Canale del calcio di tipo P - P-type calcium channel
Il canale del calcio di tipo P è un tipo di canale del calcio voltaggio-dipendente . Simile a molti altri canali del calcio ad alta tensione, la subunità α1 determina la maggior parte delle proprietà del canale. La "P" indica le cellule cerebellari di Purkinje , riferendosi al sito iniziale di scoperta del canale. I canali del calcio di tipo P svolgono un ruolo simile al canale del calcio di tipo N nel rilascio di neurotrasmettitori al terminale presinaptico e nell'integrazione neuronale in molti tipi neuronali.
Storia
Gli esperimenti sui canali del calcio che hanno portato alla scoperta dei canali del calcio di tipo P sono stati inizialmente completati da Llinás e Sugimori nel 1980. I canali del calcio di tipo P sono stati nominati nel 1989 perché sono stati scoperti all'interno dei neuroni di Purkinje dei mammiferi . Sono stati in grado di utilizzare una preparazione in vitro per esaminare le correnti ioniche che spiegano le proprietà elettrofisiologiche delle cellule di Purkinje . Hanno scoperto che ci sono potenziali d'azione dipendenti dal calcio che salgono lentamente e scendono rapidamente per poi subire un'iperpolarizzazione . I potenziali d'azione erano voltaggio dipendenti e i potenziali postiperpolarizzanti erano collegati agli spike burst, situati all'interno dei dendriti delle cellule di Purkinje. Senza flusso di calcio nelle cellule di Purkinje, i potenziali d'azione si attivano sporadicamente ad alta frequenza.
Caratteristiche e struttura di base
canale del calcio, voltaggio-dipendente, tipo P/Q, subunità alfa 1A | |||||||
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Identificatori | |||||||
Simbolo | CACNA1A | ||||||
Alt. simboli | Cav2.1 , CACNL1A4, SCA6, MHP1, MHP | ||||||
IUPHAR | 532 | ||||||
gene NCBI | 773 | ||||||
HGNC | 1388 | ||||||
OMIM | 601011 | ||||||
SeqRif | NM_000068 | ||||||
UniProt | O00555 | ||||||
Altri dati | |||||||
luogo | Cr. 19 p13 | ||||||
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I canali del calcio di tipo P sono canali del calcio voltaggio-dipendenti classificati sotto il canale di classe attivato ad alta tensione, insieme ai canali di tipo L, N, Q e R. Questi canali richiedono una forte depolarizzazione per essere attivati. Si trovano ai terminali degli assoni, così come nelle aree somatodendritiche dei neuroni all'interno del sistema nervoso centrale e periferico. I canali del calcio di tipo P sono anche fondamentali per il rilascio delle vescicole , in particolare i neurotrasmettitori e gli ormoni ai terminali sinaptici delle sinapsi eccitatorie e inibitorie .
I canali del calcio di tipo P voltaggio-dipendenti sono costituiti da una subunità α1 principale che forma i pori (che è più specificamente indicata come CaV2.1 ), una subunità α2 e una subunità β. Possono essere presenti subunità nei canali del calcio dei muscoli scheletrici. La subunità α1 è codificata specificamente dal gene CACNA1A ed è composta da quattro domini, ciascuno contenente sei transmembrana (S1-S6) che attraversano α eliche. Si pensa che l' anello S1-S2 e la regione S6 siano responsabili dell'inattivazione del canale, la regione S4 funge da sensore di tensione e l'anello S5-S6 forma il poro. Ci sono sette subunità all'interno della subunità α1. La subunità A, chiamata α1ACa2+, corrisponde a quelle che vengono definite funzionalmente come isoforme di tipo P e di tipo Q. I canali del calcio di tipo P e Q sono strettamente correlati poiché sono prodotti dallo stesso gene tramite splicing alternativo. Come complicazione dello splicing alternativo, i canali di tipo P e di tipo Q possono avere diverse composizioni di subunità. La subunità β regola la cinetica e l'espressione del canale, insieme alla subunità α2δ.
Distribuzione del canale
La maggior parte dei canali del calcio di tipo P si trova nel sistema nervoso e nel cuore. L'etichettatura degli anticorpi è il metodo principale utilizzato per identificare la posizione del canale.
Le aree di alta espressione nei sistemi dei mammiferi includono:
- dendriti delle cellule di Purkinje
- Reticolo endoplasmatico liscio
- Membrana plasmatica del soma (corpo cellulare)
- Cellule periglomerulari nel bulbo olfattivo
- Corteccia cerebellare
- Neuroni nel tronco cerebrale , corteccia entorinale e piriforme e habenula .
Blocca canali
I calcioantagonisti di tipo P agiscono per impedire il flusso di calcio. Il blocco delle correnti di calcio può far sì che l'organismo subisca un'alterazione del funzionamento e della vitalità. Questi effetti possono portare a varie malattie che sono descritte più dettagliatamente nella sezione seguente.
I pori dei canali del calcio di tipo P sono sensibili ai composti che possono essere suddivisi in tre gruppi:
- Bloccanti dei canali ionici peptidici
- Composti a basso peso molecolare
- Terapeutico
Ci sono solo due tossine peptidiche che bloccano selettivamente i canali di tipo P: -agatossina IVA e ω-agatossina IVB. Gli altri bloccanti menzionati, come i bloccanti a basso peso molecolare e terapeutici, non sono selettivi. Ciò significa che possono agire sui canali di tipo P e su altri canali.
Tossina peptidica selettiva -agatossina
I due bloccanti noti che sono specifici per i canali del calcio di tipo P sono peptidi derivati dal veleno di ragno di Agelenopsis aperta . Le tossine di questo veleno che mostrano selettività per i canali di tipo P sono -agatossina IVA e ω-agatossina IVB. Ognuna di queste tossine peptidiche è composta da 48 amminoacidi legati da quattro legami disolfuro . Sebbene la -agatossina IVA e la -agatossina IVB abbiano la stessa affinità e selettività per i canali di tipo P, la loro cinetica è diversa. La -agatossina IVA influenza il meccanismo di gating del canale di tipo P. Quando c'è una forte depolarizzazione per attivare il canale, la -agatossina IVA non può più bloccare il canale. Pertanto, la ω-agatossina IVA ha un'affinità molto bassa per il canale quando è aperto. Si lega alla subunità α 1A all'esterno del poro. Il recettore -agatossina IVA sul canale di tipo P si trova nel linker S3-S4. D'altra parte, il blocco dei canali da parte della -agatossina IVB avviene molto più lentamente. Tuttavia, simile alla -agatossina IVA, la ω-agatossina IVB non può legarsi al canale in caso di forte depolarizzazione.
Tossine peptidiche non selettive
- La ω-Grammotoxin SIA è una tossina peptidica derivata dal veleno del ragno Grammostola spatulata . Agisce per modificare il P-tipo di canale gating .
- -PnTx3-3, PnTx3-3 e la fonetossina IIA sono tutte tossine del ragno Phonoetrica nigriventer che agiscono per bloccare la corrente attraverso i canali del calcio di tipo P.
- DW13.3 è una tossina peptidica del ragno Filistata hibernalis ed è composta da 74 amminoacidi. Funziona anche per bloccare la corrente attraverso i canali del calcio di tipo P.
- ω- Le conotossine derivano dal veleno delle lumache dei coni . La -conotossina MVIIC agisce all'interno dei neuroni piramidali CA1 dell'ippocampo per bloccare i canali di tipo P. Inoltre, all'interno dei neuroni CA3 dell'ippocampo, questa tossina blocca la trasmissione sinaptica . I suoi effetti sono lenti.
- La calcicludina deriva dal veleno del Dendroaspis angusticeps , che è un mamba verde . Ha la capacità di bloccare i canali di tipo P in modo dipendente dalla tensione.
- La kurotossina deriva dal veleno dello scorpione Parabuthus . Nei neuroni del talamo , la curtossina riduce le correnti di calcio ad alta soglia , tuttavia, nelle cellule di Purkinje , aumenta le correnti di calcio.
Bloccanti dei canali di tipo P a basso peso molecolare
I bloccanti dei canali a basso peso molecolare presentano vantaggi rispetto ai bloccanti peptidici nello sviluppo di farmaci. Un vantaggio dei bloccanti dei canali a basso peso molecolare è che possono penetrare nei tessuti , il che è importante per attraversare la barriera emato-encefalica . Non esiste uno specifico bloccante dei canali a basso peso molecolare per i canali di tipo P. Tuttavia, ci sono un certo numero di questi composti bloccanti che possono influenzare l'attività dei canali di tipo P. Questi includono:
- La roscovitina è un inibitore della chinasi ciclina-dipendente . Aumenta la corrente di calcio negli interneuroni neostriatali rallentando la disattivazione del canale. Inoltre, la roscovitina può agire come agonista o antagonista per i canali del calcio di tipo P nella membrana presinaptica.
- L'isoprenalina è un agonista dei recettori -adrenergici e provoca un aumento della corrente dei canali del calcio di tipo P. L'isoprenalina agisce attraverso una via di segnalazione del cAMP .
- Eliprodil e antazolina sono antagonisti del recettore NMDA e agiscono bloccando i canali di tipo P. Eliprodil può ridurre le correnti del canale di tipo P nei neuroni di Purkinje nel cervelletto .
- La dodecilamina può bloccare i canali di tipo P solo quando sono nello stato aperto.
- L'etanolo può bloccare i canali di tipo P quando è a una concentrazione sufficientemente alta. Il blocco dei canali di tipo P potrebbe essere la causa dell'atassia quando si beve alcolici .
Terapeutico
Esistono terapie utilizzate clinicamente che possono influenzare l'attività dei canali del calcio di tipo P. Tuttavia, non si ritiene che l' obiettivo principale di queste terapie siano i canali di tipo P. Ad esempio, i calcioantagonisti , che sono usati per trattare la malattia coronarica , l' ipertensione e l'aritmia cardiaca , agiscono inibendo i canali del calcio di tipo L o T. Alcuni di questi calcioantagonisti includono verapamil , diltiazem , amlodipina , benidipina , cilnidipina , nicardipina e barnidipina . Sebbene il loro obiettivo principale non siano i canali di tipo P, questi calcioantagonisti agiscono anche per bloccare la funzione dei canali di tipo P. Inoltre, la flunarizina è un altro calcioantagonista usato per trattare l' emicrania . I suoi obiettivi principali sono i canali del calcio voltaggio-dipendenti e i canali del sodio . La flunarizina inibisce i canali di tipo P che si trovano nelle sezioni neocorticali . Funziona per inibire il flusso interno di calcio. Le emicranie che aiuta a prevenire sono dovute a mutazioni all'interno del gene "cacna1a" della subunità del canale di tipo P. Inoltre, è stato dimostrato che i composti che bloccano i canali di tipo P aiutano con le convulsioni . Le crisi epilettiche sono causate da un aumento della neurotrasmissione , che è in parte il risultato dei canali di tipo P. Composti come levetiracetam , lamotrigina e carbamazepina sono noti per bloccare i canali di tipo P, che hanno contribuito a ridurre l'insorgenza di convulsioni. Nel complesso, ci sono vari calcio-antagonisti non selettivi che aiutano ad alleviare i sintomi di ipertensione , schizofrenia , aritmia cardiaca , epilessia , dolore , asma , bradicardia , angina pectoris e morbo di Alzheimer . Sebbene molti dei principali bersagli dei composti terapeutici non siano i canali di tipo P, ulteriori ricerche devono determinare se gli effetti clinici di questi composti sono influenzati anche dal blocco del canale di tipo P.
malattie correlate
Ci sono un certo numero di malattie neurologiche che sono state attribuite a canali di tipo P/Q malfunzionanti o mutati.
Il morbo di Alzheimer
Nella malattia di Alzheimer , c'è un progressivo accumulo di proteina -amiloide (Aβ) nel cervello. Si sviluppano placche amiloidi che provocano i sintomi chiave della malattia di Alzheimer. La proteina globulomero Aβ è una sostanza artificiale utilizzata negli esperimenti di ricerca che ha proprietà simili all'oligomero Aβ presente nel corpo. L'oligomero Aβ regola direttamente i canali del calcio di tipo P/Q. La subunità α1A è responsabile della conduzione della corrente di calcio. Quando solo i canali del calcio di tipo P/Q sono presenti con la proteina globulomero Aβ, c'è un effetto diretto sulla subunità α1A e si traduce in un aumento della corrente di calcio attraverso il canale del calcio di tipo P/Q. La risposta è dose dipendente poiché sono necessarie concentrazioni di 20nM e 200nM di globulomero Aβ per un aumento significativo della corrente di calcio attraverso il canale negli ovociti di Xenopus , dimostrando che è necessario un certo accumulo di globulomero Aβ prima che si vedano gli effetti. Quando la corrente di calcio aumenta, aumenta anche il rilascio di neurotrasmettitori , offrendo una possibile causa per la tossicità nei pazienti con malattia di Alzheimer.
Emicrania
Il gene CACNA1A codifica per la subunità alfa del canale del calcio di tipo P/Q. La mutazione R192Q del gene CACNA1A è una mutazione con guadagno di funzione per i recettori P2X3. I recettori P2X3 sono presenti nei neuroni del ganglio del trigemino e si ritiene che siano uno dei principali responsabili dell'emicrania emiplegica familiare . Usando un esperimento knockin , questa mutazione potrebbe essere espressa nei topi in modo da poter condurre la ricerca. Il topo mutante ha un'attività del recettore P2X3 significativamente più alta rispetto al topo wild type a causa della maggiore probabilità di apertura del canale e dell'attivazione del canale a voltaggi più bassi. Questa maggiore attività del recettore si traduce in un flusso più elevato di calcio attraverso il canale del calcio di tipo P/Q. L'aumento della concentrazione intracellulare di calcio può contribuire al dolore trigemino acuto che tipicamente provoca un mal di testa. L'evidenza supporta che le emicranie sono un disturbo dell'eccitabilità cerebrale caratterizzato da una regolazione carente dell'equilibrio eccitatorio-inibitorio corticale.
Convulsioni
Il levetiracetam è un farmaco antiepilettico che può essere usato per trattare le crisi parziali e generalizzate . Levetiracetam inibisce canale mediata P / Q glutammato rilascio e riduce le correnti eccitatorie postale sinaptiche sia AMPA e NMDA nel ippocampo , specificamente le giro dentato , che è noto per attività convulsivi propagarsi. L'inibizione del rilascio di glutammato si traduce in una risposta antiepilettica nei pazienti perché diminuisce la corrente postsinaptica eccitatoria. Esistono molti tipi diversi di canali del calcio, quindi per dimostrare che i canali del calcio di tipo P/Q sono direttamente coinvolti , è stato utilizzato un inibitore dei canali del calcio voltaggio-dipendente di tipo P/Q, l' omega-agatossina TK , per bloccare il canale. Una volta bloccati, i pazienti non hanno più beneficiato degli effetti antiepilettici dei farmaci. Quando sono stati utilizzati bloccanti per i canali del calcio di tipo L e N , gli effetti di Levetiracetam sono stati ancora osservati. Questa è una forte evidenza che i canali del calcio di tipo P/Q sono coinvolti nel trattamento con Levetiracetam che consente il sollievo dalle convulsioni.
Studi sulle mutazioni
Molte mutazioni dei canali del calcio di tipo P determinano una diminuzione del livello di calcio libero intracellulare. Il mantenimento dell'omeostasi del calcio è essenziale per i neuroni normalmente funzionanti. La modifica della concentrazione di ioni calcio cellulare funge da innesco per più malattie, nei casi più gravi queste malattie possono provocare la morte neuronale di massa.
Gli studi sulle mutazioni consentono agli sperimentatori di studiare le canalopatie ereditate geneticamente . Una canalopatia è qualsiasi malattia che deriva da un canale ionico con subunità o proteine regolatrici malfunzionanti. Un esempio di canalopatia dei canali del calcio di tipo P è mostrato in topi atassici omozigoti , che sono recessivi sia per i geni vacillanti che per quelli più magri . Questi topi presentano mutazioni nella subunità alfa1A dei loro canali di tipo P/Q. Le mutazioni in questi canali provocano carenze all'interno delle cellule cerebellari di Purkinje che riducono drasticamente la densità di corrente dei canali.
Le mutazioni vacillanti all'interno dei topi derivano da una mutazione missenso e causano l'insorgenza ritardata di convulsioni e atassia. La mutazione vacillante sostituisce una singola prolina invece di una leucina all'interno della regione P del canale. La regione P è responsabile della formazione del poro del canale ionico . È stato dimostrato che la mutazione più snella , che provoca sintomi più gravi rispetto alla mutazione barcollante , deriva da una sostituzione di un singolo nucleotide che causa errori di splicing all'interno del frame di lettura aperto dei canali. Le mutazioni nella subunità che forma i pori dei canali del calcio di tipo P causano atassia, respirazione gravemente alterata, diminuendo la ventilazione minuto e producendo sintomi associati all'atelettasia . È stato anche dimostrato che le mutazioni di Ca V 2.1 influenzano la trasmissione all'interno del complesso pre-Bötzinger , un gruppo di interneuroni nel tronco cerebrale che aiutano a regolare la respirazione.