Sodný kanál - Sodium channel

Sodné kanály jsou integrální membránové proteiny, které tvoří iontové kanály , které vedou sodíkové ionty ( Na + ) přes plazmatickou membránu buňky . Patří do nadrodiny kationtových kanálů a lze je klasifikovat podle spouště, která kanál pro takové ionty otevírá, tj. Buď změna napětí („napěťově řízená“, „citlivá na napětí“ nebo „napěťově závislá“ sodná sůl kanál; také nazývaný „VGSC“ nebo „Nav kanál“) nebo vazba látky ( ligandu ) na kanál (sodíkové kanály řízené ligandem).

V excitabilních buňkách, jako jsou neurony , myocyty a určité typy glií , jsou sodíkové kanály zodpovědné za rostoucí fázi akčních potenciálů . Tyto kanály procházejí třemi různými stavy, které se nazývají klidové, aktivní a neaktivní. I když klidové a neaktivní stavy nedovolí iontům proudit kanály, existuje rozdíl v jejich strukturální konformaci.

Selektivita

Sodné kanály jsou vysoce selektivní pro transport iontů přes buněčné membrány. Vysoké selektivity vzhledem k sodíkovému iontu je dosaženo mnoha různými způsoby. Všechny zahrnují zapouzdření sodíkového iontu v dutině specifické velikosti ve větší molekule.

Napěťově řízené sodíkové kanály

Struktura

Schéma α-podjednotky sodíkového kanálu citlivého na napětí. G - glykosylace , P - fosforylace , S - selektivita iontů, I - inaktivace. Kladné (+) náboje v S4 jsou důležité pro snímání transmembránového napětí.

Sodné kanály se skládají z velkých α podjednotek, které se spojují s proteiny, jako jsou například β podjednotky. Podjednotka α tvoří jádro kanálu a je funkční sama o sobě. Když je protein podjednotky α buňkou exprimován, je schopen vytvořit kanály, které vedou Na + napěťově řízeným způsobem, i když nejsou exprimovány β podjednotky nebo jiné známé modulační proteiny. Když se přídavné proteiny shromáždí s podjednotkami α, výsledný komplex může vykazovat změněnou závislost na napětí a buněčnou lokalizaci.

Α-podjednotka má čtyři opakující se domény, označené I až IV, z nichž každá obsahuje šest segmentů pokrývajících membránu, označené SI až S6. Vysoce konzervovaný segment S4 funguje jako snímač napětí kanálu. Napěťová citlivost tohoto kanálu je dána kladnými aminokyselinami umístěnými na každé třetí pozici. Když je tento segment stimulován změnou transmembránového napětí , pohybuje se směrem k extracelulární straně buněčné membrány, což umožňuje kanálu propustnost pro ionty. Ionty jsou vedeny pórem, který lze rozdělit na dvě oblasti. Více vnější (tj. Více extracelulární) část póru je tvořena "P-smyčkami" (oblast mezi S5 a S6) čtyř domén. Tato oblast je nejužší částí pórů a je zodpovědná za její iontovou selektivitu. Vnitřní část (tj. Více cytoplazmatická) póru je tvořena kombinovanými segmenty S5 a S6 čtyř domén. Oblast spojující domény III a IV je také důležitá pro funkci kanálu. Tato oblast připojí kanál po delší aktivaci a deaktivuje ho.

Vrata

Napěťově řízené kanály Na + mají tři hlavní konformační stavy: uzavřený, otevřený a neaktivní. Přechody vpřed/zpět mezi těmito stavy jsou odpovídajícím způsobem označovány jako aktivace/deaktivace (mezi otevřeným a uzavřeným, v uvedeném pořadí), inaktivace/reaktivace (mezi inaktivovaným a otevřeným, v daném pořadí) a zotavení z inaktivace/inaktivace v uzavřeném stavu (mezi deaktivovaným a uzavřeným ). Uzavřené a inaktivované stavy jsou nepropustné pro ionty.

Než dojde k akčnímu potenciálu, má axonální membrána svůj normální klidový potenciál , asi -70 mV ve většině lidských neuronů, a kanály Na + jsou ve svém deaktivovaném stavu, blokované na extracelulární straně jejich aktivačními branami . V reakci na zvýšení membránového potenciálu na přibližně -55 mV (v tomto případě způsobeném akčním potenciálem) se aktivační brány otevřou, což umožní kladně nabitým iontům Na + proudit do neuronu kanály a způsobit napětí přes neuronální membránu, aby se zvýšil na +30 mV v lidských neuronech. Protože napětí na membráně je zpočátku záporné, jak se jeho napětí zvyšuje na a kolem nuly (od -70 mV v klidu do maximálně +30 mV), říká se, že depolarizuje. Toto zvýšení napětí představuje rostoucí fázi akčního potenciálu.

Akční potenciál Potenciál membrány Cílový potenciál Cílový stav brány Neuronův cílový stav
Odpočívá −70 mV −55 mV Deaktivováno → Aktivováno Polarizované
Zvyšující se −55 mV 0 mV Aktivováno Polarizováno → Depolarizováno
Zvyšující se 0 mV +30 mV Aktivováno → Neaktivováno Depolarizováno
Padající +30 mV 0 mV Inaktivovaný Depolarizováno → Repolarizováno
Padající 0 mV −70 mV Inaktivovaný Repolarizováno
Předkus −70 mV −75 mV Deaktivováno → Deaktivováno Repolarizováno → Hyperpolarizováno
Odskakující −75 mV −70 mV Deaktivováno Hyperpolarizované → Polarizované

Na vrcholu akčního potenciálu, kdy do neuronu vstoupilo dostatek Na + a potenciál membrány se dostatečně zvýšil, se kanály Na + deaktivují uzavřením svých inaktivačních bran . Inaktivační bránu lze považovat za „zástrčku“ přivázanou k doménám III a IV intracelulární alfa podjednotky kanálu. Uzavření inaktivační brány způsobí zastavení toku Na + kanálem, což následně způsobí, že membránový potenciál přestane stoupat. Zavření deaktivační brány vytvoří refrakterní období v každém jednotlivém kanálu Na + . Tato refrakterní perioda eliminuje možnost pohybu akčního potenciálu opačným směrem zpět směrem k soma. Se zavřenou bránou deaktivace je kanál údajně deaktivován. Protože kanál Na + již nepřispívá k membránovému potenciálu, potenciál klesá zpět na svůj klidový potenciál, jak se neuron repolarizuje a následně hyperpolarizuje, což představuje klesající fázi akčního potenciálu. Žáruvzdorná perioda každého kanálu je proto zásadní pro šíření akčního potenciálu jednosměrně po axonu pro správnou komunikaci mezi neurony.

Když je napětí membrány dostatečně nízké, deaktivační brána se znovu otevře a aktivační brána se zavře v procesu zvaném deinaktivace . Se zavřenou aktivační bránou a otevřenou deaktivační bránou je kanál Na + opět ve deaktivovaném stavu a je připraven podílet se na dalším akčním potenciálu.

Když se jakýkoli druh iontového kanálu sám neaktivuje, říká se, že je trvale (nebo tonicky) aktivní. Některé druhy iontových kanálů jsou přirozeně trvale aktivní. Genetické mutace, které způsobují trvalou aktivitu v jiných kanálech, však mohou způsobit onemocnění vytvořením nadměrné aktivity určitých druhů neuronů. Mutace, které interferují s deaktivací Na + kanálu, mohou přispět ke kardiovaskulárním chorobám nebo epileptickým záchvatům okenními proudy , což může způsobit nadměrné buzení svalových a/nebo nervových buněk.

Modelování chování bran

Časové chování kanálů Na + lze modelovat podle Markovianova schématu nebo podle formalismu typu Hodgkin – Huxley . V předchozím schématu zaujímá každý kanál odlišný stav s diferenciálními rovnicemi popisujícími přechody mezi stavy; v druhém případě jsou kanály považovány za populaci, která je ovlivněna třemi nezávislými proměnnými hradlování. Každá z těchto proměnných může dosáhnout hodnoty mezi 1 (plně propustná pro ionty) a 0 (plně nepropustná), součin těchto proměnných poskytuje procento vodivých kanálů. Hodgkinův -Huxleyův model může být ukázán jako ekvivalent Markovianova modelu.

Nepropustnost pro jiné ionty

Póry sodíkových kanálů obsahují selektivní filtr vyrobený ze záporně nabitých zbytků aminokyselin , které přitahují kladný iont Na + a zadržují záporně nabité ionty, jako je chlorid . Kationty proudí do zúženější části póru o šířce 0,3 x 0,5 nm , která je dostatečně velká na to, aby umožnila průchod jediného iontu Na + s molekulou vody . Větší iont K + se do této oblasti nevejde. Iony různých velikostí také nemohou interagovat se záporně nabitými zbytky kyseliny glutamové, které lemují póry.

Rozmanitost

Napěťově řízené sodíkové kanály se normálně skládají z alfa podjednotky, která tvoří pór pro vedení iontů, a jedné až dvou beta podjednotek, které mají několik funkcí včetně modulace hradlového vstupu. Exprese alfa podjednotky samotná je dostatečná k vytvoření funkčního kanálu.

Podjednotky alfa

Obrázek 1. Pravděpodobný evoluční vztah devíti známých lidských sodíkových kanálů.

Rodina sodíkových kanálů má devět známých členů, s aminokyselinovou identitou> 50% v transmembránových segmentech a extracelulárních smyčkových oblastech. V současné době se používá standardizovaná nomenklatura pro sodíkové kanály, kterou udržuje IUPHAR .

Proteiny těchto kanálů jsou pojmenovány Na v 1.1 až Na v 1.9. Názvy genové se označují jako SCN1A přes SCN11A (dále SCN6 / 7A gen je součástí Na x sub-rodiny a má nejistou funkce). Pravděpodobný evoluční vztah mezi těmito kanály, založený na podobnosti jejich aminokyselinových sekvencí, je ukázán na obrázku 1. Jednotlivé sodíkové kanály se odlišují nejen rozdíly v jejich sekvenci, ale také kinetikou a expresními profily. Některé z těchto údajů jsou shrnuty v tabulce 1 níže.

Tabulka 1. Nomenklatura a některé funkce napěťově řízených podjednotek alfa sodíkového kanálu
Název bílkoviny Gen Profil výrazu Přidružené lidské channelopatie
Na v 1.1 SCN1A Centrální neurony , [periferní neurony] a srdeční myocyty febrilní epilepsie , GEFS+ , Dravetův syndrom (také známý jako těžká myklonická epilepsie v dětství nebo SMEI), hraniční SMEI (SMEB), Westův syndrom (také známý jako infantilní křeče ), Dooseův syndrom (také známý jako myoklonická astatická epilepsie ), neřešitelná dětská epilepsie s generalizovanými tonicko-klonickými záchvaty (ICEGTC), Panayiotopoulosovým syndromem, familiární hemiplegickou migrénou (FHM), familiárním autismem, Rasmussensovou encefalitidou a Lennox-Gastautovým syndromem
Na v 1.2 SCN2A Centrální neurony, periferní neurony dědičné febrilní záchvaty , epilepsie a porucha autistického spektra
Na v 1.3 SCN3A Centrální neurony, periferní neurony a srdeční myocyty epilepsie, bolest, malformace mozku
Na v 1.4 SCN4A Kosterní sval hyperkalemická periodická paralýza , paramyotonia congenita a myotonie zhoršená draslíkem
Na v 1.5 SCN5A Srdeční myocyty, neinervovaný kosterní sval, centrální neurony, buňky hladkého svalstva gastrointestinálního traktu a intersticiální buňky Cajalu Srdeční: Syndrom dlouhého QT typu 3, Brugadův syndrom , progresivní onemocnění vedení srdečního vzruchu , familiární fibrilace síní a idiopatická ventrikulární fibrilace ;

Gastrointestinální: syndrom dráždivého tračníku ;

Na v 1.6 SCN8A Centrální neurony, ganglie dorzálních kořenů , periferní neurony , srdce, gliové buňky Epilepsie , ataxie , dystonie , třes
Na v 1.7 SCN9A Ganglia hřbetních kořenů , sympatické neurony, Schwannovy buňky a neuroendokrinní buňky erythromelalgia , PEPD , necitlivost bolesti související s channelopatií a nedávno objevila deaktivující formu fibromyalgie (polymorfismus rs6754031)
Na v 1,8 SCN10A Hřbetní kořenová ganglia bolest, neuropsychiatrické poruchy
Na v 1.9 SCN11A Hřbetní kořenová ganglia bolest
Na x SCN7A srdce, děloha, kosterní sval, astrocyty, gangliové buňky hřbetního kořene žádný známý

Beta podjednotky

Beta podjednotky sodíkového kanálu jsou transmembránové glykoproteiny typu 1 s extracelulárním N-koncem a cytoplazmatickým C-koncem. Jako členové superrodiny Ig obsahují beta podjednotky ve své extracelulární doméně prototyp V smyčky Ig. S jejich protějšky vápníkových a draslíkových kanálů nesdílejí žádnou homologii. Místo toho jsou homologní s adhezními molekulami neurálních buněk (CAM) a velkou rodinou L1 CAM. Existují čtyři různé bety pojmenované podle pořadí objevu: SCN1B, SCN2B, SCN3B, SCN4B (tabulka 2). Beta 1 a beta 3 interagují s alfa podjednotkou nekovalentně, zatímco beta 2 a beta 4 se spojují s alfa prostřednictvím disulfidové vazby. Při interakci s beta toxiny je pravděpodobnější, že sodíkové kanály zůstanou otevřené na podprahovém membránovém potenciálu, což následně vyvolá okamžitý pocit bolesti.

Role beta podjednotek jako molekul adheze buněk

Kromě regulace hradlování kanálů beta podjednotky sodíkového kanálu také modulují expresi kanálu a tvoří vazby na intracelulární cytoskelet pomocí ankyrinu a spektrinu . Napěťově řízené sodíkové kanály se také spojují s řadou dalších proteinů, jako jsou proteiny FHF (homologní faktor fibroblastového růstového faktoru), kalmodulin, cytoskelet nebo regulační kinázy, které tvoří komplex se sodíkovými kanály, což ovlivňuje jeho expresi a/nebo funkci. Několik beta podjednotek interaguje s jednou nebo více molekulami extracelulární matrix (ECM). Contactin, také známý jako F3 nebo F11, se spojuje s beta 1, jak je ukázáno prostřednictvím koimunoprecipitace. Opakování Tenascinu -C a Tenascinu -R podobného fibronektinu (FN) se váže na beta 2 na rozdíl od opakování podobných epidermálnímu růstovému faktoru (podobných EGF), které odpuzují beta2. Dezintegrin a metaloproteináza (ADAM) 10 vylučuje ektodoménu beta 2, což pravděpodobně indukuje růst neuritů. Beta 3 a beta 1 se vážou na neurofascin v Nodes of Ranvier při vývoji neuronů.

Tabulka 2. Názvosloví a některé funkce napěťově řízených podjednotek beta sodíkového kanálu
Název bílkoviny Genový odkaz Sestaví se Profil výrazu Přidružené lidské channelopatie
Na v β1 SCN1B Na v 1,1 až Na v 1,7 Centrální neurony, periferní neurony, kosterní svaly, srdce, glia epilepsie (GEFS+), Brugadův syndrom
Na v β2 SCN2B Na v 1,1, Na v 1,2, Na v 1,5 až Na v 1,7 Centrální neurony, periferní neurony, srdce, glia Brugadův syndrom
Na v β3 SCN3B Na v 1,1 až Na v 1,3, Na v 1,5 centrální neurony, nadledviny, ledviny, periferní neurony Brugadův syndrom
Na v β4 SCN4B Na v 1,1, Na v 1,2, Na v 1,5 srdce, kosterní svaly, centrální a periferní neurony žádný známý

Ligandem řízené sodíkové kanály

Ligandem řízené sodíkové kanály se aktivují vazbou ligandu místo změny membránového potenciálu.

Nacházejí se např. V neuromuskulárním spojení jako nikotinové receptory , kde ligandy jsou molekuly acetylcholinu . Většina kanálů tohoto typu je do určité míry propustná pro draslík i pro sodík.

Role v akčním potenciálu

Napěťově řízené sodíkové kanály hrají důležitou roli v akčních potenciálech . Pokud se při změně membránového potenciálu buňky otevře dostatek kanálů , malý, ale významný počet iontů Na + se přesune do buňky po jejich elektrochemickém gradientu , což dále depolarizuje buňku. To znamená, že více Na + kanálů lokalizované v oblasti membránu buňky tím rychleji se akční potenciál se bude šířit a více popudliví že plocha buňky bude. Toto je příklad smyčky pozitivní zpětné vazby . Schopnost těchto kanálů předpokládat uzavřený deaktivovaný stav způsobuje refrakterní periodu a je kritická pro šíření akčních potenciálů v axonu .

Na + kanály se otevírají a zavírají rychleji než kanály K + , což vytváří příliv kladného náboje (Na + ) na začátku akčního potenciálu a výtok (K + ) směrem ke konci.

Na druhou stranu ligandem řízené sodíkové kanály vytvářejí změnu membránového potenciálu v reakci na vazbu ligandu k němu.

Farmakologická modulace

Blokátory

Aktivátory

Následující přirozeně vyráběné látky trvale aktivují (otevřené) sodíkové kanály:

Modifikátory hradel

Následující toxiny modifikují bránu sodíkových kanálů:

pH modulace

Změny pH krve a tkání doprovázejí fyziologické a patofyziologické stavy, jako je cvičení, srdeční ischemie, ischemická mrtvice a požití kokainu. Je známo, že tyto stavy vyvolávají příznaky elektrických onemocnění u pacientů s mutacemi sodíkových kanálů. Protony způsobují různorodý soubor změn na hradlech sodíkových kanálů, které obecně vedou ke snížení amplitudy přechodného sodíkového proudu a zvýšení podílu neaktivních kanálů, které procházejí trvalými proudy. Tyto efekty jsou sdíleny s mutanty způsobujícími onemocnění v neuronálních, kosterních svalech a srdeční tkáni a mohou být sloučeny v mutantech, které propůjčují větší citlivost protonů na sodíkové kanály, což naznačuje roli protonů při spouštění akutních symptomů elektrického onemocnění.

Molekulární mechanismy protonového bloku

Jednokanálová data z kardiomyocytů ukázala, že protony mohou snížit vodivost jednotlivých sodíkových kanálů. Filtr selektivity na sodíkový kanál se skládá z jediného zbytku v každé ze čtyř pórových smyček čtyř funkčních domén. Tyto čtyři zbytky jsou známé jako motiv DEKA. Rychlost permeace sodíku sodíkovým kanálem je určena čtyřmi karboxylátovými zbytky, motivem EEDD, které tvoří vnější nabitý kruh. Protonace těchto karboxylátů je jedním z hlavních hybatelů protonového bloku v sodíkových kanálech, i když existují další zbytky, které také přispívají k citlivosti na pH. Jedním takovým zbytkem je C373 v srdečním sodíkovém kanálu, což z něj činí nejcitlivější sodíkový kanál na pH mezi sodíkovými kanály, které byly dosud studovány.

Modulace pH hradla sodíkového kanálu

Jelikož srdeční sodíkový kanál je nejvíce citlivým sodíkovým kanálem na pH, většina toho, co je známo, vychází z tohoto kanálu. Ukázalo se, že snížení extracelulárního pH depolarizuje závislost aktivace a inaktivace na napětí na pozitivnějších potenciálech. To naznačuje, že během aktivit, které snižují pH krve, jako je cvičení, je pravděpodobnost aktivace a deaktivace kanálů vyšší, pozitivnější membránové potenciály, což může vést k potenciálním nežádoucím účinkům. Sodné kanály vyjádřené ve vláknech kosterního svalstva se vyvinuly do kanálů relativně necitlivých na pH. Toto bylo navrženo jako ochranný mechanismus proti potenciální nadměrné nebo nedostatečné excitabilitě v kosterních svalech, protože hladiny pH krve jsou během pohybu vysoce náchylné ke změnám. V poslední době se ukázalo, že mutace smíšeného syndromu, která způsobuje periodickou paralýzu a myotonii v kosterním sodíkovém kanálu, propůjčuje tomuto kanálu citlivost na pH, takže brána tohoto kanálu je podobná bráně srdečního podtypu.

Modulace pH napříč dosud studovanými podtypy

Účinky protonace byly charakterizovány v Nav1.1-Nav1.5. Mezi těmito kanály Nav1.1-Nav1.3 a Nav1.5 zobrazují depolarizovanou závislost aktivace na napětí, zatímco aktivace v Nav1.4 zůstává necitlivá na acidózu. Napěťová závislost rychlé inaktivace v ustáleném stavu je v Nav1.1-Nav1.4 nezměněna, ale rychlá inaktivace v ustáleném stavu v Nav1.5 je depolarizována. Mezi sodíkovými kanály, které byly dosud studovány, je tedy Nav1.4 nejmenší a Nav1.5 je nejvíce subtypy citlivé na protony.

Vývoj

Napěťově řízený sodíkový kanál je přítomen u členů choanoflagelátů , považovaných za nejbližší žijící, jednobuněčné příbuzné zvířat. To naznačuje, že rodová forma zvířecího kanálu byla mezi mnoha proteiny, které hrají ústřední roli v životě zvířat, ale o kterých se předpokládá, že se vyvinuly před mnohobuněčností. Čtyřdoménový zvířecí napěťově řízený sodíkový kanál se pravděpodobně vyvinul z iontového kanálu s jednou podjednotkou, který byl pravděpodobně propustný pro ionty draslíku, prostřednictvím sekvence dvou duplikačních událostí. Tento model čerpá podporu ze skutečnosti, že podjednotky I a III (a II a IV) se seskupují podle podobnosti, což naznačuje, že dvoukanálový meziprodukt generovaný z první duplikace existoval dostatečně dlouho na to, aby mezi jeho dvěma podjednotkami došlo k divergenci. Po druhé duplikaci kanálu zůstaly dvě sady podobných domén. Předpokládá se, že výsledný čtyřdoménový kanál je propustný především pro vápník a že několikrát nezávisle dosáhl sodné selektivity. Po odchylce od bezobratlých prošla linie obratlovců dvěma duplikacemi celého genomu (WGD), čímž se v rodovém obratlovci získala sada čtyř prologů genů sodíkových kanálů, z nichž všechny byly zachovány. Po rozdělení tetrapod/teleost teleosty pravděpodobně podstoupily třetí WGD vedoucí k osmi prologům sodíkového kanálu vyjádřeným v mnoha moderních rybách. Předpokládá se, že moderní, desetiparlogový sodíkový genový komplement savců pochází ze série paralelních a vnořených duplikací zahrnujících dva ze čtyř paralogů přítomných v předchůdci všech tetrapodů.

Viz také

Reference

externí odkazy