Məlumat

8.2: Liqanda qapalı ion kanal reseptorları - Biologiya

8.2: Liqanda qapalı ion kanal reseptorları - Biologiya


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.


Bu cür sürətli reaksiya, məsələn, əzələ hüceyrələrinin qonşu sinir hüceyrəsindən gələn mesaja cavab verdiyi sinir-əzələ birləşmələrində müşahidə olunur. Sinir hüceyrəsi sinir hüceyrəsi ilə "danışdığı" əzələ hüceyrəsi arasındakı boşluq olan sinaptik yarığa bir nörotransmitter siqnalı buraxır. Nörotransmitter siqnal molekullarının nümunələri Şəkil 8.2.2-də göstərilən asetilkolin və serotonindir.


Asetilkolin molekulları sinaptik yarığa (sinaptikdən əvvəlki və sonrakı hüceyrələr arasındakı boşluq) buraxıldıqda, əzələ hüceyrəsinin membranındakı reseptorlarına çatana qədər sürətlə yayılırlar. Asetilkolinin əzələ hüceyrəsinin membranındakı ion kanalı olan reseptoruna bağlanması ion kanalındakı qapının açılmasına səbəb olur. Kanaldan keçən ion axını dərhal membran potensialını dəyişə bilər. Bu da öz növbəsində hüceyrədə başqa dəyişikliklərə səbəb ola bilər. Nörotransmitter siqnalında dəyişikliklərin sürəti, əlinizi isti səthdən nə qədər tez çıxardığınızı düşünəndə aydın görünür. Həssas neyronlar isti səthdə əlinizdən beynə məlumat ötürür və motor neyronları bu cümləni oxumağınızdan daha az vaxt ərzində əli hərəkət etdirmək üçün əzələlərinizə siqnal verir!


Primitiv ATP ilə aktivləşdirilmiş P2X reseptorları: kəşf, funksiya və farmakologiya

Adenozin 5-trifosfat (ATP) biologiyada hər yerdə mövcuddur. Buna görə də təəccüblü deyil ki, orqanizmlər onun bolluğundan və bioloji membranlar arasında passiv diffuziyanın məhdudlaşdırılmasından istifadə edərək ATP üçün çoxşaxəli rollar inkişaf etdirmişlər. Çarpıcı bir rol ATP-nin meydana gəlməsidir vicdanlı ötürücü molekuldur, bununla ATP-nin membranlar arasında hərəkəti birbaşa liqand-reseptor qarşılıqlı əlaqəsi vasitəsilə kimyəvi mesaj kimi xidmət edir. P2X reseptorları mərkəzi və hissiyyatlı neyronlar, damarların hamar əzələləri, endotel və leykositlər daxil olmaqla məməli hüceyrələrində ötürücü ATP-yə sürətli reaksiyalara vasitəçilik edən ligand qapılı ion kanallarıdır. P2X reseptorlarının molekulyar klonlaşdırılması və struktur-funksiya əlaqələrini başa düşməyimiz, protist, erkən heyvan və insan patogen genomları da daxil olmaqla, eksponent olaraq genişlənən genom ardıcıllığı məlumatlarını sorğulamaq üçün ardıcıllıq məlumatı təmin etmişdir. P2X reseptorları indi bir sıra sadə orqanizmlərdən klonlanmış və xarakterizə edilmişdir. Bu cür iş P2X reseptorları ailəsi üçün təəccüblü yeni hüceyrə rollarına və orqanizmlərlə qeyri-adi bir filogeniyaya gətirib çıxardı. DrosophilaC. elegans məməlilərdə mövcud olan digər ümumi ötürücülər üçün ionotrop reseptorları saxlamasına baxmayaraq, xüsusilə P2X reseptorları yoxdur. Bu icmalda P2X reseptorlarının və siqnal molekulu kimi ATP-nin təkamül biologiyası ilə bağlı cari işləri ümumiləşdirəcək, yüksək heyvanlarda və bitkilərdə ATP-nin təsirini nəzərdən keçirərkən bu cür tədqiqatlardan nə çıxarıla biləcəyini müzakirə edəcək və sadə orqanizmlərin eksperimental olaraq necə istismar oluna biləcəyini təsvir edəcək. P2X reseptor funksiyasını daha geniş kontekstdə məlumatlandırın.


Əlavə Oxu

Barnes NM, Hales TG, Lummis SCR, Peters JA (2009). 5-HT3 reseptor - struktur və funksiya arasındakı əlaqə. Neyrofarmakologiya56: 273–284.

Belelli D, Harrison NL, Maguire J, Macdonald RL, Walker MC, Cope DW (2009). Ekstrasinaptik GABAA reseptorlar: forma, farmakologiya və funksiya. J Neurosci29: 12757–12763.

Changeux J-P (2010). Allosterik reseptorlar: elektrik orqanından idrak qabiliyyətinə qədər. Annu Rev Pharmacol Toxicol50: 1–38.

Dunlop J, Bowlby M, Peri R, Vasilyev D, Arias R (2008). Yüksək məhsuldarlıqlı elektrofiziologiya: ion kanallarının müayinəsi və fiziologiyası üçün yeni yaranan paradiqma. Nat Rev Drug Discov7: 358–368.

Hilf RJ, Dutzler R (2009). Pentamerik ligand-qapılı ion kanalı quruluşuna prokaryotik bir perspektiv. Curr Opin Struct Biol19: 418–424.

Jarvis MF, Khakh BS (2009). ATP-qapılı P2X kation kanalları. Neyrofarmakologiya56: 230–236.

Loja D (2009). İonotrop glutamat reseptorlarının farmakologiyası və klonlaşdırılması və idiosinkratik nomenklürün inkişafı tarixi. Neyrofarmakologiya56: 6–21.

Lynch JW (2009). Doğma qlisin reseptorları və onların fizioloji rolları. Neyrfarmakologiya56: 303–309.

Millar NS, Gotti C (2009). Onurğalı nikotinik asetilkolin reseptorlarının müxtəlifliyi. Neyrofarmakologiya56: 237–246.

Miller PS, Smart TG (2010). Cys-loop reseptorlarının bağlanması, aktivləşdirilməsi və modulyasiyası. Trendlər Pharmacol Sci31: 161–174.

Olsen RW, Sieghart W (2009). Beynəlxalq Farmakologiya İttifaqı. LXX. γ-aminobutirik turşunun alt növləriA reseptorlar: alt bölmənin tərkibinə, farmakologiyasına və funksiyasına görə təsnifat. Yeniləyin. Pharmacol Rev60: 243–260.

Surprenant A, Şimali RA (2009). Punerjik P2X reseptorlarında siqnal. Annu Rev Physiol71: 333–359.

Thompson AJ, Lester HA, Lummis SCR (2010). Cys-loop reseptorlarında funksiyanın struktur əsasları. Q Rev Biophys43: 449–499.

Traynelis SF, Wollmuth LP, McBain CJ, Menniti FS, Vance KM, Ogden KK və b. (2010). Glutamat reseptorunun ion kanalları: quruluşu, tənzimlənməsi və funksiyası. Pharmacol Rev62: 405–496.

Walstab J, Rappold G, Niesler B (2010). 5-HT3 reseptorlar: xəstəlikdə rolu və dərmanların hədəfi. Pharmacol Ther128: 146–169.

Yevenes GE, Zeilhofer HU (2011). Glisin reseptorlarının allosterik modulyasiyası. Br J Pharmacol164: 224–236.


Klonlaşdırılmış Qeyri-Onurğalı və Primitiv P2X Reseptorları

Klonlanmış P2X reseptorlarının farmakoloji xüsusiyyətləri Cədvəl 1 və 2-də ümumiləşdirilmişdir.

CƏDVƏL 1. Klonlanmış P2X reseptorlarının agonist həssaslığı.

CƏDVƏL 2. Klonlanmış P2X reseptorlarının antaqonist həssaslığı.

Schistosoma mansoni (Trematod)

İlk qeyri-onurğalı P2X reseptoru insan patogenindən klonlaşdırılıb S. mansoni. Şistosoma parazitar qan tükürükləridir və platyhelminthe cinsinə aid trematodlardır. S. mansoni insanlarda infeksiya bir çox orqanın ciddi zədələnməsinə səbəb ola biləcək xroniki xəstəlik olan şistodomiaza səbəb olur. S. mansoni insan P2X ilə 26% ardıcıl homologiyası olan zülalı kodlayır1–P2X7. İfadə Ksenopus oositləri ATP aktivləşdirilmiş ion kanalı yaradır (SchP2X) ATP-yə EC ilə cavab verir50 22 μM (Agboh et al., 2004). BzATP, məməli P2X-də tam agonist7 reseptorlarda qismən agonist kimi çıxış edir SchP2X, ATP-dən 75% maksimum cavab verir. Daha az təsirli olan BzATP ATP-dən daha güclü olsa da, 4 ºBCM-də yarı-maksimal reaksiyalar doğurur. ATP cavabları oyandırdı SchP2X klassik punerjik reseptor antaqonistləri PPADS və IC ilə suramin tərəfindən inhibə edilir.50 müvafiq olaraq 4 və 10 μM dəyərləri. HEK293 hüceyrələrində keçiricilik tədqiqatları ifadə edir SchP2X kalsium üçün yüksək keçiriciliyi aşkar edir (PCa/PNa = 3.8) məməlilərin P2X reseptorları ilə müqayisə edilə bilər. Kation əvəzetmə təcrübələri aşkar edir SchP2X və məməli P2X reseptorları ion məsamələrinin diametrlərini qoruyub saxlamışdır. Praziquantel şistodomiazın müalicəsində istifadə olunan bir dərmandır. Prazikvantelin təsiri qurdlarda kalsium homeostazına təsir etməsindən asılı olsa da (Kohn və digərləri, 2001), prazikvantel inhibə etmir. SchP2X (Agboh və başqaları, 2004).

Dictyostelium discoideum (Amöba)

Dictyostelium discoideum, torpaqda yaşayan amöba, inkişaf həyat dövrü ərzində birhüceyrəli amöbalar cəmiyyətindən çoxhüceyrəli meyvəli bədənə keçir. Bu eukariot bitkilərdən sonra yaranan və göbələklərin və heyvanların ortaq əcdadı olan Mycetozoa filumuna aiddir. Dictyostelium amöba kemotaksis və faqositoz da daxil olmaqla bir çox heyvan hüceyrəsi xüsusiyyətlərini nümayiş etdirir. Sosial davranışı və kompleks inkişafını idarə edən kimyəvi stimullar Dictyostelium intensiv tədqiqat obyekti olaraq qalır. ATP-nin kəşfindən əvvəl aktivləşdirilmiş P2X reseptorları Dictyostelium nörotransmitterlərin glutamat və GABA-nın orqanizmdə hüceyrə taleyini və inkişafını tənzimləyən mühüm siqnal siqnalları olduğu məlum idi (Fountain, 2010). genomu Dictyostelium beş P2X reseptor homoloqunu kodlayır (DdP2XA-E) insan P2X reseptorları ilə aşağı ilkin ardıcıllıq homologiyasını göstərən. Ailəsi Dictyostelium P2X reseptorları biofizika, struktur-funksiya və fiziologiya baxımından ibtidai P2X reseptor paraloqlarından ən geniş şəkildə öyrənilmişdir. DdP2XA, DdP2XB, və DdP2XE HEK293 hüceyrələrində və ya ifadə edildikdə funksional ATP ilə aktivləşdirilmiş ion kanalları meydana gətirir Ksenop oositlər (Fountain et al., 2007 Ludlow et al., 2009 Baines et al., 2013). HEK293 ifadə edən hüceyrələrdə ATP evoked cərəyanlar aşkar edilə bilər DdP2XD aşağı hüceyrədənkənar Na + eksperimental şəraitdə (Baines et al., 2013), lakin DdP2XC ifadə ya HEK293, ya da funksional ion kanalları istehsal edə bilmir Ksenop oositlər (Ludlow et al., 2009 Baines et al., 2013). ATP tam agonistdir Dictyostelium EC ilə P2X reseptorları50 100� μM aralığında olan dəyərlər. DdP2XA reseptorları ATP və ən çox həssasdır DdP2XE reseptorları ən az həssasdır (Fountain et al., 2007 Ludlow et al., 2009 Baines et al., 2013). αβme-ATP, P2X-də ATP-yə bərabər potensialın tam agonistidir.A və BzATP zəif qismən agonist kimi çıxış edir (Fountain et al., 2007). Maraqlıdır ki, hidrolizə davamlı ATP analoqu βγimido-ATP tam agonistdir. DdPXADdP2XB reseptorları ATP-dən 3 qat daha böyük potensiala malikdir (Fountain et al., 2007 Ludlow et al., 2009). βγimido-ATP-nin çox zəif agonist kimi fəaliyyət göstərdiyi aşkar edilmişdir. DdP2XE reseptorlar. Dictyostelium P2X reseptorları Na + , Ca 2 + üçün sərbəst keçiricidir (PCa/PNa = 1.5 Fountain et al., 2007), K + (PK/PCa = 1.8𠄲.0 Ludlow et al., 2009), NH4 + (PNH4/PCa = 1.8𠄲.0 Ludlow et al., 2009) və kolin (PK/PCa = 0.5𠄰.6 Fountain et al., 2007 Ludlow et al., 2009). Bir sıra kationlara əlavə olaraq, DdP2XADdP2XB də sərbəst şəkildə Cl keçir - ifadə edildikdə Ksenop oositlər (Ludlow et al., 2009). Cl keçiriciliyi - P2X reseptorları arasında adi bir xüsusiyyətdir, lakin unikal deyil. Cücə və insan P2X5 reseptorların da Cl - (Ruppelt et al., 1999 Bo et al., 2003) nüfuz etdiyi bildirilir. Bütün məməli P2X-dən fərqli olaraq Dictyostelium P2X reseptorları suramin, PPADS və ya TNP-ATP tərəfindən antaqonizmə qarşı həssasdır (Fountain et al., 2007 Ludlow et al., 2009). Bu edir Dictyostelium P2X reseptorları P2X reseptorlarında antaqonist hərəkəti başa düşmək üçün çox faydalı vasitələr, çünki P2X reseptorlarında dərman birləşməsinin struktur determinantları zəif müəyyən edilmişdir. Hər ikisinin paylaşdığı ümumi xüsusiyyət Dictyostelium və məməlilərin P2X reseptorları ikivalentli metal ionları ilə modulyasiya olunur (Virginio et al., 1997 Coddou et al., 2003). Cu 2 + güclü şəkildə bloklayır DdP2XA 40 nM-lik yarı maksimum inhibitor ilə (Fountain et al., 2007). DdP2XB, DdP2XDDdP2XE 100 nM Cu 2+ ilə müxtəlif dərəcədə (30% 1385) bloklanır. Ni 2+ blokada daha az güclüdür DdP2XA cərəyanlar (IC50 60 μM Fountain et al., 2007).

Ən diqqət çəkən xüsusiyyəti Dictyostelium P2X reseptor funksionallığı onların eksklüziv hüceyrədaxili yaşayış yeridir. Bəzi məməlilərin P2X reseptorları hüceyrədaxili bölmələr (Qureshi et al., 2007) ilə plazma membranı arasında mövcud olsa da Dictyostelium P2X reseptorları hüceyrə daxilində hədəflənir. Bir sıra xəbərlər bunu təsdiqləyir Dictyostelium P2X reseptorları kontraktil vakuolda (Fountain et al., 2007 Ludlow et al., 2009), osmorequlyasiya orqanoidi və asidik kalsium anbarında yerləşir (Heuser et al., 1993 Malchow et al., 2006 Sivaramakrishnan and Fountain, 2012). Fountain et al. (2007) Dictyostelium hüceyrə çatışmazlığı DdP2XA genetik pozulma yolu ilə hipotonik stressə cavab olaraq şişirdilər, lakin heç bir tənzimləyici hüceyrə həcmində azalma yoxdur, bu da kontraktil vakuol funksiyasının ciddi şəkildə pozulmasını göstərir. Fenotip Baines və digərləri tərəfindən sonrakı araşdırmada yenidən təsdiqləndi. (2013) tənzimləyici hüceyrə həcminin azalmasının xilas ola biləcəyini və ya qismən xilas ola biləcəyini nümayiş etdirdi. DdP2XA Həddindən artıq ekspressiya ilə hüceyrələri nokaut edir DdP2XA, DdP2XB, DdP2XD, və ya DdP2XE, amma yox DdP2XC HEK293 və ya ilə ifadə edildikdə funksional ion kanalları meydana gətirə bilməyən Ksenopus oositləri (Ludlow et al., 2009 Baines et al., 2013). Bu məlumatlar normal kontraktil vakuol funksiyası və osmorequlyasiya üçün P2X reseptorlarının ATP aktivləşdirilməsi tələbini göstərir. Bu tapıntılar Ludlow və digərlərinin araşdırması ilə uyğun gəlmir. (2009) bunu nümayiş etdirir Dictyostelium bütün beş P2X reseptoru olmayan, bərpanın gecikməsinə baxmayaraq, hələ də tənzimləyici hüceyrə həcminin azalmasına məruz qalır. Bildirilən fenotipdəki fərqlər gərginliyin dəyişməsi ilə izah edilə bilər. AX2 (Ludlow və digərləri, 2009) və AX4 (Fountain et al., 2007 Baines et al., 2013) laboratoriya ştammlarının bu yaxınlarda yan-yana müayinəsində (Sivaramakrishnan və Fountain, 2013) Dictyostelium, aşkar edilmişdir ki, vəhşi tipli AX2 və AX4 hipotonik şişlikdən sonra həcmin bərpası dərəcəsində fərqlənir və AX2, lakin AX4 deyil, itkiyə dözə bilir. DdP2XA. Vakuolyar membranın içərisində P2X reseptorları elə istiqamətlənmişdir ki, ATP bağlanma yeri (ektodomen) vakuol lümeninə baxır, bu da P2X reseptorlarının luminal ATP-də dəyişiklikləri hiss etmək üçün yerləşdirildiyini göstərir. Təmizlənmiş vakuollardan istifadə edilən təcrübələr ATP-nin ATP yığılmasının mümkün mexanizmini təmsil edən vakuol lümeninə köçürülə biləcəyini nümayiş etdirir (Sivaramakrishnan və Fountain, 2013). İntakt vakuol preparatlarına ATP əlavə edilməsi yığılmış kalsiumun sərbəst buraxılmasına səbəb olur. Kalsiumun sərbəst buraxılmasının miqyası azalır DdP2XA nokaut vakuolları və bütün beş P2X reseptoru olmayan vakuollarda ablasiya olunur. Bu məlumatlar göstərir ki, vakuollar hüceyrədaxili P2X reseptorlarının aktivləşdirilməsi yolu ilə saxlanılan kalsiumu sərbəst buraxaraq luminal ATP yığılmasına cavab verir (Sivaramakrishnan və Fəvvarələr, 2013). P2X reseptorundan asılı kalsiumun sərbəst buraxılmasının kontraktil vakuol funksiyasına necə töhfə verdiyi aydın deyil, baxmayaraq ki, imkanlar dok və ya vakuol birləşməsinin asanlaşdırılmasını əhatə edir. Vezikulyar P2X4 reseptorların aktivləşdirilməsinin məməli hüceyrələrində kalsiumdan asılı bir şəkildə vezikül birləşməsini asanlaşdırmaq üçün yaxınlarda göstərilmişdir (Miklavc et al., 2011 Thompson et al., 2013). AX2 amöbindən təcrid olunmuş vakuollar AX4 vakuolları ilə müqayisədə ATP-yə cavab olaraq əhəmiyyətli dərəcədə daha az kalsium buraxırlar ki, bu da iki suş arasında osmorequlyasiya üçün P2X reseptor asılılığındakı fərqə dair bəzi mexaniki fikir təmin edə bilər (Sivaramakrishnan və Fountain, 2013).

Hüceyrədənkənar ATP süspansiyonlarında aşkar edilir Dictyostelium (Parish və Weibel, 1980). İlkin işlər göstərdi ki, hüceyrədənkənar ATP tətbiqi Ca 2+ axınını stimullaşdırır Dictyosteliumpunerjik reseptor antaqonisti suramin (Parish və Weibel, 1980) həssas idi. Bu yaxınlarda bu, aqueorin ifadə edən suşlarından istifadə etməklə nümayiş etdirildi Dictyostelium (Ludlow və digərləri, 2008), baxmayaraq ki, bu tədqiqatda ATP oyandıran Ca 2 + reaksiyaları P2 reseptor antaqonistləri suramin və PPADS-ə qarşı həssas idi, lakin aşağı mikromolyar Cu 2 + ilə blokada həssaslıq nümayiş etdirdi. Dictyostelium P2XA reseptor (Fountain et al., 2007 Ludlow et al., 2009). Buna baxmayaraq, ATP-nin yaratdığı kalsium reaksiyası bütün beş P2X reseptorunun (P2X) genetik nokautundan sonra toxunulmaz olaraq qalır.A-E Ludlow et al., 2009) təklif edir Dictyostelium P2X reseptorları hüceyrədənkənar ATP-yə reaksiyalara vasitəçilik etmir və onların hüceyrədaxili rezidentliyini dəstəkləyir (Fountain et al., 2007 Ludlow et al., 2009 Sivaramakrishnan and Fountain, 2012).

Ostreokok tauri (Yosun)

Ostreokokk ibtidai təkhüceyrəli yosunlar və ən kiçik sərbəst yaşayan eukariotlardır. -yə aiddirlər Prasinophyceae əsasən dəniz planktonik növlərini əhatə edən və fotosintezin təkamül mənşəyinə yaxın olan birhüceyrəli yaşıl yosunlar sinfi. O. tauri adlanan 387 amin turşusundan ibarət bir zülal kodlayır Otilə 23% əsas ardıcıllıq eyniliyini paylaşan P2X Dictyostelium P2XA reseptor (Fountain et al., 2007) və təxminən 28% insan P2X reseptorları ilə eynidir. ifadəsi OtP2X-myc HEK293 hüceyrələrində 50 kDa protein istehsal edir (Fountain et al., 2008). Reseptor məməlilərin P2X reseptor funksiyası üçün vacib hesab edilən bir çox qalıqları ehtiva edir, o cümlədən ektodomen lizin qalıqlarının qorunması siçovul P2X-in Lys 69 və Lys 308-ə ekvivalent mövqelərdir.2, baxmayaraq ki, ümumilikdə ektodomen zəif qorunur. N-terminal YXTXK/R ardıcıllığı saxlanılır, lakin məməli reseptorlarında membran saxlanmasını təşviq etmək üçün göstərilən C-terminal YXXXK motivi (Chaumont et al., 2004) YESWL ardıcıllığı ilə əvəz olunur.

ATP oyandırır OtP2X kanalının açılması 250 ºBCM civarında yarı maksimal konsentrasiya və təxminən 30 ºBCM aktivasiya həddinə malikdir. Bütün hüceyrə cərəyanları liqandın iştirakı ilə təvazökar desensitizasiya göstərir. Tək kanal təhlili bunu üzə çıxarıb OtP2X açıq kanal xüsusiyyətləri təbiətdə titrəyir (Fountain et al., 2008). bzATP, β, γ-imido-ATP və ya digər nukleotid trifosfatlar heç bir reaksiya verməsə də, α,β-metilen-ATP çox kiçik cərəyanlar doğurur (Fountain et al., 2008). Antaqonist profili OtP2X ilə oxşardır Dictyostelium Suramin, PPADS və TNP-ATP ilə P2X reseptorlarının hamısı 100 BCM-ə qədər blokadaya səbəb ola bilmir. -dən fərqli olaraq Dictyostelium P2X reseptoru, OtP2X reseptor cərəyanları Cu 2 + 100 ºBCM-dən təsirlənmir.

Digər P2X reseptorlarından fərqli olaraq, OtP2X zəif kalsium keçiriciliyi göstərir (PCa/PNa = 0.4). Kalsiumun zəif keçiriciliyi arasında əsas struktur fərqin nəticəsidir OtP2X və məməli reseptorları, yəni ikinci transmembran domenində digər primitiv və məməli P2X reseptorları arasında yüksək dərəcədə qorunan aspartat qalığının olmaması, konservləşdirilmiş aspartat asparagin qalığı ilə əvəz olunur. Asn 353 düym OtP2X siçovul P2X-də Asp 349-a bərabərdir2. Baxmayaraq ki, turşudan əsas hissəyə keçid bu vəziyyətdə açıq şəkildə tolere edilə bilər OtP2X, bir [N353A] mutasiyası reseptoru qeyri-funksional edir (Fountain et al., 2008). OtP2X[N353R] kalsium keçiriciliyini artırır (PCa/PNa = 0.64 Fountain et al., 2008) lakin məməli P2X reseptorlarının səviyyəsinə qayıtmır. Bu, məməlilərin P2X reseptorlarındakı digər qalıqların da yüksək kalsium keçiriciliyinə töhfə verdiyini göstərir (Migita et al., 2001 Samways və Egan, 2007). məsamə diametri OtBir sıra kationların nisbi keçiriciliyindən təxmin edilən P2X reseptorları keçiriciliyin 1 nm kəsilməsini nəzərdə tutur. Bu, məməlilərin təxminləri ilə geniş şəkildə üst-üstə düşür Dictyostelium P2X reseptor məsamə ölçüləri (Evans və digərləri, 1996 Fountain et al., 2007) və çox erkən P2X reseptor zülalları və məməli P2X reseptorları arasında seçicilik filtrinin memarlıq qorunmasını təklif edir.

Baxmayaraq ki OtHEK293 hüceyrələrində həddindən artıq ifadə edildikdə P2X plazma membranında aydın şəkildə ifadə edilir, hüceyrəaltı lokalizasiya OtP2X daxil O. tauri təsdiq olunmayıb. Bu cür təcrübələr mane olur, lakin selektiv antikorların olmaması OtP2X və orqanizmin ölçüsü (təxminən 1 BCM diametri) adi immunositokimyəvi tədqiqatlara uyğun deyil. Bununla birlikdə, ATP-nin kalsiumun daxil olmasına səbəb olub olmadığını müəyyən etmək üçün təcrübələr O. tauri süni dəniz suyunda dayandırılmış P2X reseptorlarının hüceyrə səthi ifadəsinin çatışmazlığını dəstəkləyən bəzi dolayı məlumatlar verir. ATP kalsium axını stimullaşdırmasa da, mikromolyar kapsaisin, TRPV1 kanal agonisti, axını stimullaşdırdı. TRPV1 homoloqu bu primitiv yosunlar tərəfindən kodlanır.

Monosiga brevicollis (choanoflagelate)

Xoanoflagelatlar sərbəst yaşayan birhüceyrəli və müstəmləkə bayraqlı eukariotlar heyvan hüceyrələrinin ən yaxın yaşayan qohumu hesab olunur. Fəvvarələr və b. (2008) bir P2X reseptor homoloqunun klonlandığını bildirdi M. brevicollis. The MbP2X reseptoru HEK293-də ifadə edildikdə funksional ATP aktivləşdirilmiş ion kanalları əmələ gətirdi, baxmayaraq ki, farmakoloji və biofiziki xarakteristikası hələ dərc olunmayıb.

Tardigrad (Hypsibius dujardini)

Hypsibius dujardini nematodlar və artropodlar üçün ümumi xüsusiyyətləri paylaşan Tardigrade filumuna aiddir. Təxminən 400 BCM uzunluğunda olan bu çoxhüceyrəli orqanizmlər mamır və şirin su mühitlərində yaşayır və quruyan mühitlərdə uzun müddət yaşamaq üçün maddələr mübadiləsini kifayət qədər aşağı salmağa qadirdir. Bavan və b. (2009) bir 330 bp EST müəyyən etdi H. dujardini Tərcümə edildikdə məməlilərin P2X reseptorları ilə homologiyanı paylaşdı. Tam uzunluqlu kodlaşdırma bölgəsi 480 amin turşusu zülalına çevrilir (HdP2X) insan P2X ilə 36-38% ardıcıl homologiyasını paylaşır1, P2X3, və P2X4. Filogenik analiz təklif edir HdP2X onurğalıların P2X reseptorlarının əcdadıdır və digər onurğalı olmayan reseptorların ortolojisidir. Dictyostelium, S. MansoniO. tauri. ifadəsi HdP2X cRNA in Ksenop oositlər ATP (EC50 45 μM) aktivləşdirilmiş ion kanalları, liqandın iştirakı ilə sürətlə desensibilləşən keçici daxili cərəyanlara vasitəçilik edir. Bu sürətli desensitizasiyaya baxmayaraq və insan P2X-dən fərqli olaraq1 ATP tətbiqi zamanı sürətli desensitizasiya göstərən reseptor, HdP2X cərəyanları bərpa olunur. 5 dəqiqəlik agonist yuyulmasından sonra cari amplituda tam bərpa olunur. HdP2X həm BzATP, həm də αβ-metilen-ATP tərəfindən aktivləşdirilə bilər. BzATP qismən agonist kimi çıxış edir HdATP-nin təxminən 65%-ni istehsal edən maksimum konsentrasiyalarla P2X. BzATP daha az təsirli olsa da, EC ilə ATP-dən daha güclü təsir göstərir.50 təxminən 12 μM. α,β-metilen-ATP ATP-dən daha az effektivdir və ATP reaksiyalarının 50%-ni təşkil edən cari amplitüdləri oyandırır. ATP ilə bağlı BzATP potensialı və effektivliyi HdP2X BzATP xüsusiyyətlərini əks etdirir SchP2X reseptorları (Agboh et al., 2004).

HdP2X geniş spektrli punerjik reseptor antaqonistləri PPAD (IC) tərəfindən bloklanır.50 15 μM) və Suramin (IC50 23 μM), klassik antaqonistlərə qarşı həssas olmayan digər primitiv P2X reseptorlarından fərqli olaraq. Mikromolar Cu 2 + və Zn 2 + bloku HdP2X. İki valentli metal ionları məməlilərin P2X reseptor funksiyasını modulyasiya edir Dictyostelium P2XA reseptor. Cu 2 + və Zn 2 + bir IC ilə ATP oyandıran cavabları maneə törədir50 müvafiq olaraq 20 və 63 μM. Məməli P2X-də2 və P2X7 Cu 2+-nın modulyasiya fəaliyyəti ektodomendəki histidin qalıqları ilə qarşılıqlı əlaqə vasitəsi ilə həyata keçirilir. Bavan və b. (2009) histidin-alanin mutantını istehsal etdi Hdİki valentli metal ionlarının təsirində rolu araşdırmaq üçün P2X reseptorları. Baxmayaraq ki HdZn 2+ ilə P2X inhibisyonu ektodomen histidin qalıqlarının alanin əvəzlənməsindən təsirlənməmişdir, Cu 2+ blokunun effektivliyi HdP2X[H252A/H306A] və [H232A/H306A] ikiqat mutantları bu qalıqların Cu 2+ hərəkətinin koordinasiyasında rolunu təklif edir. ATP-nin vasitəçiliyi ilə yaranan cərəyanlar Hd2X, məməli P2X-ni də gücləndirən makrosiklik lakton ivermektin tərəfindən gücləndirilir.4S. mansoni reseptorlar.

Lymnaea stagnalis (Hovuz ilbizi)

Gölet salyangozu Lymnaea stagnalis MSS-nin fundamental aspektlərini öyrənmək üçün faydalı model olduğunu sübut etdi. Onun nisbətən sadə CNS-i assosiativ yaddaş və dad proseslərini öyrənməyə imkan verən 22.000 neyrondan ibarətdir. Mollyuscan CNS-də ATP buraxılması real vaxt rejimində tədqiq edilmişdir (Gruenhagen et al., 2004) onurğasızların CNS funksiyasında punerjik reseptorlar üçün potensialı vurğulayır. Tam uzunluqlu P2X reseptor ortoloqu klonlaşdırılıb L. stagnalis CNS (LymP2X). LymP2X uzunluğu 435 amin turşusudur və insan P2X ilə 31% eynilik təşkil edir.1–P2X7, insan P2X ilə ən çox oxşarlığı paylaşır4 reseptor. LymP2X ilə ifadə edilir Ksenopus oositləri ATP, BzATP və α,β-metilen-ATP tərəfindən aktivləşdirilə bilən daxili cərəyanlara vasitəçilik edir. ATP tam agonistdir və 6 ºBCM-də yarı maksimum cavab verir. BzATP 3 qat daha güclüdür (EC50 ATP-dən 2 μM). LymP2X, lakin qismən agonist kimi çıxış edir, ATP maksimal reaksiyasının 66%-i maksimum cavab verir. α,β-metilen-ATP zəif agonist kimi çıxış edir. LymP2X həm PPADS, həm də suramin tərəfindən bloklanır. PPADS 100 ºBCM-dən yuxarı ATP-nin yaratdığı cərəyanları tamamilə blok edə bilər və 8 ºBCM-in yarı-maksimum inhibitor konsentrasiyasına malikdir. Suramin IC ilə daha az təsirli olur50 27 μM və hətta 300 μM konsentrasiyasında da natamam kanal bloku yaradır. Suramin davamlı komponent maksimum qarağatın təxminən 40%-ni təşkil edir (Bavan et al., 2012). LymP2X cərəyanları ivermektin tərəfindən gücləndirilmir, lakin 100 μM Cu 2 + və ya Zn 2 + ilə gücləndirilir. Potensiasiya səviyyəsi 45 ilə 75% arasındadır. Bununla belə, ikivalentli metal ionlarının təsiri ikifazalıdır, çünki 1 mM Cu 2 + və ya Zn 2 + reseptoru təxminən 65% inhibə edir. CNS of Lymnaea Bukkal, serebral, pedal, plevra, sol parietal, sağ parietal və visseral qanqliya da daxil olmaqla bir neçə nəzərə çarpan qanqliya var. In situ hibridləşmə geniş şəkildə ifadəsini ortaya qoyur LymBütün qanqliyaların neyronlarında P2X, kəmiyyət göstəricisi olsa da LymP2X mRNA transkriptləri pedal qanqliyalarının neyronlarında ən yüksək ifadəni və plevral neyronlarda ən aşağı səviyyələri aşkar edir (Bavan et al., 2012). Fizioloji rolu olsa da LymP2X hələ təyin edilməmişdir, çox güman ki, reseptor neyronlar və ya mollyusk CNS-nin dəstəkləyici hüceyrələri tərəfindən ifraz olunan ATP-yə cavab vermək üçün yerləşdirilmişdir.

Boophilus microplus (Gənə)

The B. microplus gənə qanla qidalanma və xəstəliyin ötürülməsi yolu ilə mal-qaranın rifahına zərərli təsir göstərir. Gənə P2X reseptor homoloqu BmP2X ilə ifadə edildikdə funksional ATP aktivləşdirilmiş ion kanalı əmələ gətirir xenoupus oositlər (Bavan et al., 2011). 414 amin turşusu uzunluğunda olan reseptor insan reseptorları ilə 30-44% ardıcıl eyniliyini bölüşür və ən çox şəxsiyyəti insan P2X ilə paylaşır.4 və ən azı P2X ilə7. Reseptor məməlilərin P2X reseptorları üçün ümumi olan bir çox struktur motivləri ehtiva edir, o cümlədən 10 konservləşdirilmiş ektodomen sisteinləri, ATP bağlanmasında iştirak edən müsbət və aromatik qalıqlar və N-terminal ehtimal olunan protein kinaz C fosforilasiya sahəsi. Cərəyanlar keçdi BmP2X olduqca yavaş kinetik nümayiş etdirir. ATP-nin yaratdığı cərəyanlar demək olar ki, 5 saniyədən sonra pik nöqtəsinə çatır ki, bu da məməlilərin P2X reseptorlarının millisaniyəlik aktivasiya kinetikasından tamamilə fərqlidir (North, 2002). Aqonistlərin iştirakı ilə cari çürümə də nəzərəçarpacaq dərəcədə yavaşdır. BmP2X cərəyanları ATP-yə 20 saniyə məruz qaldıqdan sonra təxminən 10% çürüyür, 50% çürümə isə uzun müddət (>5 dəqiqə) agonist tətbiqindən sonra baş verir. Aqonistin iştirakı ilə məhdud cari tənəzzülə baxmayaraq, pik reaksiyalarda azalma qeyd olunur. Ardıcıl ATP tətbiqləri pik cərəyanların 12% azalmasına səbəb olur. Bavan və b. (2011) reseptorların desensitizasiyasına nəzarət etmək üçün cavabdeh olan C-terminusunda müsbət yüklü qalıqların ardıcıllığını müəyyən etdi. Reseptor C-terminusundakı əsas qalıqlar insan P2X reseptorlarının desensitizasiya kinetikasına da nəzarət edir (Fountain and North, 2006). Bununla belə, C-terminusu reseptorların yıxılma xüsusiyyətlərinə kömək etmir. ATP aktivləşir BmEC ilə P2X50 adenozin, ADP və ya UTP (hamısı 1 mM-ə qədər) cərəyanları oyatmasa da, dəyəri 70 μM. Suramin düşmənçilik edir BmP2X (IC50 = 5 μM) lakin cərəyanları 300 μM-ə qədər davam edən natamam blok yaradır. İvermektin məməli P2X-də ATP-nin yaratdığı cərəyanları gücləndirir4 reseptorlar (Priel və Silberberg, 2004), S. mansoni P2X (SmP2X) və H. dujarini (HdP2X) reseptorları. Geniş spektrli antiparazitar fəaliyyətinə baxmayaraq, ivermektin potensiallaşmır BmP2X cərəyanları. Bununla belə, cərəyanlar mal-qarada gənə infeksiyasının müalicəsində geniş istifadə olunan triazapentadin birləşməsi olan amitraz tərəfindən gücləndirilir. Pik cərəyanlar müvafiq olaraq 1 və 100 BCM amitraz ilə 23 və 94% gücləndirilir. identifikasiyası BmP2X, təkcə potensial yeni anti-parazitar dərmanlar üçün hədəf kimi deyil, həm də artropod P2X reseptorunda nümunə kimi böyük maraq doğurur. Genomik məlumat, o cümlədən digər artropodların olduğunu ortaya qoyur Drosophila melanogaster, Apis melliferaAnopheles gambiae P2X reseptorlarının olmaması (Fountain və Burnstock, 2009). Buğumayaqlılar filumunda P2X reseptorlarının mövcudluğu həşərat növlərinin bəzilərində və ehtimal ki, əksəriyyətində P2X reseptorlarının seçmə itkisini göstərir.

Məməli reseptorları ilə ümumi strukturun qorunması

Funksional məməli P2X reseptorları üç məsamə əmələ gətirən alt bölmənin oliqomerləri kimi yığılır (Young et al., 2008 Kawate et al., 2009). Bu trimerik oliqomer vəziyyət, ionotropik glutamat və nikotinik asetilkolin reseptorları (Cys-loop superfamily) daxil olmaqla, digər ligand-qapılı və gərginliyə bağlı ion kanalı ailələri arasında qeyri-adidir, lakin ASIC və hüceyrədaxili TRIC kanalları tərəfindən paylaşılır. Əvvəlki işimiz bunu göstərir Dictyostelium P2X, ən azı məməli hüceyrələrində rekombinant reseptorlar kimi ifadə olunduqda trimerlər kimi yığılır (Fountain et al., 2007), primitiv P2X reseptorları tərəfindən trimer əmələ gəlməsinin qorunmasını təklif edir. ifadəsi Dictyostelium Sf9 həşərat hüceyrələrindəki P2X reseptorları da güclü trimer əmələ gəlməsi ilə nəticələnir və Dictyostelium reseptor trimerləri onurğalı reseptor trimerlərinin ölçülərinə oxşardır (Valente et al., 2011). The Dictyostelium P2X reseptorları struktur olaraq xarakterizə edilən ən yaxşı primitiv P2X reseptorları olaraq qalır. Məməlilərin P2X reseptorları (Fountain et al., 2007) və əhəmiyyətli dərəcədə fərqli 3D strukturu (Valente et al., 2011) ilə aşağı ilkin ardıcıllıq homologiyası onları gələcək struktur tədqiqatları üçün maraqlı namizədlər edir.

On ektodomen sistein qalığı məməlilərin P2X reseptorlarında yüksək dərəcədə qorunur və beş disulfid bağı yaratmaq üçün qarşılıqlı təsir göstərir. Sisteinlər insan P2X əsasında C177, C126, C132, C149, C159, C165, C217, C227, C261 və C270 qalıqlarında yerləşdirilir.1 nömrələmə. Bu disulfid bağları zebra balığının P2X4 kristal quruluşunda həll olunur (Kawate və s., 2009) və ATP bağlayıcı cibinin quruluşuna, kanal keçid xüsusiyyətlərinə və məməli reseptorlarının ticarətinə təsir göstərir (Rokic və digərləri, 2010 Jindrichova et al., 2012). Klonlanmış primitiv P2X reseptorlarında ektodomen sisteinin qorunma dərəcəsi çox dəyişir və növlərin filogeniyası ilə heç bir əlaqəsi yoxdur. trematod (S. mansoni) və tarigrad (H. dujardini) reseptorlar bütün ekvivalent sistein qalıqlarını saxlayır, yosunlar isə (O. tauri) və xoanoflagellat (M. brevicollis) reseptorlarında müvafiq olaraq C217, C227 və C117, C165 ekvivalentləri yoxdur. İnsan P2X-də disulfid bağının formalaşması üçün sistein sistein cütləşməsinin proqnozuna əsaslanır.1 reseptor (Ennion və Evans, 2002), bu, həm də proqnozlaşdıracaq O. tauriM. brevicollis reseptor müxtəlif mövqelərdə olsa da, tək ektodomen disulfid bağından məhrumdur. Maraqlıdır ki, Dictyostelium P2XA reseptorlarda bütün ekvivalent mövqedə sistein yoxdur, lakin funksional ATP aktivləşdirilmiş ion kanalıdır (Fountain et al., 2007), mikromolyar ATP-ni bağlamaq qabiliyyətinə baxmayaraq ektodomen üçüncü strukturunda nəzərəçarpacaq fərq olduğunu göstərir (Valente et al., 2011).

Gələcək Perspektivlər və Eksperimental Üstünlüklər

Təkhüceyrəli və onurğalı olmayan növlər üçün artan genomik məlumat sərvəti P2X reseptorlarının filogeniyasına dair biliklərimizin sürətlə genişlənəcəyini ehtimal edir. Bu yaxınlarda dəniz süngərindən bir neçə ehtimal olunan P2X reseptor ardıcıllığı bildirilmişdir (Amphimedon queenslandica), amiboid holozoan (Capsaspora owczarzaki) və nematod (Xiphinema indeksi Cai, 2012). Maraqlıdır ki, eyni hesabat üç növ bazal göbələklərdə P2X ortoloqlarını müəyyən edir, yəni. Allomislər makrogynus, Spizellomyces punctatus,Batrachochytrium dendrobatidis (Cai və Clapham, 2012). Bu yeni müəyyən edilmiş P2X reseptorlarının funksiyası hələ eksperimental olaraq nümayiş etdirilməsə də, bu ehtimal olunan reseptorlar P2X reseptor funksiyası ilə əlaqəli bir çox struktur əlamətlərini bölüşür (Cai, 2012). Onların mövcudluğu onu göstərir ki, əvvəlcə nematod və göbələklər kimi P2X reseptorlarının olmadığı düşünülən bəzi filumlar (Fountain və Burnstock, 2009) ATP ilə aktivləşdirilmiş ion kanallarına malik olan bəzi növləri ehtiva edə bilər. Təkhüceyrəli yaşıl yosun növlərində P2X reseptorlarının identifikasiyası Ostreokok tauri P2X reseptorlarının mövcudluğunun çoxhüceyrəliliyin mənşəyindən əvvəl olduğunu və bu reseptor sinfinin təkamülünün 1 milyard ildən çox əvvəl baş verdiyini nümayiş etdirir. Oxşar ardıcıllıqlar genomunda da mövcuddur Osteococcus lucimarinus (Palenik və başqaları, 2007). Baxmayaraq ki OtP2X məməlilərin P2X reseptorları ilə zəif ilkin struktur homologiyasını bölüşür, zülalları tam funksional ATP aktivləşdirilmiş ion kanallarına çevirir. Belə kiçik orqanizmlərdə P2X reseptorlarının fizioloji rolunun aydınlaşdırılması texniki cəhətdən çətin, lakin böyük maraq doğuracaq. O. tauri fotosintetik orqanizmlərdir, bu günə qədər yüksək bitkilərdə P2X reseptorlarının mövcudluğuna dair heç bir funksional və ya genomik sübut təqdim edilməmişdir. P2X reseptorları, o cümlədən, model orqanizmlər kimi nevrologiyada geniş istifadə olunan bəzi növlərdə xüsusilə yoxdur. Caenorhabditis elegansDrosophila melanogaster (Fəvvarələr və Burnstock, 2009). Funksional P2X reseptorlarının olmaması Drosophila Bu genetik cəhətdən əlverişli model orqanizmdə sinir dövrələrinin və davranışlarının öyrənilməsi üçün eksperimental üstünlük kimi istifadə edilmişdir. Ectopic expression of rat P2X2 in Drosophila neurons allows for channel activation by laser-stimulated uncaging of caged ATP injected into specific fly brain areas. This allows pair activation of a specific set of neurons with exposure to a second stimulus such as odor (Zemelman et al., 2003).

Xülasə

In summary, the phylogenetic distribution of P2X receptors is incomplete but demonstration of functional receptors in simple unicellular organisms suggests evolution of this receptor class occurred over one billion years ago. The fact that many primitive P2X receptors share very low sequence homology with mammalian P2X receptors, including absence of key motifs, yet still retain micromolar sensitivity to ATP and common permeability properties is intriguing. Some low homology receptors which lack sensitivity to common P2X receptors are likely to be useful tools in the future with which to delineate the residues that coordinate drug binding at P2X receptors. Though we have gathered much structural information from cloning and characterization of primitive P2X receptor our understanding of their cell biology and physiology is restricted, but likely to provide fundamental information about why and how the P2X receptor class of ligand-gated ion channels evolved.


Nəticələr

To enable sufficient sampling of the lipid distribution around the receptor, we have employed the Martini model [61], which allows for longer simulation times at the cost of less chemical detail (4 heavy-atoms are represented by one “super atom”). In order to be able to characterize the lipid environment that is preferred by the inactive vs. the active state in a computationally feasible way, our approach has been to restrain the receptor in its conformational state, while the lipids were completely free to move and will thus on average yield a distribution that favours this specific conformational state. This strategy has been previously used to characterize state-dependent protein-lipid interactions for a G protein-coupled receptor [37]. The physical logic behind this approach is the same that is commonly used when saying that an agonist stabilizes the active state. In the absence of agonist, there is heterogeneity in the conformational ensemble of the receptor and the receptor will also populate the active state, but less than with an agonist present. Based on the model of conformational selection, the agonist stabilizes the active state by shifting the relative populations towards the active state. In the active state, the affinity for the agonist is higher than in the inactive state. If one would therefore restrain the receptor in the active state, one would observe a higher agonist density in the binding pocket than if one would restrain the inactive state. The same is true for the lipid environment - a certain lipid environment favours the population of the active state over the inactive state and by restraining the receptor to the active conformation, the lipid environment observed on average is the one that most preferably interacts with it and thus stabilizes it.

Cholesterol interactions show dependence on the receptor state

In order to explore in a systematic way where exactly the different lipid types interact with the receptor and whether there a state-dependent differences, we analysed the density of each lipid type around the receptor for both the inactive and active state. First we inspected the 2-dimensional distribution of each lipid type within the membrane for each leaflet (Fig 2). A strong colour-gradient between the immediate protein’s surroundings and the membrane bulk indicates that the receptor recruits a specific lipid environment at the protein-membrane interface and hot spots that are strongly preferred by certain lipid types can be clearly identified. The key insight from this analysis is that in the active state, CHOL in the extracellular leaflet penetrates deeply between the subunit interfaces (highlighted by circles in Fig 2). This is particularly noteworthy, because this is where ivermectin binds to exert its positive allosteric modulatory effect. Another functionally important lipid class for nicotinic acetylcholine receptors are anionic lipids. In our simulations, we have used PS, which which is found only in the intracellular leaflet of neuronal membranes. Hence, a second key observation is that the anionic lipid type PS, is particularly enriched around the receptor surface, indicating very strong protein-lipid interactions. We note, however, that PS is in frequent exchange between the annular layer and the membrane bulk as showcased by tracking the position of individual PS molecules over time (see S1 Fig). Yet, on average PS strongly prefers direct contact with the receptor.


Targeting Ligand-Gated Ion Channel Interactions for Neuroprotection

Because of the involvement of ion channel receptors in neuronal death from excitatory glutamate stimulation, there has been considerable interest in these receptors as therapeutic targets for the treatment of brain disorders involving neuronal death, such as ischemic stroke. Ischemic stroke is a major medical problem that affects millions of people world-wide. Current acute post-stroke treatment is focused on lysing the clot obstructing arterial blood flow by using a tissue plasminogen-activator. Due to a very short time window for effectiveness and the potential for intracranial bleeding, few patients can benefit from this treatment (Grossman and Broderick, 2013). Therefore, there is a major need for new and safer drugs that can reduce the extent of brain injury from ischemic stroke.

An alternative strategy for post-stroke treatment is to target neurotoxicity instead of focusing on the blood vessel blockade, or in addition to clot lysis. However, preventing excitotoxicity is difficult because glutamate receptors have a critical role in many brain functions. AMPA/kainate receptor antagonists such as NBQX or MPQX can reduce neurological deficits in animal models of autoimmune damage (Smith et al., 2000), but these drugs are too toxic for clinical use. Other strategies, such as blocking the glycine site of the NMDA receptor for treating ischemic stroke have been ineffective in improving outcomes (Lees et al., 2000 Sacco et al., 2001).

The interactions between ionic glutamate receptors and other proteins such as GluR2-GAPDH and NR2-PSD-95 can improve cell survival after ischemic insults, and thus represent another approach to neuroprotective treatments after stroke (Sattler et al., 1999 Zhai et al., 2013). This strategy is attractive because the basic signal transducing functions of the channels are not blocked as they would be by a conventional antagonist. Thus, a more subtle modulation of ion channel function can be achieved, with the hope of reducing excitotoxicity while sparing normal neurotransmission. Bunlar in vitro and animal model experiments used small interfering peptides to disrupt the channel-protein interactions, but these peptides may not be ideal for human clinical use. Therefore, an important priority for future research is the development of suitable drugs targeting the ion channel-protein interactions involved in excitotoxicity.

In summary, ion channel function is modulated by interactions with other proteins. Various proteins influence the number and position of particular subunits in the assembled channel, the dynamics of receptor trafficking and targeting to designated subcellular areas, as well as the assembly, stability, and turnover of the receptor on the membrane and in intracellular signaling pathways. These interactions permit the function of ion channels to be fine-tuned according to both external stimuli and intracellular states. This network of molecular interactions allows for complex signal processing by neurons and also reveals new targets for pharmacological manipulation of neuron function that may be clinically useful. Knowledge of ion channel interactions has progressed rapidly and more such interactions are likely to emerge.


GABAC RECEPTOR ION CHANNELS

Presented at the 37th Annual Scientific Meeting of the Australasian Society of Clinical and Experimental Pharmacologists and Toxicologists, Sydney, 29 November−3 December 2003.

XÜLASƏ

1. The present review gives an overview of studies conducted on GABAC receptors over the past 10 years since the author started at the University of Sydney. It concentrates on the structure–activity relationship profiles of the receptor and how these studies were used to: (i) develop selective GABAC receptor ligands and (ii) understand the impact of amino acid changes on GABAC receptor pharmacology and function.

2. Structure–activity relationship studies involving variations of both ligands and their receptor targets are vital to the discovery of drugs that interact selectively with particular native and mutant receptor subtypes. Such agents may be useful for treating anxiety, depression, epilepsyand memory related disorders, such as Alzheimer's disease.


35.2 How Neurons Communicate

Bu bölmənin sonunda siz aşağıdakıları edə biləcəksiniz:

  • Describe the basis of the resting membrane potential
  • Explain the stages of an action potential and how action potentials are propagated
  • Explain the similarities and differences between chemical and electrical synapses
  • Describe long-term potentiation and long-term depression

All functions performed by the nervous system—from a simple motor reflex to more advanced functions like making a memory or a decision—require neurons to communicate with one another. While humans use words and body language to communicate, neurons use electrical and chemical signals. Just like a person in a committee, one neuron usually receives and synthesizes messages from multiple other neurons before “making the decision” to send the message on to other neurons.

Nerve Impulse Transmission within a Neuron

For the nervous system to function, neurons must be able to send and receive signals. These signals are possible because each neuron has a charged cellular membrane (a voltage difference between the inside and the outside), and the charge of this membrane can change in response to neurotransmitter molecules released from other neurons and environmental stimuli. To understand how neurons communicate, one must first understand the basis of the baseline or ‘resting’ membrane charge.

Neuronal Charged Membranes

The lipid bilayer membrane that surrounds a neuron is impermeable to charged molecules or ions. To enter or exit the neuron, ions must pass through special proteins called ion channels that span the membrane. Ion channels have different configurations: open, closed, and inactive, as illustrated in Figure 35.9. Some ion channels need to be activated in order to open and allow ions to pass into or out of the cell. These ion channels are sensitive to the environment and can change their shape accordingly. Ion channels that change their structure in response to voltage changes are called voltage-gated ion channels. Voltage-gated ion channels regulate the relative concentrations of different ions inside and outside the cell. The difference in total charge between the inside and outside of the cell is called the membrane potential .

Öyrənməyə keçid

This video discusses the basis of the resting membrane potential.

Resting Membrane Potential

A neuron at rest is negatively charged: the inside of a cell is approximately 70 millivolts more negative than the outside (−70 mV, note that this number varies by neuron type and by species). This voltage is called the resting membrane potential it is caused by differences in the concentrations of ions inside and outside the cell. If the membrane were equally permeable to all ions, each type of ion would flow across the membrane and the system would reach equilibrium. Because ions cannot simply cross the membrane at will, there are different concentrations of several ions inside and outside the cell, as shown in Table 35.1. The difference in the number of positively charged potassium ions (K + ) inside and outside the cell dominates the resting membrane potential (Figure 35.10). When the membrane is at rest, K + ions accumulate inside the cell due to a net movement with the concentration gradient. The negative resting membrane potential is created and maintained by increasing the concentration of cations outside the cell (in the extracellular fluid) relative to inside the cell (in the cytoplasm). The negative charge within the cell is created by the cell membrane being more permeable to potassium ion movement than sodium ion movement. In neurons, potassium ions are maintained at high concentrations within the cell while sodium ions are maintained at high concentrations outside of the cell. The cell possesses potassium and sodium leakage channels that allow the two cations to diffuse down their concentration gradient. However, the neurons have far more potassium leakage channels than sodium leakage channels. Therefore, potassium diffuses out of the cell at a much faster rate than sodium leaks in. Because more cations are leaving the cell than are entering, this causes the interior of the cell to be negatively charged relative to the outside of the cell. The actions of the sodium potassium pump help to maintain the resting potential, once established. Recall that sodium potassium pumps brings two K + ions into the cell while removing three Na + ions per ATP consumed. As more cations are expelled from the cell than taken in, the inside of the cell remains negatively charged relative to the extracellular fluid. It should be noted that chloride ions (Cl – ) tend to accumulate outside of the cell because they are repelled by negatively-charged proteins within the cytoplasm.

Ion Extracellular concentration (mM) Intracellular concentration (mM) Ratio outside/inside
Na + 145 12 12
K+ 4 155 0.026
Cl − 120 4 30
Organic anions (A−) 100

Fəaliyyət Potensialı

A neuron can receive input from other neurons and, if this input is strong enough, send the signal to downstream neurons. Transmission of a signal between neurons is generally carried by a chemical called a neurotransmitter. Transmission of a signal within a neuron (from dendrite to axon terminal) is carried by a brief reversal of the resting membrane potential called an action potential . When neurotransmitter molecules bind to receptors located on a neuron’s dendrites, ion channels open. At excitatory synapses, this opening allows positive ions to enter the neuron and results in depolarization of the membrane—a decrease in the difference in voltage between the inside and outside of the neuron. A stimulus from a sensory cell or another neuron depolarizes the target neuron to its threshold potential (-55 mV). Na + channels in the axon hillock open, allowing positive ions to enter the cell (Figure 35.10 and Figure 35.11). Once the sodium channels open, the neuron completely depolarizes to a membrane potential of about +40 mV. Action potentials are considered an "all-or nothing" event, in that, once the threshold potential is reached, the neuron always completely depolarizes. Once depolarization is complete, the cell must now "reset" its membrane voltage back to the resting potential. To accomplish this, the Na + channels close and cannot be opened. This begins the neuron's refractory period , in which it cannot produce another action potential because its sodium channels will not open. At the same time, voltage-gated K + channels open, allowing K + to leave the cell. As K + ions leave the cell, the membrane potential once again becomes negative. The diffusion of K + out of the cell actually hyperpolarizes the cell, in that the membrane potential becomes more negative than the cell's normal resting potential. At this point, the sodium channels will return to their resting state, meaning they are ready to open again if the membrane potential again exceeds the threshold potential. Eventually the extra K + ions diffuse out of the cell through the potassium leakage channels, bringing the cell from its hyperpolarized state, back to its resting membrane potential.

Vizual əlaqə

Potassium channel blockers, such as amiodarone and procainamide, which are used to treat abnormal electrical activity in the heart, called cardiac dysrhythmia, impede the movement of K + through voltage-gated K + channels. Which part of the action potential would you expect potassium channels to affect?

Öyrənməyə keçid

This video presents an overview of action potential.

Myelin and the Propagation of the Action Potential

For an action potential to communicate information to another neuron, it must travel along the axon and reach the axon terminals where it can initiate neurotransmitter release. The speed of conduction of an action potential along an axon is influenced by both the diameter of the axon and the axon’s resistance to current leak. Myelin acts as an insulator that prevents current from leaving the axon this increases the speed of action potential conduction. In demyelinating diseases like multiple sclerosis, action potential conduction slows because current leaks from previously insulated axon areas. The nodes of Ranvier, illustrated in Figure 35.13 are gaps in the myelin sheath along the axon. These unmyelinated spaces are about one micrometer long and contain voltage-gated Na + and K + channels. Flow of ions through these channels, particularly the Na + channels, regenerates the action potential over and over again along the axon. This ‘jumping’ of the action potential from one node to the next is called saltatory conduction . If nodes of Ranvier were not present along an axon, the action potential would propagate very slowly since Na + and K + channels would have to continuously regenerate action potentials at every point along the axon instead of at specific points. Nodes of Ranvier also save energy for the neuron since the channels only need to be present at the nodes and not along the entire axon.

Synaptic Transmission

The synapse or “gap” is the place where information is transmitted from one neuron to another. Synapses usually form between axon terminals and dendritic spines, but this is not universally true. There are also axon-to-axon, dendrite-to-dendrite, and axon-to-cell body synapses. The neuron transmitting the signal is called the presynaptic neuron, and the neuron receiving the signal is called the postsynaptic neuron. Note that these designations are relative to a particular synapse—most neurons are both presynaptic and postsynaptic. There are two types of synapses: chemical and electrical.

Chemical Synapse

When an action potential reaches the axon terminal it depolarizes the membrane and opens voltage-gated Na + channels. Na + ions enter the cell, further depolarizing the presynaptic membrane. This depolarization causes voltage-gated Ca 2+ channels to open. Calcium ions entering the cell initiate a signaling cascade that causes small membrane-bound vesicles, called synaptic vesicles , containing neurotransmitter molecules to fuse with the presynaptic membrane. Synaptic vesicles are shown in Figure 35.14, which is an image from a scanning electron microscope.

Fusion of a vesicle with the presynaptic membrane causes neurotransmitter to be released into the synaptic cleft , the extracellular space between the presynaptic and postsynaptic membranes, as illustrated in Figure 35.15. The neurotransmitter diffuses across the synaptic cleft and binds to receptor proteins on the postsynaptic membrane.

The binding of a specific neurotransmitter causes particular ion channels, in this case ligand-gated channels, on the postsynaptic membrane to open. Neurotransmitters can either have excitatory or inhibitory effects on the postsynaptic membrane. For example, when acetylcholine is released at the synapse between a nerve and muscle (called the neuromuscular junction) by a presynaptic neuron, it causes postsynaptic Na + channels to open. Na + enters the postsynaptic cell and causes the postsynaptic membrane to depolarize. This depolarization is called an excitatory postsynaptic potential (EPSP) and makes the postsynaptic neuron more likely to fire an action potential. Release of neurotransmitter at inhibitory synapses causes inhibitory postsynaptic potentials (IPSPs) , a hyperpolarization of the presynaptic membrane. For example, when the neurotransmitter GABA (gamma-aminobutyric acid) is released from a presynaptic neuron, it binds to and opens Cl - channels. Cl - ions enter the cell and hyperpolarizes the membrane, making the neuron less likely to fire an action potential.

Once neurotransmission has occurred, the neurotransmitter must be removed from the synaptic cleft so the postsynaptic membrane can “reset” and be ready to receive another signal. This can be accomplished in three ways: the neurotransmitter can diffuse away from the synaptic cleft, it can be degraded by enzymes in the synaptic cleft, or it can be recycled (sometimes called reuptake) by the presynaptic neuron. Several drugs act at this step of neurotransmission. For example, some drugs that are given to Alzheimer’s patients work by inhibiting acetylcholinesterase, the enzyme that degrades acetylcholine. This inhibition of the enzyme essentially increases neurotransmission at synapses that release acetylcholine. Once released, the acetylcholine stays in the cleft and can continually bind and unbind to postsynaptic receptors.

Nörotransmitter Misal Məkan
Asetilkolin CNS and/or PNS
Biogenic amine Dopamine, serotonin, norepinephrine CNS and/or PNS
Amin turşusu Glycine, glutamate, aspartate, gamma aminobutyric acid CNS
Neuropeptide Substance P, endorphins CNS and/or PNS

Electrical Synapse

While electrical synapses are fewer in number than chemical synapses, they are found in all nervous systems and play important and unique roles. The mode of neurotransmission in electrical synapses is quite different from that in chemical synapses. In an electrical synapse, the presynaptic and postsynaptic membranes are very close together and are actually physically connected by channel proteins forming gap junctions. Gap junctions allow current to pass directly from one cell to the next. In addition to the ions that carry this current, other molecules, such as ATP, can diffuse through the large gap junction pores.

There are key differences between chemical and electrical synapses. Because chemical synapses depend on the release of neurotransmitter molecules from synaptic vesicles to pass on their signal, there is an approximately one millisecond delay between when the axon potential reaches the presynaptic terminal and when the neurotransmitter leads to opening of postsynaptic ion channels. Additionally, this signaling is unidirectional. Signaling in electrical synapses, in contrast, is virtually instantaneous (which is important for synapses involved in key reflexes), and some electrical synapses are bidirectional. Electrical synapses are also more reliable as they are less likely to be blocked, and they are important for synchronizing the electrical activity of a group of neurons. For example, electrical synapses in the thalamus are thought to regulate slow-wave sleep, and disruption of these synapses can cause seizures.

Signal Summation

Sometimes a single EPSP is strong enough to induce an action potential in the postsynaptic neuron, but often multiple presynaptic inputs must create EPSPs around the same time for the postsynaptic neuron to be sufficiently depolarized to fire an action potential. This process is called summation and occurs at the axon hillock, as illustrated in Figure 35.16. Additionally, one neuron often has inputs from many presynaptic neurons—some excitatory and some inhibitory—so IPSPs can cancel out EPSPs and vice versa. It is the net change in postsynaptic membrane voltage that determines whether the postsynaptic cell has reached its threshold of excitation needed to fire an action potential. Together, synaptic summation and the threshold for excitation act as a filter so that random “noise” in the system is not transmitted as important information.

Gündəlik Bağlantı

Brain-computer interface

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS, also called Lou Gehrig’s Disease) is a neurological disease characterized by the degeneration of the motor neurons that control voluntary movements. The disease begins with muscle weakening and lack of coordination and eventually destroys the neurons that control speech, breathing, and swallowing in the end, the disease can lead to paralysis. At that point, patients require assistance from machines to be able to breathe and to communicate. Several special technologies have been developed to allow “locked-in” patients to communicate with the rest of the world. One technology, for example, allows patients to type out sentences by twitching their cheek. These sentences can then be read aloud by a computer.

A relatively new line of research for helping paralyzed patients, including those with ALS, to communicate and retain a degree of self-sufficiency is called brain-computer interface (BCI) technology and is illustrated in Figure 35.17. This technology sounds like something out of science fiction: it allows paralyzed patients to control a computer using only their thoughts. There are several forms of BCI. Some forms use EEG recordings from electrodes taped onto the skull. These recordings contain information from large populations of neurons that can be decoded by a computer. Other forms of BCI require the implantation of an array of electrodes smaller than a postage stamp in the arm and hand area of the motor cortex. This form of BCI, while more invasive, is very powerful as each electrode can record actual action potentials from one or more neurons. These signals are then sent to a computer, which has been trained to decode the signal and feed it to a tool—such as a cursor on a computer screen. This means that a patient with ALS can use e-mail, read the Internet, and communicate with others by thinking of moving his or her hand or arm (even though the paralyzed patient cannot make that bodily movement). Recent advances have allowed a paralyzed locked-in patient who suffered a stroke 15 years ago to control a robotic arm and even to feed herself coffee using BCI technology.

Despite the amazing advancements in BCI technology, it also has limitations. The technology can require many hours of training and long periods of intense concentration for the patient it can also require brain surgery to implant the devices.

Öyrənməyə keçid

Watch this video in which a paralyzed woman uses a brain-controlled robotic arm to bring a drink to her mouth, among other images of brain-computer interface technology in action.

Synaptic Plasticity

Synapses are not static structures. They can be weakened or strengthened. They can be broken, and new synapses can be made. Synaptic plasticity allows for these changes, which are all needed for a functioning nervous system. In fact, synaptic plasticity is the basis of learning and memory. Two processes in particular, long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) are important forms of synaptic plasticity that occur in synapses in the hippocampus, a brain region that is involved in storing memories.

Long-term Potentiation (LTP)

Long-term potentiation (LTP) is a persistent strengthening of a synaptic connection. LTP is based on the Hebbian principle: cells that fire together wire together. There are various mechanisms, none fully understood, behind the synaptic strengthening seen with LTP. One known mechanism involves a type of postsynaptic glutamate receptor, called NMDA (N-Methyl-D-aspartate) receptors, shown in Figure 35.18. These receptors are normally blocked by magnesium ions however, when the postsynaptic neuron is depolarized by multiple presynaptic inputs in quick succession (either from one neuron or multiple neurons), the magnesium ions are forced out allowing Ca ions to pass into the postsynaptic cell. Next, Ca 2+ ions entering the cell initiate a signaling cascade that causes a different type of glutamate receptor, called AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid) receptors, to be inserted into the postsynaptic membrane, since activated AMPA receptors allow positive ions to enter the cell. So, the next time glutamate is released from the presynaptic membrane, it will have a larger excitatory effect (EPSP) on the postsynaptic cell because the binding of glutamate to these AMPA receptors will allow more positive ions into the cell. The insertion of additional AMPA receptors strengthens the synapse and means that the postsynaptic neuron is more likely to fire in response to presynaptic neurotransmitter release. Some drugs of abuse co-opt the LTP pathway, and this synaptic strengthening can lead to addiction.

Long-term Depression (LTD)

Long-term depression (LTD) is essentially the reverse of LTP: it is a long-term weakening of a synaptic connection. One mechanism known to cause LTD also involves AMPA receptors. In this situation, calcium that enters through NMDA receptors initiates a different signaling cascade, which results in the removal of AMPA receptors from the postsynaptic membrane, as illustrated in Figure 35.18. The decrease in AMPA receptors in the membrane makes the postsynaptic neuron less responsive to glutamate released from the presynaptic neuron. While it may seem counterintuitive, LTD may be just as important for learning and memory as LTP. The weakening and pruning of unused synapses allows for unimportant connections to be lost and makes the synapses that have undergone LTP that much stronger by comparison.


Mücərrəd

The Erviniya ligand-gated ion channel (ELIC) is a bacterial homologue of eukaryotic Cys-loop ligand-gated ion channels. This protein has the potential to be a useful model for Cys-loop receptors but is unusual in that it has an aromatic residue (Phe) facing into the pore, leading to some predictions that this protein is incapable of ion flux. Subsequent studies have shown this is not the case, so here we probe the role of this residue by examining the function of the ELIC in cases in which the Phe has been substituted with a range of alternative amino acids, expressed in Ksenop oocytes and functionally examined. Most of the mutations have little effect on the GABA EC50, but the potency of the weak pore-blocking antagonist picrotoxinin at F16′A-, F16′D-, F16′S-, and F16′T-containing receptors was increased to levels comparable with those of Cys-loop receptors, suggesting that this antagonist can enter the pore only when residue 16′ is small. T6′S has no effect on picrotoxinin potency when expressed alone but abolishes the increased potency when combined with F16′S, indicating that the inhibitor binds at position 6′, as in Cys-loop receptors, if it can enter the pore. Overall, the data support the proposal that the ELIC pore is a good model for Cys-loop receptor pores if the role of F16′ is taken into consideration.

Funding Statement

This project was supported by the Wellcome Trust Grant 81925 to S.C.R.L. S.C.R.L. is a Wellcome Trust Senior Research Fellow in Basic Biomedical Studies. M.A. is funded by a Yousef Jameel Scholarship. D.A.W. was funded by an MRC studentship.


Mutation of a conserved glutamine residue does not abolish desensitization of acid-sensing ion channel 1

Matthew L. Rook, Megan Miaro, Tyler Couch, Dana L. Kneisley, Maria Musgaard, David M. MacLean Mutation of a conserved glutamine residue does not abolish desensitization of acid-sensing ion channel 1. J Gen Physiol 2 August 2021 153 (8): e202012855. doi: https://doi.org/10.1085/jgp.202012855

Desensitization is a common feature of ligand-gated ion channels, although the molecular cause varies widely between channel types. Mutations that greatly reduce or nearly abolish desensitization have been described for many ligand-gated ion channels, including glutamate, GABA, glycine, and nicotinic receptors, but not for acid-sensing ion channels (ASICs) until recently. Mutating Gln276 to a glycine (Q276G) in human ASIC1a was reported to mostly abolish desensitization at both the macroscopic and the single channel levels, potentially providing a valuable tool for subsequent studies. However, we find that in both human and chicken ASIC1, the effect of Q276G is modest. In chicken ASIC1, the equivalent Q277G slightly reduces desensitization when using pH 6.5 as a stimulus but desensitizes, essentially like wild-type, when using more acidic pH values. In addition, steady-state desensitization is intact, albeit right-shifted, and recovery from desensitization is accelerated. Molecular dynamics simulations indicate that the Gln277 side chain participates in a hydrogen bond network that might stabilize the desensitized conformation. Consistent with this, destabilizing this network with the Q277N or Q277L mutations largely mimics the Q277G phenotype. In human ASIC1a, the Q276G mutation also reduces desensitization, but not to the extent reported previously. Interestingly, the kinetic consequences of Q276G depend on the human variant used. In the common G212 variant, Q276G slows desensitization, while in the rare D212 variant desensitization accelerates. Our data reveal that while the Q/G mutation does not abolish or substantially impair desensitization as previously reported, it does point to unexpected differences between chicken and human ASICs and the need for careful scrutiny before using this mutation in future studies.


Videoya baxın: BTT SKR2 - Basics SKR 2 Rev B (Iyul 2022).


Şərhlər:

  1. Eugen

    Müdaxilə üçün üzr istəyirəm ... bu vəziyyətlə tanışam. Müzakirə edə bilərsiniz. Burada və ya axşam yazın.

  2. Vilhelm

    Düşünürəm ki, səhv edirəm. PM-də mənə yaz.

  3. Rover

    normalardan keçdi

  4. Pell

    Səhv edirsən. Mən mövqeyi müdafiə edə bilərəm. PM-də mənə yazın, danışacağıq.

  5. Ealdian

    Thunder vurdu və Timpani gecə yarısında səsləndi və göylərdən endi. Yo

  6. Jaja

    Hesab edirəm ki, haqlı deyilsən. Əminəm. Bunu sübut edə bilərəm. PM-də mənə yazın, danışacağıq.

  7. Tygozuru

    Müdaxilə üçün üzr istəyirəm, fikrimi də bildirmək istədim.



Mesaj yazmaq