Большие калиевые каналы BK: структура, функция и регуляция.

Введение

Семейство транспортных белков

BK-каналы (большие калиевые), – это калийные каналы с высокой проводимостью, также известные как Maxi K, slo1 или Kca1.1. BK-каналы являются вольтаж-зависимыми калийными каналами, которые проводят большое количество ионов калия (K+) через клеточную мембрану, что и отражено в их названии – «большие калиевые». Эти каналы могут быть активированы (открыты) как электрически, так и увеличением концентрации Ca2+ в клетке. BK-каналы участвуют в регуляции физиологических процессов, таких как циркадные поведенческие ритмы и возбудимость нейронов. Благодаря своей повсеместности, BK-каналы вовлечены во многие процессы в организме. Они имеют тетрамерную структуру, состоящую из трансмембранного домена, домена, чувствительного к напряжению, домена калийного канала и цитоплазматического C-концевого домена, для которых имеется множество рентгеноструктурных данных. Их функция заключается в реполяризации мембранного потенциала за счет обеспечения выхода ионов калия в ответ на деполяризацию или повышение уровня кальция.

Структура

Структурно каналы BK гомологичны калийным каналам, активируемым напряжением и лигандом, имея датчик напряжения и пору в качестве трансмембранных доменов, а также цитозольный домен для связывания внутриклеточного кальция и магния. Домен, чувствительный к напряжению, и домен, формирующий пору, совместно именуются трансмембранными доменами и формируются трансмембранными сегментами S1-S4 и S5-S6 соответственно. В спирали S4 содержится ряд положительно заряженных аминокислотных остатков, служащих первичным датчиком напряжения. Каналы BK весьма похожи на калийные каналы, активируемые напряжением, однако в каналах BK только один положительно заряженный остаток (Arg213) участвует в восприятии напряжения через мембрану и обеспечении чувствительности к напряжению. Цитозольный домен состоит из двух доменов RCK (регулятор проводимости калия) – RCK1 и RCK2. Эти домены содержат два сайта связывания Ca²⁺ с высокой аффинностью: один – в домене RCK1, а другой – в области, называемой «чашей Ca²⁺», которая состоит из ряда остатков аспарагиновой кислоты (Asp), расположенных в домене RCK2. Сайт связывания Mg²⁺ расположен между VSD и цитозольным доменом, формируясь остатками Asp в петле S0-S1, остатками аспарагина в цитозольном конце S2 и остатками глутамина в RCK1. Ингибирование активности канала BK посредством фосфорилирования S695 протеинкиназой C (PKC) зависит от фосфорилирования S1151 в C-конце альфа-субъединицы канала. Для успешного ингибирования достаточно одного из этих фосфорилирований в тетрамерной структуре. Протеинфосфатаза 1 противодействует фосфорилированию S695. PKC снижает вероятность открытия канала, сокращая время открытия канала и удлиняя закрытое состояние канала. PKC не влияет на одноканальную проводимость, зависимость от напряжения или чувствительность к кальцию каналов BK. Напряжение и кальций активируют каналы BK посредством двух параллельных механизмов, при этом датчики напряжения и сайты связывания Ca²⁺ соединяются с воротами активации независимо друг от друга, за исключением слабого взаимодействия между этими механизмами. «Чаша Ca²⁺» ускоряет кинетику активации при низких концентрациях Ca²⁺, в то время как сайт RCK1 влияет как на кинетику активации, так и на деактивации. Эта модуляция синаптической передачи и электрического возбуждения на клеточном уровне обусловлена экспрессией каналов BK в сочетании с другими калийными и кальциевыми каналами. Открытие этих каналов создает направляющую силу к потенциалу равновесия калия и, таким образом, играет роль в ускорении реполяризации потенциалов действия. Роль каналов BK в быстрой фазе постгиперполяризационного потенциала (AHP) была широко изучена в гиппокампе. В клетках Пуркинье мозжечка содержится большое количество каналов BK, что подчеркивает их роль в координации и функционировании двигательной системы. Также влияют оксид азота и сероводород. Мутации в белках, связанных с каналами BK, или в генах, кодирующих каналы BK, вовлечены во многие заболевания. Нарушение функции каналов BK может проявляться при различных расстройствах, таких как: эпилепсия, рак, диабет, астма и гипертония, а также при гиперактивности мочевого пузыря. Предпринимались попытки разработать синтетические молекулы, воздействующие на каналы BK, однако эти усилия до сих пор оказались в основном безуспешными. Например, BMS 204352, молекула, разработанная компанией Bristol Myers Squibb, не улучшила клинические результаты у пациентов после инсульта по сравнению с плацебо. Однако, агонист каналов BKCa, BMS 204352, показал некоторую эффективность в лечении дефицитов, наблюдаемых у мышей с нокаутом Fmr1 – модели синдрома хрупкой Х-хромосомы. Каналы BK также функционируют как блокаторы при ишемии и являются объектом изучения в контексте их использования в качестве терапии инсульта.

Structurally, BK channels are homologous to voltage and ligand gated potassium channels, having a voltage sensor and pore as the membrane spanning domain and a cytosolic domain for the binding of intracellular calcium and magnesium. The voltage sensing domain and pore gated domain are collectively referred as the membrane spanning domains and are formed by transmembrane segments S1 S4 and S5 S6, respectively. Within the S4 helix contains a series of positively charged residues which serve as the primary voltage sensor. BK channels are quite similar to voltage gated K⁺ channels, however, in BK channels only one positively charged residue (Arg213) is involved in voltage sensing across the membrane. and voltage sensitivity. The Cytosolic domain is composed of two RCK (regulator of potassium conductance) domains, RCK1 and RCK2. These domains contain two high affinity Ca²⁺ binding sites: one in the RCK1 domain and the other in a region termed the Ca²⁺ bowl that consists of a series of Aspartic acid (Asp) residues that are located in the RCK2 domain. The Mg²⁺ binding site is located between the VSD and the cytosolic domain, which is formed by: Asp residues within the S0 S1 loop, Asparagine residues in the cytosolic end of S2, and Glutamine residues in RCK1. Inhibition of BK channel activity by phosphorylation of S695 by protein kinase C (PKC) is dependent on the phosphorylation of S1151 in C terminus of channel alpha subunit. Only one of these phosphorylations in the tetrameric structure needs to occur for inhibition to be successful. Protein phosphatase 1 counteracts phosphorylation of S695. PKC decreases channel opening probability by shortening the channel open time and prolonging the closed state of the channel. PKC does not affect the single channel conductance, voltage dependence, or the calcium sensitivity of BK channels. Voltage and calcium activate BK channels using two parallel mechanisms, with the voltage sensors and the Ca²⁺ bindings sites coupling to the activation gate independently, except for a weak interaction between the two mechanisms. The Ca²⁺ bowl accelerates activation kinetics at low Ca²⁺ concentrations while RCK1 site influences both activation and deactivation kinetics. This modulation of synaptic transmission and electrical discharge at the cellular level is due to BK channel expression in conjunction with other potassium calcium channels. The opening of these channels causes a drive towards the potassium equilibrium potential and thus play a role in speeding up the repolarization of action potentials. The role that BK channels have in the fast phase of AHP has been studied extensively in the hippocampus. There are many BK channels in Purkinje cells in the cerebellum, thus highlighting their role in motor coordination and function. nitric oxide, and hydrogen sulphide. Mutations in the proteins involved with BK channels or genes encoding BK channels are involved in many diseases. A malfunction of BK channels can proliferate in many disorders such as: epilepsy, cancer, diabetes, asthma, and hypertension. and overactive bladder. There have been attempts to develop synthetic molecules targeting BK channels, however their efforts have proven largely ineffective thus far. For instance, BMS 204352, a molecule developed by Bristol Myers Squibb, failed to improve clinical outcome in stroke patients compared to placebo. However, there have been some success from the agonist to BKCa channels, BMS 204352, in treating deficits observed in Fmr1 knockout mice, a model of Fragile X syndrome. BK channels also function as a blocker in ischemia and are a focus in investigating its use as a therapy for stroke.

Будущие направления

Существует множество областей применения терапевтических стратегий, связанных с BK-каналами. Исследования показали, что блокада BK-каналов приводит к увеличению высвобождения нейротрансмиттеров, что открывает перспективы для разработки терапевтических средств, улучшающих когнитивные функции, память и облегчающих депрессию. Поведенческие реакции на алкоголь также модулируются BK-каналами, поэтому более глубокое понимание этой взаимосвязи может способствовать лечению алкогольной зависимости. Окислительный стресс, воздействующий на BK-каналы, может приводить к негативным последствиям, связанным со снижением артериального давления за счет сердечно-сосудистой релаксации, как в процессе старения, так и при различных заболеваниях. Таким образом, данная сигнальная система может быть вовлечена в лечение гипертонии и атеросклероза путем воздействия на α-субъединицу для предотвращения этих неблагоприятных эффектов. Кроме того, известная роль BK-каналов в развитии рака и опухолей изучена недостаточно. В настоящее время существует ограниченное количество знаний о специфических аспектах функционирования BK-каналов, которые могут влиять на опухоли и раковые заболевания. Дальнейшие исследования крайне важны, поскольку они могут привести к значительному прогрессу в разработке методов лечения рака и опухолей. Известно, что эпилепсия возникает из-за чрезмерной возбудимости нейронов, на контроль которой BK-каналы оказывают существенное влияние. Следовательно, углубленное понимание этого механизма может способствовать улучшению лечения эпилепсии. В целом, BK-каналы представляют собой перспективную мишень для будущих фармакологических препаратов, которые могут быть использованы для эффективного лечения различных заболеваний.