Ionotropni receptorji-Pirman&Mirkovic

FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO
SEMINAR PRI PREDMETU BIOLOŠKE MEMBRANE
IONOTROPNI RECEPTORJI
Mentor: prof. dr. Igor Križaj
Avtorici: Maša Mirkovič in Nastja Pirman
December 2014
KAZALO
1. UVOD........................................................................................................................................................... 2
2. STRUKTURA ............................................................................................................................................. 2
3. PREDSTAVNIKI RECEPTORJEV ........................................................................................................ 3
3.1 GABA RECEPTORJI................................................................................................................................... 3
3.1.1 GABAA RECEPTOR .............................................................................................................................. 3
3.1.2
MEHANIZEM DELOVANJA ................................................................................................ 4
3.1.3
GABA RECEPTORJI IN BOLEZENSKA STANJA ........................................................... 4
3.2 ACETILHOLINSKI RECEPTOR ............................................................................................................. 5
3.3
GLICINSKI IONOTROPNI RECEPTOR ..................................................................................... 6
3.4
SEROTONINSKI IONOTROPNI RECEPTOR ........................................................................... 8
3.5
GLUTAMATNI RECEPTORJI ....................................................................................................... 9
4. ZAKLJUČEK ............................................................................................................................................ 10
5. VIRI ........................................................................................................................................................... 11
1
1.
UVOD
Ionotropni receptorji so odgovorni za odpiranje in zapiranje postsinaptičnih in presinaptičnih
ionskih kanalov. Ionotropni receptorji ( ang. Ligand gated ion channel) so skupina
transmembranskih proteinov. Ti dovoljujejo prehod natrijevih, kalijevih in kalcijevih ionov.
Ko se ligand ( npr. nevrotransmiter) veže na receptor, se preko konformacijske spremembe
pora odpre. Ključna naloga takih receptorjev je neposredna in hitra sprememba kemijskega
signala presinaptičnega sproščenega nevrotransmiterja v postsinaptični električni signal.
Pomembni so za komunikacijo med celicami. Preko njih potekajo pomembni biološki procesi,
kot so živčne aktivnosti in mišične kontrakcije.
Poznamo različne predstavnike ionotropnih receptorjev:
1.
nikotinski receptor (nAchR)
2.
GABA receptor
3.
serotininski receptor ( 5- HT3)
4.
glutamatni receptor (GluR)
5.
glicinski receptor (GlyR)
2.
STRUKTURA
Vsi ionotropni receptorji so sestavljeni iz pentamernih ali tetramernih podenot, ki v sredini
tvorijo poro. Sestavljeni so iz dveh funckionalnih domen: ekstracelularne domene, kamor se
veže nevrotransmiter, štirih transmembranskih domen (M1-M4) in intracelularne domene.
M2 domena vsake podenote tvori steno ionskega kanalčka in je podvržena konformacijskim
spremembam za prehajanje ionov. Vsaka podenota ima hidrofobni N-konec, ki se nahaja na
ekstracelularnem delu in vsebuje veliko mest, kjer lahko poteče N-glikozilacija, in je
definirana kot vezavna domena za ligand. Torej ima ekstracelularna domena mesto, kamor se
bosta vezala nevrotransmiter in membranska domena, ki tvori poro. Vsaka od podenot
prispeva k nastanku pore. Prisotni sta tudi dve kratki zanki, kateri povezujejta
transmembranske domene M1 do M2 in M3 do M2, veliko znotrajcelično zanko ( M3-M4) in
kratek C-konec ( Slika 1).
2
Slika 1. Splošn strukura ionotropnih receptorjev.
3.
PREDSTAVNIKI RECEPTORJEV
3.1 GABA RECEPTORJI
GABA receptorji so razred receptorjev, ki se odzovejo na nevrotransmitor - aminobutirično
kislino (GABA), inhibitorni nevrotransmiter centralnega živčnega sistema. GABA se
sintetizira iz glutamata. Deluje v več kot tretjinah sinaps v osrednjem živčnem sistemu. Vsaka
izoformna oblika vsebuje pet homolognih ali identičnih podenot, ki so obkrožene s centralnim
klorido ionsko-selektivnim kanalom, varovanim z GABA. Poznamo tri razrede receptorjev:
GABAA
,
GABAB in GABAC.
Slednji spadajo med G- sklopljene proteine, metabolne
receptorje. GABA receptorji spadajo med anion- selektivne receptorje. Sestavljeni so iz dveh
podenot, dveh
podeno in treh
podenot.
3.1.1 GABAA RECEPTOR
GABAA so večdomenski integralni membranski proteini. Pet podenot je tesno skupaj
povezanih v poro. Približno polovica domene sega v ekstracelularni matriks, v
transmembranskem delu pa so prisotne zanke M1-M4. M2 tvori steno pore, med M3 in M4 pa
se tvori velika zanka, ki je vključena v fosforilacijo.
3
Slika 2. a) toplogija ene podenote; b) pogled od zgoraj (pentamer).
Študije so pokazale, da se GABAA nahaja v centralnem živčnem sistemu; hrbtenjači, malih
možganih, skorji in možganskem deblu. Sinaptični prenos privede do sprostitve GABA, ta
odpre kloridni kanalček in v nekaj milisekundah poveča ionsko prevodnost, to pa vodi do
hiperpolarizacije depolarizirane membrane.
3.1.2
MEHANIZEM DELOVANJA
Sprva se agonist GABA veže na
podenoto (Slika 2). Ob tem se zgodi konformacijska
sprememba in agonist se veže v vezavni žep. Nadaljne konformacije vodijo do odprtja
kloridno-selektivne pore.
Povečana prevodnost klorida povzroči povratni potencial
kloridnega iona (- 65 mV) v nevronih in tako inhibira proženje novih akcijskih potencialov.
Ima tudi mesto, kamor se veže benzodiazepin. Ko se ta veže na svoje vezavno mesto na
receptorju, ki je poleg mesta za vezavo GABA, pride po nadaljni vezavi GABA do izločanja
kloridnih inov iz kanala.
3.1.3
GABA RECEPTORJI IN BOLEZENSKA STANJA
Preklinične študije na modelnih organizmih so pokazale podobnost pri človeških možganih za
vedenjsko disfunkcijo, ki so lahko prisotne v motnjah razpoloženja. Nepravilno delovanje
GABA receptorjev torej lahko povzroči različne motnje in bolezenska stanja, kot so insomnia,
depresija, shizofrenija in anksiozne motnje ter motnje spanca. CSF GABA lahko izvirajo iz
4
možganov in odražajo GABA-nerično aktivnost. Čim je slednji nižji, se to odrazi pri
bipolarnih in unipolarnih pacientih. Poleg vezavnega mesta za benzodiazepin imajo receptorji
vezavno mesto za nevroaktivne steroide. Ti pa naj bi vplivali na prehrano, spol,
menstruacijski cikel. Anksiozne motnje so duševne motnje. Lahko jih zdravimo z zdravili ali
pa s kognitivno- vedenjsko terapijo.
3.2 ACETILHOLINSKI RECEPTOR
Poznamo dve vrsti acetilholinskih receptorjev: muskarinske in nikotinske receptorje.
Muskarinski receptor sodi med metabolne receptorje, medtem ko nikotinski receptor sodi med
ionotropne receptorje. Nikotinski receptorji se nahajajo v vegetativnem živčevju, njihov
ligand je acetilholin. Receptor je lahko mišičnega ali nevroničnega tipa. Mišični tip
nikotinskega receptorja je lokaliziran v živčnomišičnih stikih, kjer električni pulz iz nevrona
do mišic posreduje informacijo za mišično krčenje in je odgovoren za mišični tonus.
Nevronski nikotinski receptor pa se nahaja v sinapsah med nevroni in je vpleten v kognitivno
funkcijo, spominom, učenjem in motorično kontrolo.
Naloga nikotinskega receptorja je kontrola električnega signaliziranja med nevronom in
mišico z odpiranjem in zapiranjem varovane membranske pore. Vse podenote imajo: 1)
ekstracelularni dolgi del N- terminalne domene s 200 AK ostanki; 2) tri transmembranske
domene; 3) citosolno zanko; 4) štiri transmembranske domene z relativno kratko in variabilno
C- terminalno sekvenco. Mišični nAChR vsebuje pet podenot:
,
,
Nevronski
nAChR je lahko homopentamer ali heteropentamer. Podenote v krogu tvorijo poro, vsaka ima
štiri segmente M1-M4. M2 podenota tudi tukaj tvori steno pore. Acetilholin se veže na dveh
mestih, in sicer med
in
podenoto in med drugo
in
(Slika 3). Ko se dve molekuli
acetilholina vežeta na mesto, pride do konformacijske spremembe in s tem se pora odpre.
Odprtje kanala dovoljuje prehod natrijevih in kalcijev ionov. Vse podenote nAChR prehajajo
skozi membrano štirikrat.
5
Slika 3: Struktura acetilholinskega receptorja.
Nikotinske receptorje lahko povežemo z različnimi bolezenskimi stanji. Študije so pokazale,
da nepravilno delovanje receptorja lahko povzroči med drugim Alzheimerjevo bolezen,
depresijo, shizofrenijo in Parkinsovo bolezen ( Nashmi et al. 2003).
Alzheimerjeva bolezen je nevrodegerativna bolezen. Študije so pokazale povezavo med
primankljajem nAChR in simptomi te bolezni ( Scott and Goa, 2000). Premalo acetilholina
namreč povzroči bolezen, zato je pri tej bolezni cilj povečati koncentracijo acetilholina v
možganih.
3.3
GLICINSKI IONOTROPNI RECEPTOR
Glicinski ionotropni receptor, okrajšano GlyR, je eden izmed inhibitornih receptorjev
osrednjega živčnega sitema, katerega ligand je aminokislina glicin. Ko se na GlyR veže glicin,
se odpre pora, ki pasivno in selektivno prepušča Cl-, s tem se celica hiperpolarizira, kar zavre
živčni impulz.
GlyR se nahaja v osrednjem živčnem sistemu: hrbtenjači, možganskemu deblu, možganski
sredici, talamusu in hipotalamusu, na presinaptičnih končičih in je kolokaliziran z receptorjem
GABAa. Aktivacija GlyR inhibira GABAa, zato sta receptorja GABAa-GlyR učinkovitejša
za regulacijo jakosti živčnega prenosa. GlyR so v zelo majhnik koncentracijah našli tudi v
drugih tkivih, npr. mrežnici.
GlyR sodi med anionske cistein-zančne receptorje, za katere ja značilna zanka iz 15
aminokislin, ki jo tvori disulfidna vez. Je eden izmed homologov nikotinoidne superdružine,.
Struktura GlyR se določuje na podlagi modela nikotinoid-acetilholinskega receptorja. Je
6
pentamer, za katerega so znane 4 izomere α podenote GlyRα1-4 in ena β podenota GlyRβ, kar
receptorju omogoča tkivno specifičnost.
Receptor vsebuje veliko, globularno, ekstracelularno N-končno domeno, vezavno mesto
glicina. Sestavljena je iz pretežno beta-trakov. Transmembranska domena, ki sega skozi
membrano, je sestavljena iz 4 transmembranskih alfa-vijačnic (TM1-4) na podenoto. Pri tem
vijačnice TM1, TM3 in TM4 tvorijo zunanje ogrodje pore, TM2 pa notranje ogrodje pore,
sestavljeno iz amfipatičnih aminokislin. Kanal se zoži blizu intracelularnega področja.
Intracelulatna domena vsebuje ubikvitinacijsko, fosforilacijsko mesto in SH3 ter gefrin
vezavno mesto. Geferin je nujen za sidranje receptorja.
Motnje v izražanju in delovanju GlyR vodijo v bolezni, ki se imenujejo kanalopatije
glicinskega receptorja. Hiperepklepsija je redka nevrološka bolezen in pomeni pretiran odziv
na nepričakovane dražljaje. Pojavi se zaradi slabega izražanja GlyRα1 na površini in je
prisotna že od rojstva. Zaradi zmanjšanja pretoka Cl- skozi membrano ne pride do
hiperpolarizacije, ampak ekcitacije živčne celice. Mišice postanejo toge in ker bolnik
ekscitacije ne more nadzorovati, pride tudi do padcev in kroničnih poškodb. Hiperklepsiji
podobna bolezen je Maurinov sindrom, s to razliko, da se hiperpklepsiji podobni znaki
pojavijo šele okoli 20 dni po rojstvu, kar sovpada za zamenjavo GlyRα2 homomerov
novorojenčka z odraslo obliko GlyR receptorja, ki vsebuje α1β heteromere. Čeprav receptor
funkcionira normalno, je njegovo število občutno zmanjšano. Razlogi za to so v mutacijah
GlyRβ podenot, ki so membransko sidro GlyR.
Znani so številni antagonisti glicina, kot so strihnin in mnoge naravne spojine rastlinskega
izvora, na primer pikrotoksin in ginkgolidi. Vpliv na GlyR ima podobno kot v primeru drugih
ionotropnih receptorjev tudi alkohol (J. W. Lynch, 2004; M. Cascio, 2004).
7
3.4
SEROTONINSKI IONOTROPNI RECEPTOR
Serotonin ali 5-HT (5-hidroksitriptamin) je živčni prenašalec in hormon, ki ureja številne
fiziološke funkcije v živčevju in številnih organih. Največ, okoli 90%, ga nastane v
gastrointestinalnem traktu, kjer uravnava črevesno gibanje in krvni obtok, preostanek pa
izhaja iz živčnega sistema. Je ligand za vsaj štirinajst G- protein sklopljenih 5-HT receptorjev
in enega ionotropnega 5-HT3 receptorja. Serotoninski receptorji sprožijo sproščanje številnih
živčnih prenašalcev: glutamata, GABA, dopamina, epinefrina, norepinefrina, acetilholina, in
hormonov: oksitocina, prolaktina, vazopresina, kortizola, kortikotropina itd. Posledično so
udeleženi pri mnogih fizioloških odzivih.
5-HT3 receptor je uvršen med nikotidno družino in cistein-zančne proteine. Nahaja se v
centralnem in perifernem živčnem sitemu, pre- in postsinaptično. V centralnem živčnem
sistemu je skoncentriran predvsem v določenih možganskih jedrih: CA1 piramidalni celični
plasti v hipokampusu, dorzalnem motoričnem jedru solitarnega trakta in področju postrema,
predvsem v področjih možganov, ki so odgovorni za slabost in bruhanje. V perifernem
živčnem sistemu se nahaja na ganglionalnih avtomatičnih nevronih in nevronih senzoričnega
nevronskega sistema. Regulira črevesno peristaltiko in izločanje, kardiovaskularni ter urinalni
sistem, aktivacija receptorjev pa sproži izpust živčnih prenašalcev dopamina, kolecistokianina
in GABA.
Receptor gradi 5 simetričnih podenot; navadno gre za homopentamer iz 5-HT3a podenot ali
pa heteropentamer iz 5-HT3a in b podenot. Poleg teh so znane še podenote 5-HT3c, d in e,
katerih vloga pa je še neraziskana Vsaka kombinacija podenot daje drugačen fiziološki odziv.
Njegova pora je prepustna in selektivna za Na+ in K+ in inhibira živčno vzdraženje.
Poznanih je veliko antagonistov 5-HT3: mofrin, kokain, bemesetron, tropisetron,.. veliko
antagonistov je tudi sterolov (hormoni kot so progesteron in 17β estradiol) in anaestetikov. Na
delovanje kanala zelo vplivajo dvovalentni ioni (Ca2+, Mg2+) in alkohol. Nekateri izmed
antagonistov so uspešno uporabljeni za terapevtske namene za zdravljenje shizofrenije in
bipolarne motnje, zdravljenje od zasvojenosti, najbolj uporabni po so za zdravljenje sindroma
razdražljivega črevesja in za blaženje posledic kemoterapije (A. J. Thompson in sod., 2006; D.
Hoyer in sod., 2001; N. M. Barnes, 1999).
8
3.5
GLUTAMATNI RECEPTORJI
Glutamat je pomembna aminokislina in ekscitatorni živčni prenašalec možganov. Je ligand za
štiri ionotropne receptorje (GluR), poimenovane po njihovih najpomembnejših agonistih:
NMDA, AMPA, kainatni in delta receptor. Prepustni so za Na+ in Ca2+ ione.
Receptorji tvorijo tetramere iz ekstracelularne domene LB, ki je vezavno mesto za glutamat,
ekstracelularne ATD domene, ki ima povezovalno vlogo, transmembranske TMD domene in
intracelularne globularne domene. Vsaka podenota tetramera ima 2 vezavni LBD mesti za
vezavo glutamata. Samo dve od the mest na tetrameru morajo biti zasedene, da se odpre
ionski kanal, skozi katerega prehajajo kationi.Vsaka TMD podenota je sestavljena iz treh alfa
vijačnic in ene polovične vijačnice z zanko, skupno pa tvorijo kanal.
Receptorji so pomembni za možgansko plastičnost. NMDA in AMDA sta nameščena
postsinaptično. Povečini aktivacija NMDA receptorjev povzroči daljšo spremembo v moči
sinaptičnega prenosa AMPA receptorjev. Za delovanje potrebuje NR1. Od vezane različice
ND1 je odvisen čas odprtja pore. Za NMDA je značilna tudi napetostno odvisna blokada z
Mg2+, v prisotnosti koagonista glicina, premaga pa se z depolarizacijo mirovnega
membranskega potenciala. AMDA imajo manjšo afiniteto, a hitrejšo kinetiko odziva na
glutamat kot NMDA. Odgovorni so za aktivacijo protein tirozin kinaze Lyn in nastanek
kompleksa EPSP. Kainatni receptorji pa so nameščeni presinaptično in so induktorji za
dolgoročne spremembe sinaptičnega prenosa.
Znani so mnogi antagonisti glutamata. α-aspartat, sulfonski in sulfinski analogi. Glicin
oziroma D-serin sta koagonista NMDA receptorja v področju čela oziroma malih možganov.
Glutamat je pomemben za diferenciacijo, migracijo in preživetje živčnih celic. Na drugi strani
je lahko vpleten v nevrodegenerativne bolezni. Prvič, glutamat je najpogostejša sestavina diet
in je v prevelikih količinah, zaužitih na primer z določenimi vrstami organizmov, dietno
toksičen. Nevronski glutamat pa je povezan z odmiranjem živčnih celic in mnogimi
nevrodegenerativnimi boleznimi. Tudi hud stres lahko privede do celične smrti nevronov. Ob
vdoru Na+ in Ca2+ skozi LIGC, povišana intracelularna koncentracija Ca2+ sproži delovanje
proteaz, endonukleaz,..ki pospešijo poškodbe celičnih sestavin. Prav tako lahko že ena
mutacija v genih, vpletenih v glutamatni pretok, sproži možgansko občutljivost na glutamat.
Glutamatne sinapse so tarča za zdravila za številne nevrološke in psihološke motnje:
9
epilepsija, amnezija, kapi, motorične nevronske bolezni, travmatske poškodbe možganov,
bolečino, anksioznost in psihozo (B. S. Meldrum in sod., 2000).
4.
ZAKLJUČEK
Ionotropni receptorji sodelujejo pri hitrem prenosu informacije v možganih. Živčni prenos
bodisi ojačajo ali zavrejo. Med seboj imajo veliko skupnega. Njihov ligand je živčni
prenašalec, ki sproži konformacijske spremembe, odprtje ali zaprtje pore in s tem spremembo
pretoka selektivnega iona. Vsi imajo podobno tetra- ali pentamerno strukturo, ki tvori
ekstracelularno in ligand-vezavno domeno, transmembransko poro, prepustno za selektiven
ion, in intracelularno domeno za prenos in regulacijo signala. Motnje v delovanju vodijo ali
pripomorejo k nastanku nevrodegenerativnih bolezni, v veliko primerih pa jih lahko zdravimo
ravno z antagonisti ionotropnih receptorjev.
10
5.
VIRI
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Ligand-gated_ion_channel
2. Mechanisms of channel gating of the ligand-gated ion channel superfamily inferred
from protein structure. Nathan L. Absalom et al. Experimental Psihology. Australia
2010.
3. Ligand-gated ion channels: mechanisms underlying ion selectivity. Angelo Keramidas
et al. Progress in Biophysics & Molecular Biology. 2004.
4. http://sites.sinauer.com/neuroscience5e/animations05.03.html
5. Structure, Function, and Modulation of GABAA Receptors. Erwin Sigel, Michael E.
Steinmann. The journal of Biological Chemistry. Oktober 2012.
6. Extrasynpatic GABAA Receptors : their functions in the CNS and Implications for
Disease. Stephen G. Brickely and Istvan Mody. Cell press. Januar 2012.
7. http://www.ebi.ac.uk/interpro/potm/2005_11/Page2.htm
8. Mammalian Nicotinic Acetylcholine Receptors: From Structure to Function. Edson X.
Albuquerque et al. Ncbi. Januar 2009.
9. http://www.columbia.edu/cu/cmr/karlinresearch.html
10. Nicotinic Acetylcholine Receptors and Alzheimer's Disease Therapeutics: A Review
of Current Literature. Sean Georgi. Journal of young investigators. Februar 2005.
11. GABAergic dysfunction in mood disorders. P. Brambilla et al. Molecular Psychiatry.
Januar 2003.
12. Molecular structure and function of the glycine receptor chloride channel. J. W.
Lynch. Physiol. Rev. Oktober 2004.
13. Structure and function of the glycine receptor and related nicotinoidic receptors. M.
Cascio. The journal of biological chemistry. Maj 2004.
14. 5-HT3 receptors. A. J. Thompson, S. C. R. Lummis. Curr Pharm Des. December
2006.
15. Molecular, pharmacological and functional diversity of 5-HT receptors. D. Hoyer et
al. Pharmacology, Biochemistry and Behviour. 2002.
16. A review of central 5-HT receptors and their function. N. M. Barnes, T. Sharp.
Neuropharmacology. Januar 1999.
17. Glutamate and glutamine in the brain: review of physiology and patology. B. S.
Meldrum. American society for nutritional sciences. 2000.
11