АТФ-залежні калієві канали

АТФ-залежні калієві канали (англ. ATP-sensitive potassium channels або KATP channel) — група білків калієвих каналів, активність яких регулюється внутрішньоклітинними нуклеотидами, такими як АТФ та АДФ. Вперше були відкриті у клітинах серця[1]. АТФ-залежні калієві канали належать до класу К+-каналів вхідного випрямлення (Kir -канали) та представляють собою родину Kir6. Вони працюють здебільшого у м'язах і нейронах, де за умов нестачі енергії у вигляді АТФ переводять клітини у режим спокою, знижуючи їхні збудливість і скоротливість. Також KATP-канали задіяні у регуляції виділення інсуліну в бета-клітинах підшлункової залози. АТФ-залежні калієві канали є мішенями дії лікарських засобів, які захищають серце і судини під час перенавантаження.

Молекулярна структура

KATP-канали — це функціональні октамери, які складаються з чотирьох Kir6.х субодиниць, що формують пору каналу, та чотирьох додаткових білків — рецепторів до сульфонілсечовини SURx (SulphonylUrea Receprors). Назва останньої субодиниці зумовлена тим, що при блокуванні каналу сульфонілсечовиною, вона зв'язується саме із SUR.

Kir6.x включає в себе дві трансмембранні ділянки та одну, що занурена у мембрану і формує внутрішню поверхню пори каналу із селективним фільтром (P-домен або P-петля). Kir субодниця відповідає за інгібування каналу, тобто підтримання його в закритому стані за допомогою АТФ (за виключенням таких каналів у гладеньких м'язах).

SUR субодниця складається з трьох трансмембранних доменів (TMD0, TMD1, TMD2), перший з яких містить в собі п'ять, а інші два — шість трансмембранних сегментів. Також між TMD1 і TMD2 та після TMD2 на цитоплазматичному боці мембрани знаходяться нуклеодитзв'язувальні домени (NBD1, NBD2). Саме SURx субодиниці відповідають за активацію каналу. Вони належать до класу ABC-транспортерів (ATP-binding cassette transporters), основна функція яких — використовувати енергію АТФ на потреби клітини, такі як транслокація різноманітних субстратів уздовж мембрани[2][3].

Дані іоні канали мають високу селективність відносно К+. Селективний фільтр, що визначає який катіон (наприклад, Na+ чи K+) може пройти крізь канал, розташований у найвужчій його частині. Дослідження показали, що сегмент H5 необхідний для селективності до К+. H5 має в собі консенсусну послідовність (Thr-Val-Gly-Tyr-Gly), яка була знайдена в усіх калієвих каналах з мінімальними змінами протягом еволюції. Атоми оксигену створюють «негативний» заряд в області фільтру, який імітує водне середовище, в якому знаходиться калій в розчині. Вважається, що селективність саме до іонів калію забезпечується жорстко закріпленим розміром пори. Тобто, інші іони такі, як, наприклад, літій не можуть пройти (проходять із меншою імовірністю) тому, що оксиген знаходиться від них надто далеко, набагато далі, аніж диполі води, які оточують іон в розчині, тобто для літію така «імітація» некоректна.

Тканиноспецифічність та гени, що кодують KATP

Для кожної тканини характерна своя конфігурація різних субодиниць. Відтак для гладенької мускулатури судин характерний набір Kir6.1-SUR2B і вони утворюють підтип KATP — KNDP, який названий так, аби підкреслити важливість активації за допомогою НДФ і те, що АТФ сам не може їх відкрити[4]. У той же час відомості про те, що існують і інші композиції, такі як Kir6.2-SUR2B у м'язах судин. Є відомості про те, що гладенькі м'язи детрузора містять Kir6.2-SUR2A(B)[5]. Для серця характерна конфігурація Kir6.2-SUR2A. Але якщо із пороутворювальною одиницею все чітко та зрозуміло, то з іншою виникають деякі питання. Було показано, що у мишей SUR1 експресується в передсерді, у той час як SUR2A — у шлуночку[6]. Глюкозочутливі нейрони мозку містять Kir6.2-SUR1 субодинці[7][8]. Проте також є експерименти, які показують, що глюкозочутливі нейрони у вентромедіальному ядрі гіпоталамусу та такі ж холінергічні у смугастому тілі мозку містять у собі композицію із субодниць Kir6.1-SUR1. В підшлунковій залозі β-клітини містять KATP-канали у конформації Kir6.2-SUR1[9].

Усі варіації KATP кодуються чотирма генами: KCNJ8, KCNJ11, ABCC8, ABCC9. Вони відповідають за субодиниці Kir6.1, Kir6.2, SUR1 та SUR2 відповідно. Остання утворює два сплайс варіанти і так з'являються субодиниці SUR2A та SUR2B. У щура ці гени розташовані в наступному порядку: в першій хромосомі ABCC8 — 39 екзон та KCNJ11 — 2 екзон, в четвертій хромосомі ABCC9 — 40 екзон та KCNJ8 — 3 екзон.

Функції в організмі

Підшлункова залоза

Головна функція KATP-каналів в ендокринній частині підшлункової залози — це секреція інсуліну. Інсулінова секреція активується високим рівнем глюкози в крові. Під час допорогового рівня глюкози KATP-канали відкриті та підтримують негативний електрохімічний потенціал. У момент, коли рівень глюкози у крові зростає, запускається метаболізм у β-клітинах острівців Лангерганса. Як наслідок у клітині зростає рівень АТФ, а рівень АДФ падає. Слідом за цим KATP-канали закриваються, клітини деполяризуються та відбувається активація потенціалзалежних кальцієвих каналів (ПЗКК). Приток кальцію веде до того, що пухирці, які містять інсулін, зливаються з мембраною та гормон таким чином вивільняється назовні.

Серце

У серці KATP-канали відіграють роль кардіопротекторів за умов ішемії[10]. За рахунок того, що вони гіперполяризують мембрану, зменшується потенціал дії кардіоміоцитів та обмежується приток кальцію через ПЗКК, відповідно, зменшується час неефективного скорочення серця. На відміну від KATP-каналів у підшлунковій залозі, у серці вони перебувають у постійно закритому стані за фізіологічних умов по причині того, що у цій тканині постійно підтримується висока концентрація АТФ. Канали відкриваються за таких умов як перевантаження серця, гіпоксія чи ішемія. Навіть короткі епізоди ішемії спричинюють подальший захист міокарду проти наступних інсультів. Такий феномен називають «попередник ішемії»[11].

Мозок

Основне місце, де АТФ-залежні калієві канали відіграють важливу роль, — це гіпоталамус. У гіпоталамусі дуже багато «глюкозочутливих» нейронів[12][13]. Так, наприклад, орексинові (гіпокретинові) нейрони у мишачому латеральному гіпоталамусі регулюють безсоння, локомоторну активність та апетит і вони гальмуються високим рівнем глюкози. А MCH-нейрони (Melanin-Concentrating Hormone neurons), які регулюють поведінку пошуку їжі, настрій та енергетичний баланс, активуються підвищеним рівнем глюкози. Більшість нейронів, які активуються підвищеним рівнем глюкози працюють за наступним механізмом: потрапляє глюкоза — підвищуються рівень АТФ — закриваються KATP-канали — деполяризація клітини — підвищення рівня провідності. Механізм інгібування за допомогою рівня глюкози менш зрозумілий на даний момент, проте є припущення, що у цьому бере участь Na+-K+-АТФаза та активація гіперполяризаційного току хлору, який, можливо, активує хлорні канали (CFTR-like Cl- channels). Окрім цієї функції, KATP-канали грають захисну роль за патологічних умов[14]. Повертаючись до ішемії та гіпоксії, від яких ці канали захищали серце, треба відмітити, що у більшості ссавці за таких умов нейрони деполяризуються та помирають. Відтак, наприклад, у чорній субстанції KATP-канали пригнічують нейрональну активність (гіперполяризують клітину) під час гіпоксії за рахунок їх відкриття на постсинаптичних мембранах.

Гладенька мускулатура

У непосмугованих м'язах KATP-канали найбільш розповсюджені у стінках судин та поширені у них по всьому тілу. Відкриття цих каналів спричинює гіперполяризацію мембрани і як наслідок — закриття ПЗКК та розслаблення м'язових волокон судин, особливо вен. Тобто, функцію вазоділатації. Окрім звичайної регуляції тут ще має місце регуляція відкриття-закриття за допомогою фосфорилювання, як вже було вказано вище. Так на активність KATP можуть впливати такі вазоділататори як простагландин, CGRP (Calcitonin Gene Related Peptide), аденозин та вазоконстриктори, наприклад, ендотелін, вазопресин, гістамін. Можливо, вони впливають хоча б на сам процес фосфорилювання за допомогою протеїн кінази А. Але, як вже було сказано вище, цей процес ще не вивчений на достатньому рівні. Також KATP присутні у м'язах детрузора. Поки що не зовсім зрозуміло, навіщо там потрібні саме ці канали, адже окрім них там повно інших калієвих каналів. Тим не менше, вони присутні, а їхні функції та властивості наразі досліджуються. Так було показано, що глібенкламід (інгібітор) не впливає на збудливість чи скоротливість детрузора за відсутності стимуляції цього каналу, тим не менш KATP сприяють утворенню та підтриманню мембранного потенціалу спокою детрузора[15][16]. При цьому за фармакологічної активації KATP-каналів відбувається гіперполяризація мембрани, як наслідок — закриття ПЗКК та зниження напруження[17]. Незважаючи на все це, малоймовірно, що KATP-канали пов'язані із якимись патологіями у детрузорі, хоча логіка й підказує інше.

Фармакологічні властивості KATP-каналів

Як вже було зазначено, АТФ є головним регулятором активності каналу і може виконувати дві різні функції: 1) закривати канал, та 2) підтримувати канал в активному стані за присутності іонів магнію. Сайт для зв'язування АТФ з метою інгібувати активність каналу знаходиться на субодиниці Kir6.2[18], це такі залишки амінокислот як аргінін у 50-ому положенні на N-кінці та 182-й ізолейцин, 185-й лізин, 201-й аргінін, 334-й гліцин на C-кінці[8]. Вважається, що ці залишки формують так звану АТФ-зв'язуючу кишеню[8]. Тобто, із одним KATP-каналом може зв'язатися чотири молекули АТФ. Також АТФ може й активувати KATP-канал, якщо зв'язується із SUR[18], але зазвичай за активацію відповідає НДФ. Сайт зв'язування знаходиться на SUR. Останній містить два NBD (Nucleotide Binding Domain) із такими консенсусними мотивами як Walker-A та Walker-B (Gly-X-X-X-X-Gly-Lys-Thr/Ser)[19]. Мутації в Walker-A мотиві на NBD1 запобігають зв'язуванню нуклеотидів з обома NBD[20]. Такий механізм активації та інгібування діє за фізіологічних умов, проте фармацевтичні засоби можуть як активувати, так й інгібувати KATP-канали, зв'язуючись із SUR. Інгібіторними агентами можуть бути такі похідні сульфонілсечовини як хлорпропамід, толбутамід та глібенкламід[21][22][23]. Вони використовуються у лікуванні цукрового діабету другого типу. Активаційні агенти, які також відомі як KCOs (K+ channel openers) можуть бути представлені такими речовинами як пінациділ, нікоранділ та діазоксид[24][25].

Вплив інгібіторів KATP на фізіологічні функції

За допомогою таких похідних сулфонілсечовини як ацетогексамід, толбутамід, гліпзид, глібенкламід та глімпірид лікують цукровий діабет другого типу.

Вплив активаторів KATP на фізіологічні функції

Показано[26], що фармацевтичні речовини KCOs (K+ channel openers) (наприклад, аналог пінациділу [3H]P1075) можуть зв'язуватися із SUR за відсутності Kir-субодиниці[27] та не можуть активувати канал, якщо наявна лише пороутворювальна субодниця[28][29]. Також відомо, що різні субодиниці SUR по-різному реагують на активатори, так за присутності Mg-АТФ пінациділ може активувати Kir6.2-SUR2A, але не Kir6.2-SUR1[30]. Так показується, що KCOs зв'язуються лише на SUR, а також специфічність зв'язування. У гладеньких м'язах KCOs спричинюють релаксацію судин та зниження кров'яного тиску за рахунок відкриття KATP-каналів. Деякі з таких речовин використовуються в терапевтиці як засіб проти гіпертензії. Більше того, KCOs використовуються як ліки проти таких хвороб як гостра та хронічна ішемія міокарда, застійна серцева недостатність, бронхіальна астма, нетримання сечі та декотрі міопатії скелетних м'язів. У β-клітинах острівців Лангерганса підшлункової залози, спричинюючи відкриття KATP-каналів, лікують гіперсекрецію інсуліну, що пов'язана з інсуліномою та хронічну гіпоглікемію у дітей[8].

Електричні властивості KATP-каналів

Для KATP-каналів в різних тканинах характерні різні рівні провідності. Так, наприклад, для сечового міхура це 11-12 pS (pS — пікосіменс), 15-50 pS — для гладенької мускулатури ворітної вени, культури клітин коронарної артерії, 55-75 pS — для скелетних м'язів, 50-90 pS — β-клітини острівців Лангерганса підшлункової залози, 70-90 pS — для серця та найвища провідність (130 pS) характерна для гладенької мускулатури мезентеральних артерій, хвостової артерії щура та аорти собаки. Як вже згадувалося, KATP-канали є родиною з класу Kir, тобто їм властиве вхідне випрямлення. Випрямленням струму в електрофізіології називають явище, коли за умов однакової концентрації іону зсередини та ззовні потік іону не врівноважений. Випрямлення буває вихідним та вхідним. У нашому випадку це вхідне випрямлення, тобто калій простіше входить у клітину через ці канали. Також випрямлення буває слабким та сильним. Для KATP-каналів характерне «слабке» випрямлення[31]. Також за зміни pH змінюється і «сила» випрямлення: за нейтрального pH цим каналам властиве «слабке» випрямлення, яке, власне, є фізіологічним, при залуженні середовища випрямлення стає більш «сильним». Наразі ще не до кінця з'ясовані деталі, проте загальний механізм випрямлення зрозумілий. Воно відбувається за посередництвом аліфатичного поліаміну сперміну[en]. Він позитивно заряджений та має валентність ~5[32]. Коли калій починає виходити із клітини він потоком «затягує» спермін у пору. Остання блокується та більше не пропускає іони калію назовні, проте іони, що надходять всередину можуть «витиснути» його та далі заходити без перешкод.

Примітки

  1. Noma, A. ATP-Regulated K+ Channels in Cardiac Muscle // Nature. 1983. 305, P.147-148
  2. Jones PM, George AM. The ABC transporter structure and mechanism: perspectives on recent research // Cell Mol Life Sci. 2004. 61(6). P.682-699
  3. Davidson AL, Dassa E, Orelle C, Chen J Structure, function, and evolution of bacterial ATP-binding cassette systems // Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2008. 72(2). P.317-364.
  4. Beech DJ, Zhang H, Nakao K, Bolton TB. Single channel and whole-cell K-currents evoked by levcromakalim in smooth muscle cells from the rabbit portal vein // Br J Pharmacol. 1993. 110. P.583-590
  5. C-C Shieh, Brune ME, Buckner SA, Whiteaker KL, Molinari EJ, Milicic IA, Fabiyi AC, Daza A, Brioni JD, Carroll WA, Matsushita K, Yamada M, Kurachi Y, Gopalakrishnan M. Characterization of a novel ATP-sensitive K channel opener, A-251179, on urinary bladder relaxation and cystometric parameters // Br J Pharmacol. 2007. 151. P.467-475
  6. Flagg TP, Kurata HT, Masia R, Caputa G, Magnuson MA, Lefer DJ, Coetzee WA, Nichols CG. Differential structure of atrial and ventricular KATP: atrial KATP channels require SUR1 // Circ Res. 2008. 103. P.1458-1465
  7. Karschin A, Brockhaus J, Ballanyi K. KATP channel formation by the sulphonylurea receptors SUR1 with Kir6.2 subunits in rat dorsal vagal neurons in situ // J Physiol. 1998. 509. P.339-346
  8. а б в г Hibino H., Inanobe A., Furutani K., Murakami S., Findlay I., Kurachi Y. Inwardly rectifying potassium channels: their structure, function, and physiological roles // Physiol. Rev. 2010. 90. P.291-366
  9. Inagaki N, Gonoi T, Clement JP, Wang CZ, Aguilar-Bryan L, Bryan J, Seino S. A family of sulfonylurea receptors determines the pharmacological properties of ATP-sensitive K-channels // Neuron. 1996. 16. P.1011-1017
  10. Nichols CG, Lederer WJ. Adenosine triphosphate-sensitive potassium channels in the cardiovascular system // Am J Physiol Heart Circ Physiol. 1991. 261. P.H1675-H1686
  11. Yellon D, Downey J. Preconditioning the myocardium: from cellular physiology to clinical cardiology // Physiol Rev.-2003.-83.-P.1113-1151
  12. Ashford ML, Boden PR, Treherne JM. Glucose-induced excitation of hypothalamic neurones is mediated by ATP-sensitive K+ channels // Pflugers Arch-1990. 415. P.479-483
  13. Routh V. Glucose-sensing neurons: are they physiologically relevant? // Physiol Behav.-2002.-76.-P.403- 413
  14. Ballanyi K. Protective role of neuronal KATP-channels in brain hypoxia // J Exp Biol.-2004.-207.-P.3201-3212
  15. Imai T, Okamoto T, Yamamoto Y, Tanaka H, Koike K, Shigenobu K, Tanaka Y. Effects of different types of K+ channel modulators on the spontaneous myogenic contraction of guinea-pig urinary bladder smooth muscle // Acta Physiol. Scand. 2001. 173. P.323-333
  16. Kajioka S, Shahab N, Asano H, Morita H, Sugihara M, Takahashi-Yanaga F, Yoshihara T, Nakayama S, Seki N, Naito S. Diphosphate regulation of adenosine triphosphate sensitive potassium channel in human bladder smooth muscle cells // J. Urol. 2011. 186. P.736-744
  17. Petkov GV. Role of potassium ion channels in detrusor smooth muscle function and dysfunction // Nat Rev Urol. 2011. 9(1). P.30-40
  18. а б Tucker S, Gribble F, Zhao C, Trapp S, Ashcroft F. Truncation of Kir6.2 produces ATP-sensitive K+ channels in the absence of the sulphonylurea receptor // Nature. 1997. 387. P.179-183
  19. Walker JE, Saraste M, Runswick MJ, Gay NJ. Distantly relatedsequences in the alpha- and beta-subunits of ATP synthase, myosin, kinasesand other ATP-requiring enzymes and a common nucleotidebinding fold // EMBO J. 1982. 1. P.945-951
  20. Ueda K, Inagaki N, Seino S. MgADP antagonism to Mg2+-independent ATP binding of the sulfonylurea receptor SUR1 // J BiolChem. 1997, 272. P.22983-22986
  21. Doyle ME, Egan JM. Pharmacological agents that directly modulate insulin secretion // Pharmacol Rev. 2003. 55. P.105-131
  22. Edwards G, Weston AH. The pharmacology of ATP-sensitive potassium channels // Annu Rev Pharmacol Toxicol 1993. 33. P.597-637
  23. Wickenden A. K channels as therapeutic drug targets // Pharmacol Ther. 2002. 94. P.157-182
  24. Terzic A, Jahangir A, Kurachi Y. Cardiac ATP-sensitive K channels: regulation by intracellular nucleotides and K channel-opening drugs // Am J Physiol Cell Physiol. 1995. 269. P.C525-C545
  25. Ashcroft FM. Adenosine 5-triphosphate-sensitive potassium channels // Annu Rev Neurosci. 1998. 11. P.97-118
  26. Ashcroft F, Gribble F. New windows on the mechanism of action of KATP channel openers // Trends Pharmacol. 2000. Sci21. P.439-445
  27. Uhde, I, Toman A, Gross I, Schwanstecher C, Schwanstecher M. Identification of the potassium channel opener site on sulfonylurea receptors // J. Biol. Chem. 1999. 274. P.28079-28082
  28. Tucker S, Gribble F, Zhao C, Trapp S, Ashcroft F. Truncation of Kir6.2 produces ATP-sensitive K+ channels in the absence of the sulphonylurea receptor // Nature. 1997. 387. P.179-18
  29. John, SA, Monck JR, Weiss JN, Ribalet B. The sulfonylurea receptor SUR1 regulates ATP-sensitive mouse Kir6.2 K1 channels linked to the green fluorescent protein in human embryonic kidney cells (HEK 293) // J. Physiol. 1998. 510. P.333-345
  30. Isomoto S, Kondo C, Yamada M, Matsumoto S, Higashiguchi O, Horio Y, Matsuzawa Y, Kurachi Y. A novel sulfonylurea receptor forms with BIR (Kir6.2) a smooth muscle type ATP-sensitive K1channel // J. Biol. Chem. 1996. 271. P.24321-24324
  31. Baukrowitz T, Tucker SJ, Schulte U, Benndorf K, Ruppersberg JP, Fakler B. Inward rectification in KATP channels: a pH switch in the pore // EMBO J. 1999. 18. P.847-853
  32. Stanfield, PR, Sutcliffe, MJ, Spermine is fit to block inward rectifier (Kir) channels // J. Gen. Physiol. 2003. 122. P.481-484

Див. також