Ацетилхолиновый рецептор: структура, типы и функции.

Введение

Интегральный мембранный белок

Ацетилхолиновый рецептор (сокращенно AChR) или холинергический рецептор — это интегральный мембранный белок, который реагирует на связывание ацетилхолина, нейромедиатора.

Классификация

Как и другие трансмембранные рецепторы, ацетилхолиновые рецепторы классифицируются в соответствии с их "фармакологией", то есть по их относительной аффинности и чувствительности к различным молекулам. Хотя все ацетилхолиновые рецепторы, по определению, реагируют на ацетилхолин, они также реагируют и на другие молекулы. Никотиновые ацетилхолиновые рецепторы (nAChR, также известные как "ионотропные" ацетилхолиновые рецепторы) особенно чувствительны к никотину. Никотиновый ACh-рецептор также является каналом для ионов Na+, K+ и Ca2+. Мускариновые ацетилхолиновые рецепторы (mAChR, также известные как "метаботропные" ацетилхолиновые рецепторы) особенно чувствительны к мускарину. Никотиновые и мускариновые рецепторы – два основных типа "холинергических" рецепторов.

Типы рецепторов

Молекулярная биология показала, что никотиновые и мускариновые рецепторы принадлежат к различным суперсемействам белков. Никотиновые рецепторы представлены двумя типами: Nm и Nn. Nm локализуется в нервно-мышечном синапсе, вызывая сокращение скелетных мышц посредством потенциала концевой пластинки (EPP). Nn вызывает деполяризацию в автономных ганглиях, что приводит к постганглионарному импульсу. Никотиновые рецепторы стимулируют высвобождение катехоламинов из мозгового вещества надпочечников, а также вызывают локальное возбуждение или торможение в головном мозге. И Nm, и Nn связаны с натриевыми (Na+) и кальциевыми (Ca2+) каналами, но Nn также связан с дополнительным калиевым (K+) каналом.

nAChR

nAChR являются лиганд-зависимыми ионными каналами и, как и другие представители суперсемейства лиганд-зависимых ионных каналов с "цистеиновым циклом", состоят из пяти белковых субъединиц, симметрично расположенных вокруг центрального канала, подобно расположению ребер вокруг бочки. Состав субъединиц значительно варьируется в разных тканях. Каждая субъединица содержит четыре трансмембранных домена, состоящих примерно из 20 аминокислот. Домен II, расположенный ближе всего к просвету канала, формирует его внутреннюю выстилку. Связывание ацетилхолина с N-концами каждой из двух альфа-субъединиц вызывает поворот всех M2-спиралей на 15°. На цитоплазматической стороне рецептора nAChR имеются кольца с высоким отрицательным зарядом, которые определяют специфичность рецептора к катионам и удаляют гидратную оболочку, обычно окружающую ионы в водном растворе. В промежуточной области рецептора, внутри просвета канала, остатки валина и лейцина (Val 255 и Leu 251) формируют гидрофобную область, через которую должен проходить дегидратированный ион. nAChR локализуется на краях синаптических складок в нейромышечном синапсе на постсинаптической стороне и активируется высвобождением ацетилхолина в синаптическую щель. Диффузия Na+ и K+ через рецептор вызывает деполяризацию, формируя потенциал концевой пластинки, который открывает потенциал-зависимые натриевые каналы, что позволяет генерировать потенциал действия и, как следствие, мышечное сокращение.

mAChR

В отличие от них, mAChR не являются ионными каналами, а принадлежат к суперсемейству G-белок-связанных рецепторов, которые активируют другие ионные каналы посредством каскада вторичных посредников. Мускариновый холинергический рецептор активирует G-белок при связывании с внеклеточным ACh. Альфа-субъединица G-белка активирует гуанилатциклазу (ингибируя действие внутриклеточного цАМФ), в то время как бета-гамма-субъединица активирует калиевые каналы и, следовательно, гиперполяризует клетку. Это приводит к уменьшению сердечной активности.

Происхождение и эволюция

АCh-рецепторы связаны с GABA, глицином и 5-HT3 рецепторами, и их схожая последовательность белков и структура генов убедительно свидетельствуют о том, что они произошли от общего предкового рецептора. Фактически, относительно небольшие мутации, такие как изменение всего в 3 аминокислоты во многих из этих рецепторов, могут превратить катион-селективный канал в анион-селективный канал, активируемый ацетилхолином, что демонстрирует, что даже фундаментальные свойства могут относительно легко изменяться в ходе эволюции.

Роль в здоровье и болезнях

Никотиновые ацетилхолиновые рецепторы могут быть заблокированы кураре, гексаметанием и токсинами, содержащимися в ядах змей и моллюсков, такими как α-бунгаротоксин. Препараты, такие как нейромышечные блокаторы, обратимо связываются с никотиновыми рецепторами в нейромышечном синапсе и обычно используются в анестезии. Никотиновые рецепторы являются основными медиаторами эффектов никотина. При миастении гравис рецептор в нейромышечном синапсе становится мишенью для антител, что приводит к мышечной слабости. Мускариновые ацетилхолиновые рецепторы могут быть заблокированы препаратами атропин и скополамин. Врожденный миастенический синдром (ВМС) – это наследственное нейромышечное расстройство, вызванное дефектами различных типов в нейромышечном синапсе. Постсинаптические дефекты являются наиболее частой причиной ВМС и часто приводят к аномалиям в никотиновых ацетилхолиновых рецепторах. Большинство мутаций, вызывающих ВМС, обнаруживаются в генах субъединиц AChR. Более половины всех мутаций, связанных с ВМС, – это мутации в одном из четырех генов, кодирующих субъединицы рецептора ацетилхолина взрослых особей. Мутации AChR часто приводят к дефициту концевой пластинки. Большинство мутаций AChR происходят в гене CHRNE, а мутации, кодирующие α5-субъединицу никотинового ацетилхолинового рецептора, вызывают повышенную восприимчивость к зависимости. Ген CHRNE кодирует эпсилон-субъединицу AChR. Большинство мутаций являются аутосомно-рецессивными мутациями, приводящими к потере функции, и в результате возникает дефицит AChR в концевой пластинке. CHRNE связан с изменением кинетических свойств AChR. Один из типов мутаций эпсилон-субъединицы AChR вводит аргинин (Arg) в связывающий участок на границе α/ε-субъединиц рецептора. Добавление катионного Arg в анионную среду связывающего участка AChR значительно снижает кинетические свойства рецептора. Результатом введения Arg является 30-кратное снижение аффинности агониста, 75-кратное снижение эффективности открытия канала и крайне низкая вероятность открытия канала. Этот тип мутации приводит к крайне тяжелой форме ВМС.

Nicotinic acetylcholine receptors can be blocked by curare, hexamethonium and toxins present in the venoms of snakes and shellfishes, like α bungarotoxin. Drugs such as the neuromuscular blocking agents bind reversibly to the nicotinic receptors in the neuromuscular junction and are used routinely in anaesthesia. Nicotinic receptors are the primary mediator of the effects of nicotine. In myasthenia gravis, the receptor at the neuromuscular junction is targeted by antibodies, leading to muscle weakness. Muscarinic acetylcholine receptors can be blocked by the drugs atropine and scopolamine. Congenital myasthenic syndrome (CMS) is an inherited neuromuscular disorder caused by defects of several types at the neuromuscular junction. Postsynaptic defects are the most frequent cause of CMS and often result in abnormalities in nicotinic acetylcholine receptors. The majority of mutations causing CMS are found in the AChR subunits genes. Out of all mutations associated with CMS, more than half are mutations in one of the four genes encoding the adult acetylcholine receptor subunits. Mutations of the AChR often result in endplate deficiency. Most of the mutations of the AChR are mutations of the CHRNE gene with mutations encoding for the Alpha5 Nicotinic Acetylcholine Receptor cause increased susceptibility to addiction. The CHRNE gene codes for the epsilon subunit of the AChR. Most mutations are autosomal recessive loss of function mutations and as a result there is endplate AChR deficiency. CHRNE is associated with changing the kinetic properties of the AChR. One type of mutation of the epsilon subunit of the AChR introduces an Arg into the binding site at the α/ε subunit interface of the receptor. The addition of a cationic Arg into the anionic environment of the AChR binding site greatly reduces the kinetic properties of the receptor. The result of the newly introduced ARG is a 30 fold reduction of agonist affinity, 75 fold reduction of gating efficiency, and an extremely weakened channel opening probability. This type of mutation results in an extremely fatal form of CMS.