УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2007, том 38, № 1, с. 14-38
УДК 612.822
ПОТЕНЦИАЛ-УПРАВЛЯЕМЫЕ КАЛЬЦИЕВЫЕ КАНАЛЫ
(ЧАСТЬ II)
© 2007 г. Ä. Г. Камкин1' 2, И. С. Киселева1' 2, С. И. Кирищук2, И. Т. Лозинский1' 3
1Кафедра фундаментальной и прикладной физиологии Российского государственного медицинского Университета (Москва, Россия) 2Johannes Mueler Institute of Physiology, Humboldt University Medical School, Development Physiology (Berlin, Germany) 3lnstitute of Molecular Medicine Division of Cardiovascular Medicine, Biomedical-Biological Sciences Research Building
(Lexington, KY, USA)
В статье сфокусировано внимание на представителях потенциал-управляемых кальциевых ионных каналах, которые присутствуют практически во всех клетках. Рассматриваются процессы активации и инактивации кальциевых каналов и их молекулярные механизмы. В работе представлена современная классификация потенциал-управляемых кальциевых каналов, проводятся параллели с классификациями, известными ранее, и обсуждаются кальциевые токи, текущие через различные каналы. Представлена генетическая, молекулярно-биологическая, биофизическая, физиологическая и фармакологическая информация для каждого из 10 типов известных кальциевых каналов.
АКТИВАЦИЯ И ИНАКТИВАЦИЯ КАЛЬЦИЕВЫХ КАНАЛОВ
Аналитическое описание. Активация Са2+-ка-налов, которая происходит только под влиянием изменения трансмембранного электрического потенциала, является их характерной чертой. Особенностью Са2+-токов является медленное нарастание (по сравнению с №+-токами) при смещении мембранного потенциала. Этот процесс описывают моноэкспоненциальной функцией с постоянной времени активации (та [ms]). Инактивация представляет собой процесс постепенного ослабления ионного тока через канал при продолжающейся деполяризации. Проявление инактивации - спад вызванного деполяризующей ступенькой тока после достижения им пикового значения. Этот процесс имеет, как правило, сложную кинетику и описывается обычно двумя экспонентами:
¥ = У0 + Ае-(Х-Хо)/^] + ЛеК-Х -Хо)/т,и (1)
На основании этого уравнения определяются постоянные времени быстрой и медленной инатива-ции: т^ и т1(Ш. В уравнении (1) ¥0 [рА] отражает сдвиг нулевой линии (утечка) и в идеальном случае равен 0. Х0 [тя] - время приложения деполяризирующего стимула. А1 [рА] - часть амплитуды тока инактивирующаяся путем быстрой инактивации (т^), А2 [рА] - часть амплитуды тока, инактивирующаяся путем медленной инактивации (т1ст). Необходимо заметить, что максимальная амплитуда тока (1тах) есть сумма А1 + А2. Поскольку максимальная амплитуда зависит от многих параметров, в частности от типа клетки, плотности Са2+-каналов и т.д., А1 и А2 часто нор-
мализируют на максимальное значение тока (AJImax и A2/Imax) и выражают в процентах.
Корректное описание инактивации Са2+-токов представляет определенные сложности, поскольку этот процесс развивается во времени параллельно с развитием выходящих К+-токов, поэтому, регистрируемый спад Са2+-тока может быть не истинным, а определяться наложением на Са2+-ток одновременно развивающихся выходящих К+-то-ков. Для предотвращения подобных ошибок необходимо тщательно блокировать К+-токи. Их наличие в наиболее простой форме можно определить по амплитуде Са2+-тока в конце достаточно длинного по времени стимула. В этом случае она будет слегка превышать "нулевую" линию (Y0 > 0). Здесь следует отметить, что превышение "нулевой" линии в конце стимула может также отражать очень медленную (константа времени значительно больше длительности стимула) инактивацию исследуемого Са2+-тока, поэтому, чтобы избежать возможных ошибок, сложный динамический процесс инактивации сводят к стационарной (steady-state) инактивации.
В этом случае измеряют уменьшение максимальной величины тока, вызванного тестирующими деполяризующими ступеньками в случае, если перед этим мембранный потенциал определенное (достаточно длинное по сравнению с длительностью инактивации) время поддерживался на сниженном уровне. Зависимость этого уменьшения от величины поддерживаемого потенциала носит ^-образную форму. При этом для характеристики Са2+-каналов помимо амплитуды кальциевого тока (ICa) обычно рассматриваются величина активации (Va) и величина инактивации
(Vh). Если сущность постоянных времени активации и инактивации Са2+-каналов достаточно понятна, то величины активации (Va) и инактивации (Vh) требуют пояснения.
На рис. 1 показаны принципы исследования активации и инактивации на примере Ix, Ca тока. На панели А (рис. 1) представлены тестовые сигналы и steady-state активация IT. Мембрана клетки была на поддерживаемом потенциале -100 mV в течение 1 5 и Са2+-токи выявлялись при помощи деполяризующих шагов-ступенек. На панели Б (рис. 1) показана активационная кривая, полученная на основании уравнения Больцмана в следующей форме:
I/Imax = 1[1 + exp(-(V - V0.5)*)], (2)
где I - амплитуда тока, Imax - максимальная амплитуда тока, V - тестовый потенциал, V05 - потенциал полуактивации или, иначе, Va. На панели В (рис. 1) представлены тестовые сигналы и steady-state инактивация IT, Ca. Мембрана клетки была на поддерживаемом потенциале в диапазоне от -110 mV до -45 mV в течение 1 5 и Ca2+-TO^ выявлялись при помощи деполяризующих шагов-ступенек до -40 mV. На панели Г (рис. 1) показана инактивационная кривая, полученная на основании уравнения Больцмана в следующей форме:
I/Imax = 1[1 + exp((V - V0.5)*)], (3)
где I - амплитуда тока, Imax - максимальная амплитуда тока, V - потенциал, V05 - потенциал полуинактивации или, иначе, Vh. И в случае (Б), и в случае (Г) константа "к" представляет собой наклон кривой (фактор крутизны) и отражает steady-state потенциал-чувствительность каналов или "диапазон" потенциалов, в котором каналы функциональны. Чем больше к, тем уже диапазон. В части рисунка (Д) кривые на панелях Б и Г объединены вместе [79].
Молекулярные механизмы. Из числа известных потенциал-управляемых каналов молекулярные механизмы активации и инактивации потеци-ал-управляемых Ca2+-каналов наименее изучены. Напомним, что порообразующая субъединица Ca2+-канала (ах) имеет структуру, включающую четыре гомологичных домена (I-IV), каждый из которых содержит шесть трансмембранных сегментов (S1-S6) [19, 20, 65, 114, 169]. Потенциал-управляемые Ca2+-каналы классифицировали в соответствии с их структурой, электрофизиологическими характеристиками, чувствительностью к фармакологическим агентам. Наличие нескольких классификаций, о которых речь пойдет ниже, хотя и создает определенные сложности при прочтении научных работ, но является скорее преходящей проблемой. С другой стороны, ряд вопросов, к которым относятся процессы активации и инактивации потенциал-управляемых
А
-40 mV
-100 mV -90 mV
-45 mV
-110 mV
-40 mV В
]10 pA
100 ms
]10 pA
100 ms
Б
I/Imax
1.0
I/Imax
1.0
-90 -70 -50 Потенциал ступеньки импульса, mV
Д 1.0 г
-100-80 -60 -40 Пре-импульсный потенциал, mV
-100-80 -60 -40 шУ
Рис. 1. Принципы регистрации и анализа активации и инактивации /^-тока на примере Са^3-каналов. Описание в тексте [79].
Са2+-каналов, даже в настоящее время являются предметом интенсивных исследований.
Основные результаты, касающиеся воротных механизмов потенциал-управляемых каналов, были получены в работах на K+- и №+-каналах. Для K+- и №+-каналов было установлено, что при изменении мембранного потенциала М-сегмент перемещается. При деполяризации этот сегмент перемещается внутри мембраны в сторону внеклеточной среды [11, 13, 22, 23, 52, 85, 137, 172]. Дополнительно было показано также вращательное движение сегмента 54. Это привело к созданию альтернативной модели, описывающей траекторию перемещения сегмента 54 движением, сходным с движением весла [71]. Это так называемая "модель весла" ("paddle model"). За следующие 2 года эта модель широко распространилась в литературе, однако последние работы по изучению "модели весла" показали ее значительные ограничения (см. приложение в конце статьи).
В противоположность этим исследованиям, выполненным на K+- и №+-каналах, очень немно-
Г
гие работы [50, 89, 90, 171] были посвящены роли сегмента 54 у Са2+-каналов. На молекулярном уровне совершенно непонятно, почему Сак3-ка-налы представляют собой каналы с низким порогом активации, тогда как Сак1- и Сак2-каналы являются каналами с высоким порогом активации. Li и соавторы попытались разрешить эту проблему путем создания ряда химер между каналом с низким порогом активации Сак3.1 (аю) и каналом с высоким порогом активации Сак1.2 (а1С) [90]. Результаты показали, что замена отдельных доменов I, III или IV у Сак3.1-канала на соответствующие домены от Сак1.2 вела к образованию канала с высоким порогом активации, подобно Сак1.2-каналу. Однако замена домена II у Сак3.1 на соответствующий домен от Сак1.2 лишь слегка сместила вольт-амперную кривую в сторону более высокого порога активации, но не привела к образованию канала с высоким порогом активации. Таким образом, домены в Са2+-канале играют различную роль в процессе активации канала. Так, сравнивая каналы Сак3.1 и Сак1.2, можно заключить, что домены I, III и IV вносят принципиальный вклад в зависимость активации от потенциала. Напротив, домен II, оказывающий менее заметный вклад в зависимость активации от потенциала, играет в большей степени модуляторную роль. В другой серии экспериментов целые сегменты £4 в канале Сак3.1 были заменены их копиями от канала Сак1.2. Удивительно, но такая принципиальная замена не объяснила разной зависимости от потенциала у Сак3.1- и Сак1.2-ка-налов. Возможная интерпретация этих данных заключается в том, что сенсором напряжения являются не сами сегменты £4, а комплекс сегментов которые вместе определяют чувствительность к потенциалу [90]. Или, что также нельзя исключить, некоторая другая область канала, например такая, как пора, тоже может влиять на чувствительность канала к потенциалу. Таким образом, результаты экспериментов позволяют предположить, что потенциал-чувствительность каналов определяется скорее всего не каким-то одним локальным участком канального белка, а скорее комплексом сегментов и/или структур
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.