Войти
Натриевые каналы - это интегральные мембранные белки, которые образуют ионные каналы, проводящие ионы натрия (Na ) через клеточную плазматическую мембрану. Они принадлежат к суперсемейству катионных каналов и могут быть классифицированы в соответствии с триггером, который открывает канал для таких ионов, то есть по изменению напряжения («стробируемый по напряжению», «чувствительный к напряжению» или «потенциал-зависимый» натриевый канал; также называемый «VGSC» или «Nav-канал») или связывание вещества (лиганд ) с каналом (лиганд-зависимые натриевые каналы).
В возбудимых клетках, таких как нейроны, миоциты и некоторые типы глии, натриевые каналы отвечают за фазу нарастания потенциалы действия. Эти каналы проходят через три различных состояния: состояние покоя, активное и неактивное состояние. Даже несмотря на то, что состояние покоя и неактивное состояние не позволяют ионам проходить через каналы, существует разница в их структурной конформации.
Натриевые каналы обладают высокой избирательностью для транспорта ионов через клеточные мембраны. Высокая селективность по иону натрия достигается многими различными способами. Все они включают инкапсуляцию иона натрия в полости определенного размера внутри более крупной молекулы.
Схема α-субъединицы потенциалочувствительного натриевого канала. G - гликозилирование, P - фосфорилирование, S - ионная селективность, I - инактивация. Положительные (+) заряды в S4 важны для измерения трансмембранного напряжения. Натриевые каналы состоят из больших α-субъединиц, которые связаны с белками, например β-субъединицы. Субъединица α образует ядро канала и функционирует сама по себе. Когда белок α-субъединицы экспрессируется клеткой, он может образовывать каналы, которые проводят Na в потенциал-зависимом режиме, даже если β-субъединицы или другие известные модулирующие белки не экспрессируются. Когда дополнительные белки собираются с α-субъединицами, полученный комплекс может проявлять измененную зависимость от напряжения и клеточную локализацию.
α-субъединица имеет четыре повторяющихся домена, обозначенных с I по IV, каждый из которых содержит шесть трансмембранных сегментов, обозначенных с S1 по S6. Сегмент сохранности S4 действует как датчик напряжения канала. Чувствительность к напряжению этого канала обусловлена положительными аминокислотами, расположенными в каждой третьей позиции. При стимуляции изменением трансмембранного напряжения , этот сегмент перемещается к внеклеточной стороне клеточной мембраны, позволяя каналу стать проницаемым для ионов. Ионы проходят через поры, которые можно разделить на две части. Более внешняя (т.е. более внеклеточная) часть поры образована «P-петлями» (область между S5 и S6) четырех доменов. Эта область является наиболее узкой частью поры и отвечает за ее ионную селективность. Внутренняя часть (т.е. более цитоплазматическая) поры образована комбинированными сегментами S5 и S6 четырех доменов. Область, связывающая домены III и IV, также важна для функции канала. Эта область закрывает канал после продолжительной активации, деактивируя его.
Управляемые по напряжению Na-каналы имеют три основных конформационных состояния: закрытый, открытый и неактивный. Прямые / обратные переходы между этими состояниями соответственно называются активацией / деактивацией (между открытым и закрытым, соответственно), инактивацией / реактивацией (между инактивированным и открытым, соответственно) и восстановлением после инактивации / инактивации в закрытом состоянии (между инактивированным и закрытым. соответственно). Закрытое и инактивированное состояния не проницаемы для ионов.
Перед возникновением потенциала действия аксональная мембрана находится в своем нормальном потенциале покоя, примерно -70 мВ в большинстве нейронов человека, а Na-каналы находятся в деактивированном состоянии, заблокированы на внеклеточной стороне их воротами активации . В ответ на увеличение мембранного потенциала примерно до -55 мВ (в данном случае, вызванного потенциалом действия), ворота активации открываются, позволяя положительно заряженным ионам Na протекать в нейрон через каналы и вызывая напряжение на ней. нейронная мембрана увеличивается до +30 мВ в нейронах человека. Поскольку напряжение на мембране изначально отрицательное, по мере того, как ее напряжение увеличивается до нуля и превышает его (от -70 мВ в состоянии покоя до максимального значения +30 мВ), говорят, что она деполяризуется. Это увеличение напряжения составляет фазу нарастания потенциала действия.
| Потенциал действия | Мембранный потенциал | Целевой потенциал | Целевое состояние ворот | Целевое состояние нейрона |
|---|---|---|---|---|
| Отдых | - 70 мВ | -55 мВ | Деактивировано → Активировано | Поляризованное |
| Восходящее | -55 мВ | 0 мВ | Активировано | Поляризованное → Деполяризованное |
| Восходящее | 0 мВ | +30 мВ | Активировано → Неактивно | Деполяризованный |
| Падение | +30 мВ | 0 мВ | Неактивное | Деполяризованное → Реполяризованное |
| Падение | 0 мВ | -70 мВ | Инактивированный | Реполяризованный |
| Недостаточно | -70 мВ | -75 мВ | Инактивировано → Деактивировано | Реполяризовано → Гиперполяризовано |
| Отскок | -75 мВ | -70 мВ | Деактивировано | Гиперполяризовано → Поляризованный |
На пике потенциала действия, когда в нейрон поступило достаточно Na и потенциал мембраны стал достаточно высоким, каналы Na инактивируют их сами. es, закрыв свои ворота инактивации. Ворота инактивации можно рассматривать как «пробку», привязанную к доменам III и IV внутриклеточной альфа-субъединицы. Закрытие ворот инактивации вызывает остановку потока Na через канал, что, в свою очередь, приводит к прекращению роста мембранного потенциала. Закрытие ворот инактивации создает рефрактерный период в каждом отдельном канале Na. Этот рефрактерный период исключает возможность движения потенциала действия в противоположном направлении обратно к соме. Когда его ворота инактивации закрыты, канал считается неактивным. Поскольку Na-канал больше не вносит вклад в мембранный потенциал, потенциал снова уменьшается до своего потенциала покоя, поскольку нейрон реполяризуется и впоследствии гиперполяризуется, и это составляет фазу падения потенциала действия. Поэтому рефрактерный период каждого канала жизненно важен для однонаправленного распространения потенциала действия вниз по аксону для правильной связи между нейронами.
Когда напряжение на мембране становится достаточно низким, ворота инактивации снова открываются, а ворота активации закрываются в процессе, называемом деинактивацией . Когда ворота активации закрыты, а ворота инактивации открыты, Na-канал снова находится в деактивированном состоянии и готов участвовать в другом потенциале действия.
Когда какой-либо ионный канал не деактивируется, он считается постоянно (или тонически) активным. Некоторые виды ионных каналов по своей природе постоянно активны. Однако генетические мутации, вызывающие постоянную активность в других каналах, могут вызывать заболевание, создавая чрезмерную активность определенных типов нейронов. Мутации, которые мешают инактивации Na-каналов, могут способствовать сердечно-сосудистым заболеваниям или эпилептическим припадкам из-за оконных токов, которые могут вызывать чрезмерное возбуждение мышечных и / или нервных клеток.
Временное поведение Na-каналов может быть смоделировано с помощью марковской схемы или с помощью типа Ходжкина – Хаксли. формализм. В первой схеме каждый канал занимает отдельное состояние с дифференциальными уравнениями, описывающими переходы между состояниями; в последнем случае каналы рассматриваются как совокупность, на которую влияют три независимых стробирующих переменных. Каждая из этих переменных может принимать значение от 1 (полностью проницаемый для ионов) до 0 (полностью непроницаемый), произведение этих переменных дает процент проводящих каналов. Можно показать, что модель Ходжкина – Хаксли эквивалентна марковской модели.
Пора натриевых каналов содержит фильтр селективности, состоящий из отрицательно заряженных аминокислотных остатков, которые притягивают положительный Na ion и не допускать попадания отрицательно заряженных ионов, таких как хлорид. Катионы перетекают в более узкую часть поры шириной 0,3 на 0,5 нм, которая достаточно велика, чтобы позволить одиночному иону Na с связанной с ним молекулой воды пройти сквозь. Более крупный ион K не может пройти через эту область. Ионы разного размера также не могут взаимодействовать с отрицательно заряженными остатками глутаминовой кислоты, выстилающими поры.
Напряжение-управляемые натриевые каналы обычно состоят из альфа субъединица, которая формирует поры ионной проводимости, и от одной до двух бета-субъединиц, которые выполняют несколько функций, включая модуляцию стробирования канала. Экспрессии одной альфа-субъединицы достаточно для создания функционального канала.
Рисунок 1. Вероятная эволюционная взаимосвязь девяти известных натриевых каналов человека. Семейство натриевых каналов состоит из девяти известных членов с аминокислотной идентичностью>50% в трансмембранные сегменты и участки внеклеточной петли. В настоящее время используется стандартизованная номенклатура натриевых каналов, которая поддерживается IUPHAR.
. Белки этих каналов имеют названия от Na v 1.1 до Na v 1.9. Названия генов обозначаются от SCN1A до SCN11A (ген SCN6 / 7A является частью подсемейства Na x и имеет неопределенную функцию). Вероятная эволюционная взаимосвязь между этими каналами, основанная на сходстве их аминокислотных последовательностей, показана на рисунке 1. Индивидуальные натриевые каналы отличаются не только различиями в их последовательности, но также их кинетикой и профилями экспрессии. Некоторые из этих данных обобщены в таблице 1 ниже.
| Название белка | Ген | Профиль экспрессии | Связанный человек каннелопатии |
|---|---|---|---|
| Nav1,1 | SCN1A | Центральные нейроны, [периферические нейроны] и сердечные миоциты | лихорадка эпилепсия, GEFS +, Синдром Драве (также известный как тяжелая миклоническая эпилепсия младенчества или SMEI), пограничный SMEI (SMEB), синдром Веста (также известный как инфантильные спазмы), синдром Дуза (также известный как миоклоническая астатическая эпилепсия), трудноизлечимое детство эпилепсия с генерализованными тонико-клоническими припадками (ICEGTC), синдром Панайотопулоса, семейная гемиплегическая мигрень (FHM), семейный аутизм, энцефалит Расмуссенса и синдром Леннокса-Гасто |
| Nav1,2 | SCN2A | Центральные нейроны, периферические нейроны | наследственные фебрильные судороги, эпилепсия и расстройство аутистического спектра |
| Nav1.3 | SCN3A | Центральные нейроны, периферические нейроны и сердечные миоциты | эпилепсия, боль, пороки развития головного мозга |
| Nav1.4 | SCN4A | Скелетная мышца | гиперкалиемический периодический паралич, врожденная парамиотония и калий- обострение миотонии |
| Nav1,5 | SCN5A | Сердечные миоциты, неиннервируемые скелетные мышцы, центральные нейроны, гладкомышечные клетки желудочно-кишечного тракта и интерстициальные клетки Кахала | Сердечные: Синдром удлиненного интервала QT Тип 3, синдром Бругада, прогрессирующее нарушение сердечной проводимости, семейная фибрилляция предсердий и идиопатическая фибрилляция желудочков ; Желудочно-кишечный тракт: Синдром раздраженного кишечника ; |
| Nav1,6 | SCN8A | Центральные нейроны, ганглии задних корешков, периферические нейроны, сердце, глиальные клетки | Эпилепсия, атаксия, дистония, тремор |
| Nav1,7 | SCN9A | ганглии задних корешков, симпатические нейроны, клетки Шванна и нейроэндокринные клетки | эритромелалгия, PEPD, нечувствительность, связанная с каннелопатией к p ain и недавно обнаружил инвалидизирующую форму фибромиалгии (полиморфизм rs6754031) |
| Nav1,8 | SCN10A | ганглии задних корешков | боль, нервно-психические расстройства |
| Nav1,9 | SCN11A | Ганглии задних корешков | боль |
| Nax | SCN7A | сердце, матка, скелетные мышцы, астроциты, клетки ганглиев задних корешков | неизвестно |
Бета-субъединицы натриевого канала представляют собой трансмембранные гликопротеины типа 1 с внеклеточным N-концом и цитоплазматическим С-концом. Как члены суперсемейства Ig, бета-субъединицы содержат прототипную петлю Ig V-набора во внеклеточном домене. Они не имеют какой-либо гомологии со своими аналогами кальциевых и калиевых каналов. Вместо этого они гомологичны молекулам адгезии нервных клеток (CAM) и большому семейству L1 CAM. Существует четыре различных бета-версии, названных в порядке обнаружения: SCN1B, SCN2B, SCN3B, SCN4B (таблица 2). Бета 1 и бета 3 взаимодействуют с альфа-субъединицей нековалентно, тогда как бета 2 и бета 4 связываются с альфа через дисульфидную связь. Натриевые каналы с большей вероятностью будут оставаться открытыми при подпороговом мембранном потенциале при взаимодействии с бета-токсинами, что, в свою очередь, вызывает немедленное ощущение боли.
в Помимо регуляции стробирования каналов, бета-субъединицы натриевых каналов также модулируют экспрессию каналов и образуют связи с внутриклеточным цитоскелетом через анкирин и спектрин. Напряжение-управляемые натриевые каналы также собираются с множеством других белков, таких как белки FHF (гомологичный фактор фактора роста фибробластов), кальмодулин, цитоскелет или регуляторные киназы, которые образуют комплекс с натриевыми каналами, влияя на его экспрессию и / или функцию. Несколько бета-субъединиц взаимодействуют с одной или несколькими молекулами внеклеточного матрикса (ЕСМ). Контактин, также известный как F3 или F11, связывается с бета-1, как показано посредством коиммунопреципитации. Фибронектин -подобные (FN-подобные) повторы тенасцина -C и тенасцина -R связывается с бета 2, в отличие от эпидермального фактора роста, -подобных (EGF-подобных) повторов, которые отталкивают бета2. Дезинтегрин и металлопротеиназа (ADAM) 10 высвобождает эктодомен бета 2, возможно, вызывая рост нейритов. Бета 3 и бета 1 связываются с нейрофасцином в узлах Ранвье в развивающихся нейронах.
| Название белка | Генная связь | Собирается с | профилем экспрессии | Ассоциированные человеческие каналопатии |
|---|---|---|---|---|
| Navβ1 | SCN1B | Nav1,1 до Na v 1,7 | Центральные нейроны, периферические Нейроны, скелетные мышцы, сердце, глия | эпилепсия (GEFS +), синдром Бругада |
| Navβ2 | SCN2B | Nav1,1, Na v 1,2, Na v 1,5 до Na v 1,7 | Центральные нейроны, периферические нейроны, сердце, глия | синдром Бругада |
| Navβ3 | SCN3B | Nav1,1 до Na v 1,3, Na v 1,5 | центральные нейроны, надпочечники, почки, периферические нейроны | синдром Бругада |
| Navβ4 | SCN4B | Nav1,1, Na v 1,2, Na v 1,5 | сердце, скелетные мышцы, центральные и периферические нейроны | не известно |
лиганд-управляемые натриевые каналы активируются привязкой лиганд вместо изменения мембранного потенциала.
Они найдены, например в нервно-мышечном соединении как никотиновые рецепторы, где лиганды представляют собой молекулы ацетилхолина. Большинство каналов этого типа в некоторой степени проницаемы как для калия, так и для натрия.
Управляемые напряжением натриевые каналы играют важную роль в потенциалах действия. Если при изменении мембранного потенциала клетки открывается достаточное количество каналов, небольшое, но значительное количество ионов Na перемещается в клетку по их электрохимическому градиенту, далее деполяризуя клетка. Таким образом, чем больше Na-каналов локализовано в области клеточной мембраны, тем быстрее будет распространяться потенциал действия и тем более возбудимой будет эта область клетки. Это пример петли положительной обратной связи. Способность этих каналов принимать закрытое-инактивированное состояние вызывает рефрактерный период и имеет решающее значение для распространения потенциалов действия вниз по аксону.
Na-каналы открываются и закрываются быстрее, чем K каналов, производя приток положительного заряда (Na) к началу потенциала действия и отток (K) к концу.
Управляемые лигандом натриевые каналы, с другой стороны, создают изменение мембранного потенциала в первую очередь в ответ на связывание с ним лиганда.
Следующие естественные вещества постоянно активируют (открывают) натриевые каналы:
Следующие токсины изменяют гейтирование натриевых каналов:
Изменения pH крови и тканей сопровождают физиологические и патофизиологические состояния, такие как физические упражнения, ишемия сердца, ишемический инсульт и прием кокаина. Известно, что эти состояния вызывают симптомы электрических заболеваний у пациентов с мутациями натриевых каналов. Протоны вызывают разнообразные изменения в стробировании натриевых каналов, которые обычно приводят к уменьшению амплитуды переходного натриевого тока и увеличению доли не инактивирующих каналов, которые пропускают постоянные токи. Эти эффекты характерны для болезнетворных мутантов в нейрональных, скелетных мышцах и сердечной ткани и могут быть объединены с мутантами, которые придают большую протонную чувствительность натриевым каналам, что свидетельствует о роли протонов в запуске острых симптомов электрического заболевания.
Одноканальные данные кардиомиоцитов показали, что протоны могут снижать проводимость отдельных натриевых каналов. Фильтр селективности натриевого канала состоит из одного остатка в каждой из четырех петель пор четырех функциональных доменов. Эти четыре остатка известны как мотив DEKA. Скорость проникновения натрия через натриевые каналы определяется четырьмя карбоксилатными остатками, мотивом EEDD, которые составляют внешнее заряженное кольцо. Протонирование этих карбоксилатов является одним из основных факторов блокирования протонов в натриевых каналах, хотя есть и другие остатки, которые также влияют на чувствительность к pH. Одним из таких остатков является C373 в сердечном натриевом канале, что делает его наиболее чувствительным к pH натриевым каналом среди натриевых каналов, которые были изучены на сегодняшний день.
As Сердечный натриевой канал является наиболее чувствительным к pH натриевым каналом, большая часть из известных основывается на этом канале. Было показано, что снижение внеклеточного pH деполяризует зависимость активации и инактивации от напряжения до более положительных потенциалов. Это указывает на то, что во время действий, снижающих pH крови, таких как упражнения, вероятность активации и деактивации каналов выше, чем положительные мембранные потенциалы, что может привести к потенциальным побочным эффектам. Натриевые каналы, экспрессируемые в волокнах скелетных мышц, превратились в каналы, относительно нечувствительные к pH. Было высказано предположение, что это защитный механизм против потенциальной чрезмерной или недостаточной возбудимости в скелетных мышцах, поскольку уровни pH крови очень чувствительны к изменению во время движения. Недавно было показано, что мутация смешанного синдрома, которая вызывает периодический паралич и миотонию в скелетном натриевом канале, придает этому каналу чувствительность к pH, что делает его закрытие таким же, как и у сердечного подтипа.
Эффекты протонирования были охарактеризованы в Nav1.1-Nav1.5. Среди этих каналов Nav1.1-Nav1.3 и Nav1.5 демонстрируют деполяризованную зависимость активации от напряжения, тогда как активация в Nav1.4 остается нечувствительной к ацидозу. Зависимость от напряжения установившейся быстрой инактивации в Nav1.1-Nav1.4 не изменилась, но установившаяся быстрая инактивация в Nav1.5 деполяризована. Следовательно, среди натриевых каналов, которые были изучены до сих пор, Nav1.4 является наименьшим, а Nav1.5 - наиболее чувствительными к протонам подтипами.
Напряжение-управляемые натриевые каналы присутствует у представителей хоанофлагеллят, которые считаются ближайшими живыми одноклеточными родственниками животных. Это предполагает, что предковая форма животного канала была среди многих белков, которые играют центральную роль в жизни животных, но которые, как полагают, развились до появления многоклеточности. Четырехдоменный потенциал-управляемый натриевый канал животных, вероятно, произошел от ионного канала с одной субъединицей, который, вероятно, был проницаемым для ионов калия, посредством последовательности двух событий дупликации. Эта модель опирается на тот факт, что субъединицы I и III (а также II и IV) группируются по сходству, предполагая, что двухканальный промежуточный продукт, образованный в результате первой дупликации, существовал достаточно долго, чтобы произошло расхождение между двумя его субъединицами. После второго дублирования на канале осталось два набора похожих доменов. Полагают, что полученный четырехдоменный канал был проницаем в первую очередь для кальция и достигал селективности по натрию несколько раз независимо. После дивергенции от беспозвоночных, линия позвоночных претерпела две полногеномные дупликации (WGD), в результате чего у предкового позвоночного был получен набор из четырех прологов гена натриевых каналов, все из которых были сохранены. После разделения четвероногих и костистых, костистые, вероятно, претерпели третью WGD, что привело к появлению восьми прологов натриевых каналов, выраженных у многих современных рыб. Считается, что современный набор генов натрия из десяти паралогов у млекопитающих возник в результате серии параллельных и вложенных дупликаций с участием двух из четырех паралогов, присутствующих в предке всех четвероногих.
