

В сердце K ATP -каналы играют роль кардиопротекторов в условиях ишемии. За счет того, что они гиперполяризують мембрану, уменьшается потенциал действия кардиомиоцитов и ограничивается приток кальция через ПЗКК, соответственно, уменьшается время неэффективного сокращения сердца. В отличие от K ATP-каналов в поджелудочной железе, в сердце они находятся в постоянно закрытом состоянии при физиологических условиях по причине того, что в этой ткани постоянно поддерживается высокая концентрация АТФ. Каналы открываются при таких условиях как перегрузки сердца, гипоксия или ишемия. Даже короткие эпизоды ишемии вызывают дальнейшую защиту миокарда против следующих инсультов. Такой феномен называют «предшественник ишемии».

Мозг

Основное место, где АТФ-зависимые калиевые каналы играют важную роль, — это гипоталамус. В гипоталамусе очень много «глюкозочутливих» нейронов. Так, например, орексин (гипокретина) нейроны в мышином латеральном гипоталамусе регулируют бессонница, локомоторной активности и аппетит и они тормозятся высоким уровнем глюкозы. А MCH-нейроны (Melanin-Concentrating Hormone neurons), которые регулируют поведение поиска пищи, настроение и энергетический баланс, активируются повышенным уровнем глюкозы. Большинство нейронов, которые активируются повышенным уровнем глюкозы работают по следующему механизму: попадает глюкоза — повышаются уровень АТФ — закрываются K ATP -каналы — деполяризация клетки — повышение уровня проводимости. Механизм ингибирования с помощью уровня глюкозы менее понятен сейчас, однако есть предположение, что в этом участвует Na + -K + -АТФазы и активация гиперполяризацийного тока хлора, который, возможно, активирует хлорные каналы (CFTR-like Cl channels). Кроме этой функции, K ATP -каналы играют защитную роль по патологических условий. Возвращаясь к ишемии и гипоксии, от которых эти каналы защищали сердце, надо отметить, что в большинстве млекопитающие при таких условиях нейроны деполяризуються и умирают. Поэтому, например, в черной субстанции K ATP -каналы подавляют нейрональную активность (гиперполяризують клетку) при гипоксии за счет их открытия на постсинаптических мембранах.

Гладкая мускулатура

В непосмугованих мышцах K ATP -каналы наиболее распространенные в стенках сосудов и распространены в них по всему телу. Открытие этих каналов вызывает гиперполяризацию мембраны и как следствие — закрытие ПЗКК и расслабление мышечных волокон сосудов, особенно вен. То есть, функцию вазодилатации. Кроме обычной регуляции здесь еще имеет место регуляция открытия-закрытия с помощью фосфорилирования, как уже было сказано выше. Так на активность K ATP могут влиять такие вазодилататоры как простагландин, CGRP (Calcitonin Gene Related Peptide), аденозин и вазоконстрикторы, например, эндотелин, вазопрессин, гистамин. Возможно, они влияют хотя бы на один процесс фосфорилирования с помощью протеин киназы А. Но, как уже было сказано выше, этот процесс еще не изучен на достаточном уровне. Также K ATP присутствуют в мышцах детрузора. Пока не совсем понятно, зачем там нужны именно эти каналы, ведь кроме них там полно других калиевых каналов. Тем не менее, они присутствуют, а их функции и свойства пока исследуются. Так, было показано, что глибенкламид (ингибитор) не влияет на возбудимость или сократимость детрузора при отсутствии стимуляции этого канала, тем не менее K ATP способствуют образованию и поддержанию мембранного потенциала покоя детрузора. При этом по фармакологической активации K ATP-каналов происходит гиперполяризация мембраны, как следствие — закрытие ПЗКК и снижение напряжения. Несмотря на все это, маловероятно, что K ATP -каналы связанные с какими-то патологиями в детрузора, хотя логика и подсказывает другое.

Фармакологические свойства K ATP-каналов

Как уже было отмечено, АТФ является главным регулятором активности канала и может выполнять две различные функции: 1) закрывать канал, и 2) поддерживать канал в активном состоянии в присутствии ионов магния. Сайт для связывания АТФ с целью ингибировать активность канала находится на субъединицы K ir 6.2, это такие остатки аминокислот как аргинин в пятидесятых положении на N-конце и 182-й изолейцин, 185-й лизин, 201-й аргинин, 334 -й глицин на C-конце. Считается, что эти остатки формируют так называемую АТФ-связывающую карман. То есть, с одним K ATP-канал может связаться четыре молекулы АТФ. Также АТФ может и активировать K ATP-канал, если связывается с SUR, но обычно за активацию отвечает НДФ. Сайт связывания находится на SUR. Последний содержит два NBD (Nucleotide Binding Domain) с такими консенсусными мотивам как Walker-A и Walker-B (Gly-XXXX-Gly-Lys-Thr / Ser). Мутации в Walker-A мотиве на NBD1 предотвращают связывание нуклеотидов с обеими NBD. Такой механизм активации и ингибирования действует при физиологических условиях, однако лекарственные средства могут как активировать, так и ингибировать K ATP -каналы, связываясь с SUR. Ингибиторной агентами могут быть такие производные сульфонилмочевины как хлорпропамид, толбутамид и глибенкламид. Они используются в лечении сахарного диабета второго типа. Активационные агенты, которые также известны как KCOs (K + channel openers) могут быть представлены такими веществами как пинацидил, никорандил и диазоксид.

Влияние ингибиторов K ATP на физиологические функции

С помощью таких производных сулфонилсечовины как ацетогексамид, толбутамид, глипзид, глибенкламид и глимпирид лечат сахарный диабет второго типа.

Влияние активаторов K ATP на физиологические функции

Показано, что фармацевтические вещества KCOs (K + channel openers) (например, аналог пинацидилу [3H] P1075) могут связываться с SUR при отсутствии K ir субъединицы и не могут активировать канал, если имеется только пороутворювальна субодниця. Также известно, что различные субъединицы SUR по-разному реагируют на активаторы, так в присутствии Mg-АТФ пинацидил может активировать K ir 6.2-SUR2A, но не K ir 6.2-SUR1. Так показывается, что KCOs связываются только на SUR, а также специфичность связывания. В гладких мышцах KCOs вызывают релаксацию сосудов и снижение кровяного давления за счет открытия K ATP-каналов. Некоторые из таких веществ используются в терапевтици как средство против гипертензии. Более того, KCOs используются в качестве лекарства против таких болезней как острая и хроническая ишемия миокарда, застойная сердечная недостаточность, бронхиальная астма, недержание мочи и некоторые миопатии скелетных мышц. В β-клетках островков Лангерганса поджелудочной железы, вызывая открытие KATP-каналов, лечат гиперсекрецию инсулина, связанной с инсулиномой и хроническую гипогликемию у детей.

Электрические свойства K ATP-каналов

Для K ATP-каналов в различных тканях характерны различные уровни проводимости. Так, например, для мочевого пузыря это 11-12 pS (pS — пикосименс), 15-50 pS — для гладкой мускулатуры воротной вены, культуры клеток коронарной артерии, 55-75 pS — для скелетных мышц, 50-90 pS — β-клетки островков Лангерганса поджелудочной железы, 70-90 pS — для сердца и высокое проводимость (130 pS) характерна для гладкой мускулатуры мезентеральных артерий, хвостовой артерии крысы и аорты собаки. Как уже упоминалось, K ATP -каналы является семьей из класса K ir, то есть им свойственно входящее выпрямления. Выпрямлением тока в электрофизиологии называют явление, когда в условиях одинаковой концентрации иона изнутри и извне поток иона не уравновешена. Выпрямления бывает выходным и входным. В нашем случае это входящее выпрямления, то есть калий проще входит в клетку через эти каналы. Также выпрямления бывает слабым и сильным. Для K ATP-каналов характерное «слабое» выпрямления. Также при изменении pH меняется и «сила» выпрямления по нейтрального pH этим каналам свойственно «слабое» выпрямления, которое, собственно, является физиологическим, при заложенные среды выпрямления становится более «сильным». Пока еще не до конца выяснены детали, однако общий механизм выпрямления понятен. Оно происходит посредством алифатического полиамина спермина. Он положительно заряженный и имеет валентность ~ 5. Когда калий начинает выходить из клетки он потоком «затягивает» спермин в пору. Последняя блокируется и больше не пропускает ионы калия наружу, однако ионы, поступающие внутрь могут «вытеснить» его и дальше заходить без помех.

Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Проверьте также
Закрыть
Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть