Widok Wapń i kanały wapniowe regulowane potencjałem.

(1)

K

osm os

Tom 46, 1997

Numer 4 (237)

Strony 491-505

PROBLEMY NAUK BIOLOGICZNYCH

P o lsk ie T o w a rzy s tw o P rzy ro d n ik ó w im . K o p e rn ik a

Je r z y Ve t u l a n i

Instytut Farmakologii PAN Smętna 12, 31-343 Kraków E mail: njvetula@cyf-kr.edu.pl

W A PŃ I K A N A Ł Y W A PN IO W E R E G U LO W AN E PO TE N C JA ŁE M

Wapń jest jednym z pierwiastków o zasa dniczym znaczeniu dla całego królestwa zwie rząt. Najbardziej dostrzegalne jest tworzenie z jego nierozpuszczalnych soli szkieletów we

wnętrznych i zewnętrznych zwierząt, od otwor- nic do kręgowców. W ustroju ludzkim 95% wapnia jest zmagazynowane w kościach, ale znajduje się on w dynamicznej równowadze z resztą ustroju i zapewnia homeostazę wapnia

zewnątrzkomórkowego (R u b in 1985). Pierwszy

raz wapń wszedł na arenę fizjologii dzięki nie frasobliwości laboranta w pracowni Sydneya Ringera, który przygotowywał roztwory do in kubacji izolowanego serca, używając wody z kranu. Kiedy laborant był na urlopie, solidny Ringer przygotowywał roztwory lege artis, sto sując wodę destylowaną i praktycznie nie uzy skiwał żadnych skurczów mięśnia sercowego. Przeprowadzone przez niego dochodzenia do prowadziły do wniosku, że roztwór chlorku so du w wodzie z kranu silniej niż taki roztwór w wodzie destylowanej podtrzymuje kurczliwość mięśnia sercowego, a odpowiedzialne za to okazały się minimalne stężenia Ca , obecnego

w sieci wodociągowej ( R i n g e r 1883).

Kluczowa rola wapnia w regulacji proce sów życiowych wiąże się z historią rozwoju ży cia na Ziemi, a w szczególności z jego rywali zacją z fosforanami. Samoreprodukujące się twory, dające początek prymitywnym formom życia, wykorzystały związki fosforanowe dla zapewnienia wierności i plastyczności repro dukcji. Tę rolę fosforany pełnią po dziś dzień, stanowiąc istotny element kwasów nukleino wych. Również wysokoenergetyczne wiązania między resztami fosforanowymi zostały z po wodzeniem wykorzystane przez żywe komórki jako magazyny energetyczne. Wreszcie ze względu na fakt, że dołączenie grupy fosfora nowej do reszt aminokwasowych zmienia kon formację tworzonych przez nie białek, procesy fosforylacji i defosforylacji odgrywają zasadni

czą rolę w regulacji czynności życiowej komór ki i przesyłaniu sygnałów. Wszystkie te czyn niki sprawiły, że jony fosforanowe były wy chwytywane z „pierwotnej zupy” praoceanu przez twory ewoluujące w kierunku życia. W tej pierwotnej zupie znajdowały się jednak również stosunkowo wysokie stężenia Ca , a

powinowactwo ich do P 04 jest bardzo duże.

Iloczyn rozpuszczalności ortofosforanu wapnia

Ca3(P04)2, 1 x 10 , jest jednym z najniższych

znanych i wobec tego gdy Ca + natrafią na

P 04 następuje wytrącenie fosforanu wapnia.

Twory aspirujące do życia musiały chronić swe środowisko wewnętrzne przed Ca , aby ochronić reszty fosforanowe i uczyniły to, two rząc błonę komórkową, skutecznie zapobiega

jącą wchodzeniu Ca do komórki, oraz two

rząc wewnątrzkomórkowe zbiorniki retencyj ne, w których jony Ca mogły być internowa ne ( V e t u l a n i 1995). W trakcie ewolucji wapń uzyskiwał coraz to dalsze funkcje, stając się przez to coraz bardziej niezbędny, ale również coraz niebezpieczniejszy dla komórki. Gwał towny wzrost poziomu wewnątrzkomórkowego Ca jest pierwszym i ostatnim sygnałem w ży ciu komórki: życie zaczyna się od potężnej fali wapniowej przebiegającej przez jajo w chwili wniknięcia plemnika, a kończy nie kontrolo wanym napływem Ca +, gdy błona komórkowa nie jest już w stanie przeciwdziałać jego napo rowi, a wlewające się jony aktywują „jak leci” enzymy proteolityczne i lipolityczne, powodu jąc zniszczenie biochemicznej maszynerii ko mórki. Między tymi dwoma wydarzeniami przez komórkę pobudliwą stale przepływają fale wapniowe inicjowane przez „iskierki” (sparks) wapniowe odkryte początkowo w ko

mórkach mięśnia sercowego ( C h e n g i współ-

aut. 1993), a ostatnio opisane również w neu

ronach (Lipp i N i g g l i 1996). Iskierki wapniowe

są obecnie uważane za podstawowe cegiełki składające się na sygnał wapniowy, powstają

(2)

c y w w y n ik u ic h c z a s o w o -p r z e s t r z e n n e j r e k r u ta c ji (Lip p i Bo o t m a n 1997).

Na obecnym etapie ewolucji królestwa zwierząt wapń pełni wiele istotnych i różno rodnych funkcji w ustroju. Ma on istotne zna czenie dla utrzymania postawy i motoryki, za pewnia nieprzepuszczalność błon, działa jako sygnał wewnątrzkomórkowy i umożliwia prze syłanie sygnałów między komórkami, reguluje funkcje cytoszkieletu, skurcze mięśniowe, podział komórki i egzocytozę oraz transkrypcję genów. Odgrywa zasadniczą rolę w obu typach śmierci, jakim może ulec komórka: w nekrozie

i apoptozie. Ca działa jako wtórny przeka

źnik, regulując aktywność licznych enzymów, kanałów jonowych, ekspresję genów szybkiego reagowania, i indukując w ten sposób swoiste programy genetyczne, odpowiedzialne za różne długoterminowe działania komórek, na przy kład tak zwane długotrwałe wzmocnienie (LTP), uważane przynajmniej za model, jeżeli

nie wręcz za podstawę procesów pamięci (Be r-

t o l in o i Ll inAs 1992). Zmiany aktywności po

szczególnych typów kanałów wapniowych we wczesnych stadiach ontogenezy mogą regulo wać takie zjawiska, jak naturalna śmierć neu

ronów i tworzenie się synaps (Hi l a i r e i

współaut. 1996). Jak można się domyśleć, równie różnorodna jest metaboliczna maszy neria, wywołująca zmiany wewnątrzkomórko wego stężenia Ca i reagująca na nie.

W cytosolu komórek obecnie żyjących organizmów stężenie Ca jest bardzo niskie, nanomolarne, podczas gdy stężenie w prze strzeni międzykomórkowej jest kilkanaście ty sięcy razy wyższe. Istnienie tak wysokiego gra dientu stężeń powoduje nieustanne przedosta

wanie się Ca różnymi drogami do wnętrza

komórki i konieczność jego efektywnego usu

wania. Sytuacja taka, potencjalnie niebez pieczna, została jednak wykorzystana przez ewolucję, która pozyskała Ca + jako efektywny sygnał wewnątrzkomórkowy, a także, w nie których przypadkach, międzykomórkowy.

Wapń jest szczególnie predestynowany do pełnienia roli sygnału wewnątrzkomórkowego. Niektóre sole wapnia są łatwo rozpuszczalne a jon wapnia jest niewielki, a przez to szybko dy- funduje w cytoplazmie. Jego poziom jest — ze względów podanych wyżej — ściśle kontrolo wany, a nadmiar prawie natychmiast likwido wany. To umożliwia szybkie powtarzanie sy

gnału. Wreszcie Ca łącząc się z białkami,

podobnie jak jony fosforanowe zmienia ich konformację, a więc może służyć do aktywacji licznych enzymów komórkowych. Sygnał wap niowy jest energetycznie tani — nie ma potrze by syntezy przekaźnika sygnałów, a kłopoty sprawia raczej jego usuwanie.

W tym artykule zajmiemy się jednym aspektem maszynerii regulującej zmiany stę

żenia wewnątrzkomórkowego Ca — wnika-

„ 2+ , - 2+

mem Ca do komorki. Ca czyni to przecho

dząc przez różnego typu kanały. Nieswoiste wnikanie polega na wykorzystaniu kanałów sodowych, przez które na 100 Na+ przemyca się jeden Ca . T a k wprowadzony Ca + nie peł ni roli sygnału. Stąd znacznie ważniejszą rolę odgrywają kanały swoiste, przez które Ca do staje się w sposób legalny, kontrolowany. Ka nały te możemy podzielić na dwie wielkie gru py: kanały sterowane zmianami napięcia bło nowego (VD, voltage-dependent) oraz kanały sterowane przez przyłączenie się swoistego li- gandu, którym jest neuromediator (LD, ligand-dependent). W tym artykule omówimy tylko pierwszą grupę.

KANAŁY JONOWE

2+

Kanały Ca sterowane potencjałem należą do nadrodziny kanałów jonowych. Kanały takie są strukturami regulującymi napływ jonów do komórki zgodnie z gradientem stężeń. Ich pod stawową cechą jest selektywność (mówiąca, ja kie jony i w jakich proporcjach będę przez ka nał przepuszczane) oraz przewodność (stosu nek wielkości przechodzącego prądu jonowego do różnicy potencjałów w poprzek błony). Prze chodzące prądy są rzędu pikoamperów, a prze wodności rzędu pikosiemensów (ps). Oznacza to, że kanał przepuszcza jony z szybkością rzę du dziesięciu milionów na sekundę. W przypad

ku kanałów dla jonów, których stężenie w ko mórce jest duże, oznacza to, że otwarcie kanału może zmienić napięcie błony, ale nie zmienia istotnie stężeń jonu wewnątrz komórki. Jednak w przypadku Ca , którego w cytosolu jest ma ło, otwarcie kanałów może podnieść jego śre dnie stężenie wewnątrzkomórkowe nawet o dwa rzędy wielkości. Struktura kanału jonowego jest dość skomplikowana, zasadniczym jej ele

mentem są podjednostki, składające się z dłu giego łańcucha białkowego, kilkakrotnie prze chodzącego w poprzek błony i tworzącego we wnętrzne i zewnętrzne pętle. Istnieje znaczna

(3)

Wapń i kanały wapniowe regulowane potencjałem

493

homologia pomiędzy kanałami jonowymi dla różnych jonów, co świadczy, że w toku ewolucji wykształciła się pewna, optymalna, a przynaj mniej wystarczająca, struktura regulująca

na-kanał sodowy

pływ jonów do komórki, a następnie powstawa ły różne jej warianty. Podobieństwo pomiędzy budową podjednostki kanału sodowego i wap

niowego przedstawia rycina 1.

kanał wapniowy

Rye. 1. Podobieństwo budowy podjednostki oą kanału sodowego i wapniowego typu L świadczy o wspól

nym pochodzeniu i przynależności do jednej nadrodziny białek błonowych (B e r t o lin o i LlinAs 1992).

ZASADNICZA STRUKTURA KANAŁU WAPNIOWEGO Badania biochemiczne, immunoprecypi-

tacja i badania molekularne wykazały, że re gulowane potencjałem kanały wapniowe są kompleksami heterooligomerycznymi. Zasa dniczą część tego kompleksu stanowi podjednostka oą składająca się z czterech motywów tak ułożonych, że stanowią granicę poru. W czasie ewolucji wykształciło się co najmniej sześć genów kodujących różne warianty tej podjednostki (A, B, C, D, E, S) (tab. 1). Podjed nostki oą mają masę od 187 kDa (1634 amino kwasy, oąD z hipokampa szczura) do 273 kDa (2424 aminokwasy, ociA z innych tkanek). Pod jednostki a] różnych typów mają podobną

strukturę czterech odcinków transbłonowych, różnią się natomiast w pętli pomiędzy segmen tem II i III oraz końcowym odcinkiem karbo ksylowym.

To właśnie podjednostka cą determinuje podtyp kanału wapniowego, a co zatem idzie, jego charakterystykę elektrofizjologiczną i far

makologiczną (Dunlap i współaut. 1995, Ste a

i współaut. 1994) (tab. 2). Zawiera miejsce fo sforylacji zależne od cyklicznego AMP, reszty glutaminianowe w świetle poru warunkują se lektywność kanału dla jonów Ca , a leki mo dyfikujące kanał wiążą się blisko wyściółki po

ru (Varadi i współaut. 1995). Każdy z czterech

Tabela 1. Rodzina genów kodujących podjednostki oci i J3 kanałów wapniowych

Pierwotna podjednostka a i

aktywowana niskim lub średnim potencjałem

aktywowana wysokim potencjałem niewrażliwa na

dihydropirydyny wrażliwa na dihydropirydyny

a_{i ?} kanał T a I E kanał R a_{I B} kanał N a_1A kanał P, Q a_ID kanał L a 1C kanał L a 1S kanał L Pierwotna podjednostka (3 0 , p2 N p4 la (mięśnie) lb, lc (mózg) 2a, 2b (mózg, serce) 3a, 3b, 3c (mózg) (móżdżek)

(4)

2+

Tabela 2. Główne typy kanałów Ca sterowanych potencjałem

Typ kanału Podjed nostka a ^ Próg aktywacji Wrażliwość na dihydropirydyny

Selektywni antagoniści Najobfitsze występowanie

L S dihydropirydyny (nifedipina) mięśnie szkieletowe

L c benzotiazepiny (diltiazem) mięśnie gładkie, mięsień sercowy tak fenylalkilaminy (werapamil) mózg, płuca, fibroblasty

L D gruczoły endokiynne, nerki, mózg

P A

wysoki co-agatoksyna IVA (>100 pM) neurony (główne kanały w (HVA) co-ko n o toksyn a MVIIc komórkach Purkinjego), nerki

9 A oocyty żaby, komórki w hodowli

N B co-konotoksyna GVLA (<100 pM) neurony, komórki endokiynne

R E niski nie Ni2+ (<30 pM) ośrodkowy układ nerwowy

T ? i średni (LVA) mięśnie, neurony, komórki

neuro-endokrynne

Istnieje ponadto wiele toksyn bezkręgowców o niskiej swoistości w stosunku do poszczególnych typów kanałów wap niowych: funelotoksyna (poliamid z jadu Agelopsis), co-grammotoksyna S IA z ja d u tarantuli Grammostola spatulata, co-konotoksyny MVIIA i MVIIC z ślimaka Conus magmus itp. Nieswoistymi antagonistami licznych typów kanałów Ca2+ są również jony Ni i Cd +. Odkrywane są nowe podtypy kanałów P i R (Ve t u l a n i 1995, Du n l a pi współaut. 1995,

Va r a d i i współaut. 1995).

motywów stanowiących por składa się z sze ściu odcinków przechodzących poprzez błonę i tworzących zewnętrzne i wewnętrzne pętle, które zawierają regiony regulacyjne, do których mogą się przyłączać białka regulujące kanał, jak na przykład syntaksyna w kanale typu N, uczestnicząca w procesie uwalniania

neuromediatora (ryc. 2) ( S t a n l e y 1997).

stki z podjednostkami a2/8 i P przyspieszała ki

netykę, zwiększała gęstość receptorów i podno

siła liczbę miejsc wiążących ligandy ( V a r a d i i

współaut. 1991). Podjednostka p w czasie ewo

lucji wykształciła cztery warianty (tab. 1) i oka

zało się, że z różną siła przyspieszają one kine

tykę inaktywacji podjednostki oą ( S a t h e r i

współaut. 1993, E l l i n o r i współaut. 1993).

Po-Poza tworzącą por podjednostką oą w kom pleks kanału wapniowego wchodzą jeszcze podjednostki mogące modyfikować funkcje ka nału. Ich rolę wykazano stwierdzając, że eks presja samej podjednostki ais wystarczyła do utworzenia kanału wapniowego w mysich fi- broblastach, ale kinetyka jego aktywacji i inak

tywacji była niezmiernie powolna ( P e r e z - R e y e s

i współaut. 1989), a koekspresja tej

podjedno-Ryc. 2. Podjednostka a ! kanału wap niowego typu N z zaznaczonym miej scem przyczepienia się białka synta- ksyny, biorącego udział początkowo w sprzęganiu pęcherzyka synaptycz nego z kanałem, a następnie — po znacznym zwiększeniu poziomu wap nia — w tworzeniu miejsca egzocytozy (S ta n le y 1997).

za najintensywniej badaną podjednostką p, znajdującą się w cytoplazmie, oraz a2, położo ną na zewnątrz, w przestrzeni międzykomórko

wej, w skład kompleksu wchodzą jeszcze

transmembranowe podjednostki y i 8 lub ich

analogi. Schemat budowy kanału wapniowego regulowanego potencjałem przedstawia, na przykładzie kanału typu L, rycina 3.

(5)

495

Ryc. 3. a — schematyczny układ podjednostek tworzących kanał wapniowy typu L. b — podjednostka aj

Miejsca zaznaczone gwiazdkami to elementy zagłębione w błonie, ale jej nie penetrujące, stanowiące wyściółkę kanału. (Porównaj z ryciną 2) (VARADI i współaut. 1995).

Podjednostki oą i p oddziałują na siebie allo- steiycznie — wszystkie typy podjednostek oą po siadają sekwencje aminokwasów łączące się z równie silnie konserwowanym trzydziestoami- nokwasowym odcinkiem blisko końca aminowe go podjednostki (3. Zapewne to powiązanie okre

śla, czy kanał wapniowy będzie należał do szyb kich czy powolnych. Jak dowiemy się później, miejsce to jest punktem uchwytu regulacji ka nałów wapniowych przez białka G. Szczegółowo budowę kanału wapniowego sterowanego po

tencjałem opisują Y a r a d i i współaut. (1995).

PODTYPY KANAŁÓW WAPNIOWYCH

2+

Odkrycie, że Ca wnika do komórki po

przez kanały jonowe zostało dokonane przez Fatta i Katza w 1953. Dopiero ponad 20 lat

później Hagiw ara i współpracownicy (1975) na

podstawie badań elektrofizjologicznych zapro

ponowali, że Ca napływa do komórki przez

co najmniej dwie różne struktury białkowe. W

miarę postępów biochemii, elektrofizjologii, farmakologii i biologii molekularnej liczba po znanych podtypów tych kanałów zaczęła ro

snąć. W 1985 roku Now ycky i współautorzy

(1985a) opisali w zwoju korzenia górnego kury trzy typy kanałów wapniowych, różniących się wielkością potencjału błonowego, przy którym są aktywowane, oraz czasem otwarcia kanału. Kanały otwierające się krótko i aktywowane niskim potencjałem nazwali kanałami T (transient, przejściowe), kanały otwierane na dłużej przy wysokim potencjale — kanałami L (long-lasting, długotrwałe), zaś trzeci typ, róż ny od pozostałych, kanałami N (neither L nor T; ani takie, ani takie). Do dziś dnia zasadni cza klasyfikacja kanałów wapniowych regulo wanych potencjałem opiera się na tym podzia le: wyróżniamy kanały aktywowane niskim po tencjałem (LVA, niskoprogowe) oraz aktywo wane wysokim potencjałem (HVA, wysokoprogowe). Niedługo potem, początkowo w komór kach Purkinjego odkryto nowy typ kanału, na

zwany od swego pierwotnego źródła kanałem P. Te trzy kanały rozróżniamy farmakologicz nie: kanały L to kanały blokowane przez po chodne dihydropirydyny, jak nifedypina, ka nały N blokuje peptyd z jadu ślimaka morskie go, co-konotoksyna GVIA, a kanały P — peptyd z jadu pająka, co-agatoksyna GVLA (ryc. 4). Dalsze postępy biologii molekularnej doprowa dziły do tego. że obecnie wyodrębnia się co najmniej sześć typów kanałów różniących się od siebie budową, charakterystyką generowa nego przez nie prądu wapniowego oraz wła

snościami farmakologicznymi (tab. 2): kanały

niskoprogowe T i wysokoprogowe — L, N, P, Q i R, które omówimy szczegółowiej. Jeszcze wciąż znajduje się nowe podtypy kanałów czy warianty znanych podtypów. Hodowane ko mórki ziarniste móżdżku stanowią dobry mo del do badania kanałów wapniowych, ponie waż występują tam kanały wszystkich typów. Stwierdzono, że jest w nich obecny kanał L, który może się różnić od kanału L z kory i hipokampa, gdyż posiada nieco inną charakte rystykę farmakologiczną; w odróżnieniu od po zostałych kanałów nie jest wrażliwy na elipro-

dil (Biton i współaut. 1997). Ostatnio w ko

mórkach tych opisano trzy nowe rodzaje kana łów, nazwane G l, G2 i G3, przy czym G1 jest podtypem kanału P, zaś G2 i G3, jako odpor

(6)

Rye. 4. Selektywne ligandy służące do charakteryzowania głównych typów wysokoprogowych kanałów wapnio wych regulowanych potencjałem, L, N

i P. (D unlap i współaut, 1995).

ne na działanie związków blokujących kanały

L, N i P, zaliczono do grupy R (resistant, odpor

ne) (Tottene i współaut. 1996).

Jest bardzo prawdopodobne, że ewolucja typów kanałów wapniowych przebiegała rów noległe do ewolucji różnych funkcji komórko wych, w których kanały te odgrywają zasadni czą rolę. Inne kanały powstały do inicjowania skurczu mięśniowego, inne do regulacji sekrecji. Ewolucję tę możemy prześledzić tworząc „drzewo genealogiczne” na podstawie homologii podjednostek oą i p (tab. 1 i 2). Jest rzeczą istotną, że różne kanały wapniowe, różniące się charakterystyką biofizyczną i farmakologiczną, występują w tej samej komórce i wzajemnie

uzupełniają się funkcjami (Dunlap i współaut.

1995). W spółpracy kanałów wapniowych, zwłaszcza w procesie regulowania uwalniania neuromediatorów w synapsie, poświęcimy wię cej uwagi pod koniec tego artykułu.

K A N A Ł T

Kanał T został odkryty przez LlinAsai Yar o-

m a (1981) w kadłubach neuronów dolnego ją

dra oliwkowatego świnki morskiej, podczas gdy kanały wysokoprogowe znajdują się w zakoń czeniach. Później wykryto je w neuronach zwo jów korzenia tylnego kury i szczura. Jest kana łem niskonapięciowym; jego aktywacja wymaga niewielkiej depolaryzacji (-50 mV). Przenosi prąd przy ujemnych potencjałach membrano wych (-40 — 10 mV): prąd ten zanika w ciągu

10-50 ms i stąd nazwa kanału (T, transient). Maksymalna przewodność kanału T wyno

si 8 pS. Jego struktura nie jest jeszcze znana,

nie jest znany też typ podjednostki oą tworzą cej por w tym kanale. Nie dysponujemy na ra

zie czułymi i swoistymi ligandami tego kanału: hamowany jest silniej niż inne typy kanałów wapniowych przez Ni . Kanały T są też bloko

wane przez amilorid (Tang i współaut. 1988),

związek, który blokuje również wymiennik sodowo-protonowy i sodowo-wapniowy. Wzglę dnie swoiście kanał T blokują wyższe alkohole

(Sinton i współaut. 1989).

Fakt, że kanał typu T jest aktywowany przez napięcia bliskie potencjałowi spoczynko wemu wskazuje, że może on być odpowiedzial ny za oscylacyjną akcję neuronów. Oscylacje te mogą pełnić ważną rolę w wyznaczaniu glo balnych stanów funkcjonalnych (np. sen, czu wanie, uwaga), w koordynacji ruchowej oraz w determinowaniu połączeń neuronalnych w czasie ontogenezy. Zaburzenia takich oscyla cji, zwłaszcza w obwodach wzgórzowo-koro- wych, mogą być związane z pewnymi choroba

mi neurologicznymi i psychiatrycznymi (LlinAs

1988). We wzgórzu aktywacja kanałów typu T powoduje dwa typy aktywności: toniczną oraz fazową (napadową). Dzięki temu neurony wzgórzowe zachowują się jak oscylatory o dwóch różnych częstotliwościach. Zmiany po tencjału błonowego powodują zmianę typu działania neuronów wzgórzowych. Przy poten cjałach bardziej dodatnich niż -60 mV komór ki iskrzą z częstotliwością 10 Hz w wyniku ak tywacji prądu sodowego, przy potencjałach bardziej ujemnych niż -65 mV są wyzwalane potencjały czynnościowe o częstotliwości 5 Hz

w wyniku inaktywacji kanałów T (LlinAs i

Jahnsen 1982). Poza ośrodkowym układem

mózgowym kanały typu T pełnią istotną rolę w różnych narządach obwodowych, na przykład w trzustce, gdzie ułatwiają sekrecję insuliny w

(7)

497

wyniku zwiększania ogólnej pobudliwości ko

mórek wydzielających ten hormon (B h a t t a -

c h a r j e e i współaut. 1997).

KANAŁ L

Kanał typu L jest uważany za prototypowy dla wszystkich kanałów jonowych wymagają cych wysokiego potencjału aktywacyjnego (HVA). Występuje w dużych ilościach w tkance mięśniowej, w poprzecznej błonie tubuli i mo że być znakowany związkami pochodnymi di-

hydropiiydyny ( F o s s e t i współaut. 1983).

Umożliwiło to jego izolację i zbadanie struktu ry ( C a m p b e l l i współaut. 1988, C a t t e r a l l i współaut. 1988).

Kanał L jest aktywowany dopiero przy znacznej depolaryzacji neuronu, a maksymalna amplituda prądu wapniowego związana z jego otwarciem następuje przy potencjale +10 mV. Ma on wysoką przewodność, rzędu 25 pS, a spadek prądu po jego zamknięciu jest powol ny, rzędu 500 ms. Kanał L może otwierać się na dwa sposoby. W trybie pierwszym (mode I), występującym znacznie częściej, kanał otwiera

się na krótko (średnio 1 ms) ale często, powo

dując serię wyładowań. W trybie drugim (mo de II) otwarcie kanału trwa ponad 10 ms. Po nadto kanał może znajdować się w trybie nie

wrażliwym na pobudzenie (mode 0) ( N o w y c k y i

współaut. 1985a, b, Fox i współaut. 1987a, b). Warunkiem otwarcia kanału L w czasie depo laryzacji jest to, aby był ufosforylowany: na pływ Ca przez kanały L jest więc regulowany przez aktywność swoistej fosfatazy, kalcyneu- ryny ( A r m s t r o n g 1989).

Zasadniczą funkcją kanałów typu L jest tworzenie potencjałów czynnościowych oraz

2+ napełnianie siateczki endoplazmatycznej Ca . Kanały te znajdują się we wszystkich tkan kach pobudliwych. W mózgu występują tak na kadłubach, jak i na zakończeniach neuronów. Szczególnie liczne skupiska kanałów L obser wuje się przy podstawach .większych dendry- tów w komórkach piramidalnych w hipokampie. Jak się wydaje, pełnią tam one istotną ro lę w zjawisku tak zwanej opóźnionej facylitacji, zapewniającej długotrwały napływ Ca2+ do neuronów w warunkach ujemnego potencjału membranowego. Aktywacja receptora p-adre- nergicznego swoiście blokuje ten typ odpowie dzi, ale nie inne rodzaje aktywności kanałów L

(Clo ues i współaut. 1997).

Kanały typu L występujące w mięśniu ser cowym, mięśniach szkieletowych i tkance ner wowej różnią się od siebie strukturą podjednostki oą, posiadają jednak w zasadzie podobną

farmakologię. Leki działające na kanały typu L w mięśniu sercowym i naczyniach były bada ne szczególnie szeroko, gdyż znalazły zastoso wanie w terapii chorób krążeniowych, głównie jako leki obniżające ciśnienie u osób z nadci

śnieniem. Najbardziej swoiste substancje od działujące z kanałem typu L to związki z gru py dihydropirydyny, które mogą wywierać działanie agonistyczne lub antagonistyczne. Antagonistami, powodującymi zmniejszony napływ Ca + do komórki są takie leki, jak nifedypina, nitrendypina czy nimodypina, agoni- stą zaś BAY K 8644. Działanie dihydropirydyn nie polega na blokowaniu czy otwieraniu poru kanału, ale na zmianie jego typu otwierania się. Agonista BAY K 8644 zmienia sposób bramkowania kanału z typu o krótkim otwar

ciu na typ o długim otwarciu ( N o w y c k y i

współaut. 1985b). Na podjednostce oą znajdu ją się, poza miejscami swoiście wiążącymi po chodne dihydropirydyny, jeszcze miejsca wią żące innych antagonistów kanału L, pochodne benzotiazepiny (np. diltiazem) i fenylalkilaminy (np. werapamil) (ryć. 5)

Ryc. 5. Model podjednostki cx| kanału wapniowego typu L, z zaznaczeniem miejsc wiązania się różnych typów antagonistów tego kanału. Miejsca te znaj

dują się na motywie IV (V ara d i i współaut. 1995).

Kanały L mogą zmieniać swą gęstość (żar gonowo mówiąc: być up- lub down-regulowa-

ne) przez własne ligandy (P a n z a i współaut.

1985), a także ulegać zmianom pod wpływem innych czynników, jak na przykład abstynen cja morfinowa czy chroniczny elektrowstrząs

( A n t k i e w i c z - M i c h a l u k i współaut. 1990a, b, 1991, 1994). Sugeruje to możliwość istnienia naturalnych, endogennych ligandów tych ka nałów, co oznaczałoby, że — wbrew nazwie — mogą być one regulowane nie tylko napięciem.

(8)

Sugestię tę potwierdzają dane biochemiczne i

elektrofizjologiczne (Sa n n a i Ha n b a u e r 1987,

Ca l l e w a e r t i współaut. 1989). Jak wspomnia

no, kanały typu L wymagają do swego działa nia fosforylacji i są regulowane, poza kalcy- neuryną, przez kinazy tyrozynowe i kinazę białkową C (PKC) i wydają się być miejscem integracji aktywacji kinaz tyrozynowych i szla ków zależnych od PKC. Aktywność PKC okre śla, czy kinazy tyrozynowe będą w danym układzie zwiększać, czy zmniejszać aktywność

kanału L (St r a u s s i współaut. 1997).

Szczególnie interesującą rolę wydają się pełnić kanały typu L w regulacji zmian adap tacyjnych w ośrodkowym układzie nerwowym. We własnych badaniach wykazaliśmy, że blo kada kanałów typu L w chwili podawania le ków stosowanych chronicznie znosi takie efek ty, jak wytwarzanie się uzależnienia od morfi ny (An t k i e w ic z- Mic h a l u k i współaut. 1993),

powstawanie zespołów odstawienia po neuro

leptykach (Ma m c z a r z i współaut. 1994, An t

k i e w ic z-Mi c h a l u k i współaut. 1995), czy zabu

rzenia metabolizmu dopaminy po LSD (An t

k i e w ic z-Mi c h a l u k i współaut. 1997). Również

wyniki innych sugerują, że kanały typu L mo gą grać rolę w mechanizmach uzależnień leko

wych (Ku z m in i współaut. 1996). Wszystko to

sugeruje, że związki blokujące napływ Ca do komórki przez kanały typu L mogłyby znaleźć zastosowanie w zwalczaniu narkomanii.

KANAŁ n

Kanały typu N występują w tkance nerwo wej i stąd często mylnie przypuszcza się, że od tego właśnie wzięły swoją nazwę (faktycznie od słowa neither - zob. wyżej). Są one aktywowa ne wysokim potencjałem, posiadają przewod ność 13-20 pS, a ich stała deaktywacji wyno si 50-80 ms. Charakterystyka prądu wapnio

wego z kanału N jest złożona (P lu m m e r i

współaut. 1989, P lu m m e r i H e s s 1991) i ten

sam kanał w danym neuronie może bądź otwierać się na krótko i wielokrotnie, dając se rię impulsów, bądź otwierać się na długo (podobnie, jak to robią kanały L omówione wy żej). Ich scharakteryzowanie umożliwił fakt, że są one wybiórczo blokowane przez co-konoto- ksynę-GVLA— jeden z grupy toksycznych pep-

tydów z drapieżnego ślimaka morskiego Conus geographicus ( O l i v e r a i współaut. 1985).

Kanały N pełnią, wraz z kanałami P, zasa dniczą rolę przy uwalnianiu neuromediatorów z zakończeń nerwowych. co-Konotoksyna- 'GVIA, na przykład, całkowicie blokuje uwal

nianie acetylocholiny w płytce

nerwowomię-śniowej żaby i ta jej właściwość jest wykorzy stywana do paraliżowania ryb przez Conus. Szczegółowo kanały te omówimy opisując rolę Ca przy uwalnianiu neuromediatorów.

Kanały N występują już w życiu embrional nym, co może się wiązać z ich rolą w migracji neuronów, ale najsilniejsza ekspresja następu je po urodzeniu, w tym samym czasie co synap-

togeneza. We wczesnych okresach rozwojowych kanały N pojawiają się na kadłubach komórek przed wytworzeniem dendiytów i czynią to asynchronicznie w różnych polach (CA3-CA4 przed CA1-CA2 i zawojem zębatym). Dane te wskazują, że ekspresja kanałów N jest ważna dla genezy transmisji synaptycznej w różnych

rejonach hipokampa (J o n e s i współaut. 1997).

KANAŁ p

Kanał P został odkryty później niż „wielka trójka” czyli kanały T, L i N, chociaż wydaje się, że jest to najbardziej rozpowszechniony typ ka nału wapniowego w ośrodkowym układzie ner wowym ( B e r t o l i n o i L lin A s 1992, D u n la p i współaut. 1995). Opisano go jako odrębny typ kanału wysokonapięciowego ze względu na to, że jest swoiście blokowany przez FTX czyli co-agatoksynę IVA, toksynę z jadu amerykań skiego pająka Agelenopsis aperta (funnel-web spider) a nazwano go kanałem P, ponieważ od kryty został najpierw w komórkach Purkinjego

(L lin A s i współaut. 1989). Znaleziono go na stępnie w dużych ilościach w innych obszarach

ośrodkowego układu nerwowego ( H illm a n i

współaut. 1991). Wydaje się pełnić rolę inte grującą aktywność nerwową i bierze udział w uwalnianiu neuromediatorów w synapsach.

KANAŁ Q

Podobny do kanału P, kanał Q został opi sany najpierw przez grupę Randalla i Tsiena

jako kanał doe-1 w organie elektrycznym pła

szczki Dyscopyge ammata (Z h a n g i współaut.

1993). Wykazano później, że bierze udział, na równi z kanałem N, w uwalnianiu neurome-

diatora w hipokampie ( W h e e l e r i współaut.

1994), a w szczególności jest zaangażowany w

uwalnianie dopaminy w siatkówce (Ta m u r a i

współaut. 1995). Kanały podobne do Q znale ziono też w organie elektrycznym płaszczki Ra

ja montagui (Rich ardson i współaut. 1995). Od odkrycia kanału Q minęło tak niewiele cza su, że nie jest on jeszcze umieszczany na ma pach ewolucji genów kanału wapniowego lub traktowany jest jako podtyp kanału R. Inni traktują go jako podtyp kanału P i mówi się nawet o kanałach typu P/Q.

(9)

499

MODULACJA KANAŁÓW WAPNIOWYCH PRZEZ BIAŁKA G System kanałów wapniowych jest powiąza

ny z całością systemów sygnalizacyjnych w ustroju i może być przez nie modulowany. Szczególnie interesującą rolę odgrywa modula cja kanałów wapniowych przez presynaptyczne receptory dla neurotransmiterów, realizowana poprzez sygnały przekazywane przez regulato rowe białka wiążące GTP (białka G). Od daw na wiadomo było, że białka te pełnią zasadni czą rolę w transdukcji sygnału w receptorach metabotropowych, a teraz zaczyna się odkry wać ich drugie oblicze. Badania nad regulacją kanałów wapniowych przez białka G to jeden z najintensywniej uprawianych obszarów neuro- biologii, a coraz nowe odkrycia spowodują, że mimo iż ostatnie omówione tu doniesienia były publikowane w sierpniu 1997, w momencie do tarcia tego artykułu do Czytelnika podane tu wiadomości mogą okazać się przestarzałe.

Pierwsze odkrycie wskazujące na to, że sy gnały z receptorów metabotropowych mogą wpływać na aktywność kanałów wapniowych to obserwacja, że serotonina, noradrenalina i GABA hamują prąd Ca w zwoju korzenia grzbietowe go kury (D u n la p i F is h b a c h 1981). Odkrywcy po stawili hipotezę, że blokada wejścia Ca + do za kończenia przez neuromediator jest powodem hamowania presynaptycznego i ma znaczenie w uwalnianiu neuromediatora. Obecnie modula cja hormonalna kanałów wapniowych sterowa nych potencjałem w neuronach oraz komórkach mięśnia sercowego i endokiynnych jest dobrze udokumentowana ( H e s c h e l e r i S c h u l t z 1997). Już ponad trzy lata temu wiedziano, że kanały wapniowe typu N, odpowiadające — jak wiemy — za uwalnianie neuromediatorów, są hamowa

ne w różny sposób przez ponad 20 neuromedia

torów ( H i l l e 1994) i że hamowanie to nie jest

związane ze zmianą liczby kanałów, ale zwolnie niem szybkości aktywacji i (nie zawsze) podnie sieniem progu aktywacji przez część kanałów w zakończeniu, nazwaną populacją kanałów nie

chętnych do otwarcia (B e a n 1989). Hamowanie

wywołane przez neuromediatoiy jest odblokowa ne przez silną depolaryzację.

Pierwszym pytaniem było, które białka G są zaangażowane w regulację kanałów wapnio wych i które kanały podlegają tej regulacji? Jak wiemy białka G są heterotrimerami, a ich ak tywność związana z produkcją wtórnego prze kaźnika jest wyznaczona rodzajem podjednostki a. Białka G zaangażowane w modulację ka nałów wapniowych należą do grupy wrażliwych na toksynę krztuśca (PTX), a dalsze badania wykazały, że w większości są to białka typu Go- Jednakże stwierdzono, że również białko Gs działa blokuj ąco na kanały wapniowe i czyni to

bez pośrednictwa cyklicznego AMP (B r o w n i

B i r n b a u e r 1988). Stosunkowo wcześnie zorien towano się też, że białka G działają na kanały nie poprzez ich fosforylację. Fosforylacja jest również jednym z mechanizmów regulacji ka nałów jonowych, ale jest procesem znacznie wolniejszym, podczas gdy efekty hamujące bia łek G następują w czasie ułamków sekundy

(B e r n h e im i współaut. 1991, B o l a n d i B e a n

1993). Wykazano też, że w niektórych przypad kach białka G działają bezpośrednio na struk tury kanału, w innych czynią to za pomocą nie znanego pośrednika, będącego wtórnym prze kaźnikiem. Stan naszej wiedzy podsumowuje tabela 3. Część wiadomości tam umieszczonych jest już uzupełniona. Ostatnio wykazano na

przykład (S t r u b in g i współaut. 1997), że soma-

tostatyna hamuje nie tylko kanały wapniowe typu N, ale również kanały typu L. Przy okazji

Tabela 3. Szlaki modulacji kanałów Ca2+ przez białka G (H ille 1994)

Receptor Muskarynowy M l Angiotensyny II Muskarynowy M4, adrenergiczny a2, somatostatyny, adenozyny, polipeptydu trzustkowego (PP), prostagladyny E2 Substancji P, Adrenergiczny oc2, polipeptydu

trzustkowego (PP)

Sekretyny, wazoaktywnego peptydu jelitowego (VIP)

Białko G Gq/1, G0 _GniePTX _{G niepTX} _Gs

Modulacja przez wtórny przekaźnik

bezpośrednia bezpośrednia bezpośrednia bezpośrednia Przesunięcie

potencjału aktywacji

nie tak tak nie tak

(10)

stwierdzono, że reguluje kanały wapniowe już we wczesnych stadiach ontogenezy, a regulacja ta może stanowić ważny mechanizm epigene- tycznej kontroli różnicowania neuronalnego.

Problemem badanym intensywnie w ostat nich latach jest molekularny mechanizm ha

mowania prądów Ca przez neuromediatoiy.

Przez długi czas sądzono, że podobnie jak w wy padku generacji wtórnych przekaźników zasa dniczą rolę gra podjednostka a białka G (Ga). Jednakże w roku 1996 jednocześnie z dwóch

ośrodków opublikowano doniesienia (He r l it z e i

współaut. 1996, Ik e d a 1996), że za modulację

kanału wapniowego odpowiada kompleks podjednostek (3y (G^, co udowodniono przez trans- fekcję genów podjednostek (ly do komórek wy kazujących ekspresję kanałów P/Q lub ko mórek sympatycznych zawierających kanał N. Podjednostka Gp jest efektywna bez Gy i może modulować kanał wapniowy, ale wymaga to jej

bardzo wysokiej ekspresji; Gy sama nie jest ak tywna, ale zwiększa znacznie działanie Gp.

W sierpniu 1997 badacze z grupy Birn-

bauera (Qin i współaut. 1997) określili dokła

dnie mechanizm molekularny regulacji neurotransmisji przez presynaptyczne receptoiy związane z białkami G. Opisali oni dwa miej sca wiążące podjednostkę G^, znajdujące się na podjednostkach oc1A, ociB i ocie kanałów wap niowych (a więc na kanałach P, N i Q/R). Jed no miejsce wiązania znajduje się na pętli łą czącej pierwszy i drugi odcinek transmembra- nowy, drugie w połowie wolnego końca C. To właśnie drugie miejsce jest odpowiedzialne za

blokowanie napływu Ca do komórki. Oba

miejsca wiążące Gp7 mogą również wiązać pod

jednostkę p kanału wapniowego, która rywali zując z Gp^ o miejsce wiązania, reguluje sto pień hamowania kanału przez pobudzenie re ceptorów sprzężonych z białkami G.

PRZYKŁADY WSPÓŁDZIAŁANIA KANAŁÓW WAPNIOWYCH

KANAŁY WAPNIOWE W KOMÓRKACH NEUROSEKRECYJNYCH

Różnorodność kanałów wapniowych i fakt, że wiele ich typów występuje na jednej komórce umożliwia sprawne regulowanie wielu czynności fizjologicznych. Dobrym przykładem takiego współdziałania jest sytuacja w olbrzymiokomór- kowych komórkach neurosekrecyjnych, neuro nach zlokalizowanych w podwzgórzu, których zakończenia znajdują się w płacie nerwowym przysadki. Pod wpływem potencjałów czynno ściowych płynących z kadłubów, zakończenia

uwalniają oksytocynę i wazopresynę (Re n a u d i

Bo u r q u e 1991). Szybkość tworzenia potencjałów

oraz ich wzorzec są dokładnie kontrolowane przez wapniowe potencjały następcze, endogen ne prądy błonowe oraz impulsy synaptyczne. Na

pływ Ca reguluje zarówno elektroflzjologiczne

własności perikarionu, jak i uwalnianie pepty- dów z zakończeń. Jak wykazano, w komórkach tych zidentyfikowano większość znanych typów

kanałów wapniowych (ryc. 6) (Fis h e r i Bo u r k e

1996).

2+

Badania prądów Ca w tych komórkach

wskazały na wysoką kompartmentalizację ka nałów wapniowych. Prądy generowane przez kanały T i R występują tylko w perikarionie, a nie w zakończeniu i tylko w perikarionie wyka

Ryc. 6. Kanały wapniowe w podwzgórzowych olbrzymiokomórkowych komórkach neurosekrecyjnych, uwalniających

neurohormony: wazopresynę i oksytocynę w tylnym płacie przysadki. Rozmieszczenie i charakterystyka, a także funk cje kanałów wapniowych sterowanych potencjałem są różne w perikarionie i w zakończeniu. Kanały wapniowe w perikarionie (T, Lniskoprogowy, R, Npowoiny, P) odgrywają istotną rolę w regulacji wzorca bioelektrycznego komórek, uwal nianiu peptydów z dendrytów, regulacji ekspresji genów i plastyczności morfologicznej i funkcjonalnej synaps. Kanały wapniowe w zakończeniu neuronu są inne ( L w y s o k o p r o g o w y . Nszybki. Q) i regulują neurosekrecję, będąc też odpowiedzial

nymi za zjawiska tachyfilaksji i facylitacji sekrecji. Współdziałanie kanałów wapniowych w perikarionie i zakończeniu nerwowym zapewnia elastyczną regulację syntezy i uwalniania neurohormonów (FlSHER i BOURKE 1996).

(11)

501

zano obecność odpowiednich kanałów i mRNA kodującego ich podjednostki og. W aksonach

brak jest niskonapięciowych kanałów T ( B o u r

q u e 1990). Z drugiej strony, mimo tego że ka nały L i N znajdują się zarówno w perikarionie, jak i na zakończeniach generowane przez nie

prądy Ca mają odmienną charakterystykę

elektrofizjologiczną. Kanały L w perikarionie są aktywowane przy niskim potencjale, co jest dla tego typu kanału rzeczą niespotykaną. Przypuszcza się, że mogą one grać rolę przy aktywowaniu czynników transkrypcyjnych, tak jak to czynią w neuronach hipokampa i

kory (M u r p h y i współaut. 1991, B a d in g i

współaut. 1993). Z kolei prądy generowane przez kanały N w perikarionie i w zakończeniu różnią się szybkością inaktywacji.

WSPÓŁDZIAŁANIE KANAŁÓW WAPNIOWYCH W PROCESIE UWALNIANIA NEUROMEDIATORA

Uwalnianie neuromediatora w synapsie jest kluczowym etapem neurotransmisji. Proces ten najłatwiej poddaje się szybkiej modulacji, która jest głównym mechanizmem regulacji przekazy wania sygnału i punktem uchwytu sprzężeń zwrotnych, dostrajających aktywność sieci neuronalnych. Farmakolodzy wiedzą o roli autore- ceptorów, modulujących aktywność synaptycz ną w zależności od stężenia neuromediatora w szczelinie synaptycznej. Uwalnianie neurome diatora jest jednak w sposób krytyczny uzależ nione od napływu Ca do zakończenia synap tycznego i kanały jonowe w zakończeniu pełnią zasadniczą rolę w neurotransmisji.

Podstawowe mechanizmy uwalniania neu romediatora z zakończenia poznano w końcu lat 60-tych, kiedy stwierdzono, że depolaryza cja powoduje w ciągu ułamków milisekund otwarcie kanałów wapniowych, napływ Ca , fuzję pęcherzyków wydzielniczych z błoną ko mórkową i w końcu uwolnienie zawartości pę cherzyka do przestrzeni synaptycznej. Zakoń czenie presynaptyczne nerwu działa więc jako mikroskopijny, ultraszybki przetwornik elek tromechaniczny.

Wejście Ca do zakończenia nerwowego

powoduje zakotwiczanie się pęcherzyków sy naptycznych, wypełnionych neuromediatorem w błonie komórkowej, a następnie fuzję błony pęcherzyka z błoną komórkową i opróżnienie jego zawartości do szczeliny synaptycznej. Jak stwierdzono, w zakończeniach występują róż ne typy kanałów i, co więcej, zakończenia ner wowe z różnych części mózgu i zakończenia uwalniające różne neuromediatory wykazują

różne zestawy typów kanałów ( S t a n l e y 1997).

Pierwszym kanałem wykazanym w zakoń czeniu nerwowym był kanał typu N blokowany przez co-konotoksynę GVLA. ( K e r r i Y o s h ik a m i

1984, M i l l e r 1987). Wkrótce wykazano, że jest

on zlokalizowany na powierzchni, gdzie są

uwalniane neuromediatory ( T o r r i T a r e l l i i

współaut. 1991, C o h e n i współaut. 1991).

oo-Konotoksyna GVIA blokuje uwalnianie wielu neuromediatorów, takich jak kwas glutamino wy, GABA, acetylocholina, dopamina i nor adrenalina z hipokampa, kory lub prążkowia

(D u n la p i współaut. 1995). Chociaż jednak

co-konotoksyna GVLA. jest pełnym antagonistą kanału N, wywoływany przez nią blok jest tyl ko częściowy, a siła działania peptydu zależy od charakteru synapsy: peptyd blokuje silniej uwalnianie GABA niż kwasu glutaminowego

( H o r n e i K em p 1991). Wynika stąd, że w regu lacji uwalniania neuromediatorów biorą udział i inne kanały, na przykład kanały P. Ich ligand, co-agatoksyna IVA, również tylko częściowo ha muje napływ Ca do synaptosomów i uwalnia nie neuromediatora; łączne zahamowanie ka nałów N i P powoduje znacznie silniejszy blok neurotransmisji i uwalniania neuromediatora. Dopiero inne, mniej swoiste inhibitory, zwła

szcza co-grammotoksyna ( T u r n e r i współaut.

1995) czy Ni2+ ( S o o n g i współaut. 1993), ha

mują całkowicie wapniozależne procesy zwią zane z przekaźnictwem synaptycznym. Wszyst ko to wskazuje, że w uwalnianiu neuromedia tora z synapsy odgrywają rolę przynajmniej trzy typy kanałów, N, P i R. Kanały L (klasy C i D) nie biorą bezpośrednio udziału w uwalnia niu neurotransmitera z synapsy.

Wydaje się, że pogląd, w myśl którego ka nały wapniowe i miejsca uwalniania neurome diatora z pęcherzyka znajdują się w bezpośre dniej styczności i tworzą kompleks, jest nie do obalenia. Z jednej strony wskazują na to wyni ki badań morfologicznych, z drugiej — fakt szybkości reakcji uwalniania neuromediatora:

następuje ono 0,2 ms po rozpoczęciu napływu

Ca , a ponieważ rozprzestrzenianie się jonów w synapsie jest ograniczone szybkością dyfu zji, oznacza to, że odległość pomiędzy miej

scem napływu Ca a egzocytozy nie przekra

cza 100 nm. Dalszym dowodem kolokalizacji kanałów wapniowych i miejsc uwalniania jest to, że stężenie Ca ’ potrzebne do inicjacji uwalniania, musi być bardzo wysokie, co naj mniej 20 ąM. Takie stężenie może być osią gnięte tylko bardzo blisko miejsca wnikania

Ca czyli poru w kanale. Koncepcja domeny

jonowej (S m ith i A u g u s t i n e 1988) zakłada, że stężenie neuroprzekaźnika jest bardzo wyso

(12)

kie przy porze i gwałtownie spada z odległo ścią. Domena jonowa pojedynczego kanału rozciąga się tylko na ułamki mikrometra, ale mogą istnieć skupiska kanałów i wówczas do mena jest wyznaczona wielkością skupiska. Domena powstaje i znika w ciągu mikrose

kund i zmienia się wraz z fluktuacją kanału. Obliczenia wskazują, że dla uwolnienia jedne go pęcherzyka potrzeba około 190 kanałów. Model, w którym kanał typu N jest częścią składową mechanizmu uwalniającego neuro-

mediator przedstawia rycina 7.

Ryc. 7. Kompleks uwalniający neuromediator do szczeliny synaptycznej. Kanał wapniowy typu N po otwarciu otoczony jest domeną wapniową, w której na prze

strzeni około 30 nm stężenie Ca + spada z 100 do 10 pM. Kanał zawiera miejsce zakotwiczenia, do którego przyłącza się (dokuje) pęcherzyk synaptyczny. Jony Ca powodują uruchomienie białkowego mechanizmu prowadzącego do egzocytozy i uwolnienia neuromediatora z pęche rzyka (Stanley 1997).

ZAKOŃCZENIE Wapń to pierwiastek niezbędny dla życia,

ale również bardzo niebezpieczny, i dla żywego organizmu jego wykorzystanie jest zawsze igraniem z ogniem (zresztą w końcu zawsze z fatalnym skutkiem dla osobnika). Stąd jego napływ do komórki musi być ściśle regulowa ny; jest rzeczą zdumiewającą, jak elastyczną jest ta regulacja. Elastyczność ta powstała w toku ewolucji przez stosunkowo niewielkie zróżnicowanie podjednostek oą, determinują cych charakterystykę kanału. Dalsze subtelne regulacje związane są ze zmiennością podjed nostki (3. W rezultacie organizm dysponuje ca łą gamą kanałów wapniowych dostosowanych do różnych potrzeb. Co więcej, kanały te współ istnieją i współpracują ze sobą we wszystkich komórkach pobudliwych, regulując liczne funkcje Ca . Na dodatek są regulowane w sposób pośredni przez neuromediatoiy, które uwalniają z kompleksów receptorów metabotropowych podjednostki Gpy, modyfikujące oddziaływania pomiędzy podjednostkami ai i (3 kanałów wapniowych.

Ze względu na rozmiar artykułu nie wspo mniano tu o wielu innych ważnych procesach regulacyjnych, jak na przykład regulacji kana łów wapniowych w substancji szarej okołowodo-

ciągowej przez receptory opioidowe ą (Kim i

współaut. 1997), co może mieć bardzo istotne znaczenie dla regulacji bólu, w której zarówno opioidy, jak i Ca + (Ross i C a r d e n o s 1979) od

grywają kluczowe role. Nie omówiliśmy też istot nej roli białek pęcherzykowych współdziałają cych z kanałami wapniowymi w procesie egzocy-

tozy neuromediatora (S h e n g i współaut. 1996).

Zupełnie na uboczu pozostawiliśmy intere sujące zagadnienie napływu Ca + do komórki przez kanały sterowane ligandem, zwłaszcza kanały NMDA. Równie ciekawe są kanały wap niowe w magazynach wewnątrzkomórkowych, zwłaszcza w siateczce endoplazmatycznej, re gulujące tworzenie wspomnianych we wstępie

fal wapniowych ( E h r l i c h i współaut. 1994) a

także regulowanie kanałów błonowych przez

poziom Ca + w cytozolu ( P u t n e y 1986).

Na zakończenie można się zastanowić, czy taka różnorodność kanałów wapniowych po wstała wyłącznie w wyniku presji czynników wewnętrznych, czy też może istniała również jakaś zewnętrzna tego przyczyna. Można bo wiem przypuszczać, że zaangażowanie kilku typów kanałów wapniowych w neurotransmi- sję i uniknięcie w ten sposób pewnego mono polu jednej struktury jest wykształconym w procesie ewolucji wentylem bezpieczeństwa. Wiadomo bowiem, że jady wielu bezkręgow ców: drapieżnych owadów, pajęczaków i mię czaków, zawierają silne blokery kanałów wap niowych. Zróżnicowanie tych kanałów powo duje, że toksyna jednego napastnika nie musi powodować fatalnych skutków dla napadnię tej ofiary.

(13)

503

CALCIUM AND VOLTAGE-DEPENDENT CALCIUM CHANNELS S u m m a r y

In the course of evolution calcium assumed a position of the element that is necessary but also very dangerous for the living cell. To enable calcium to play the role of a signal in the cell and to prevent its toxic effects, the

intra-2 +

cellular Ca concentrations must be very low and stric tly controlled. The important components of the control system are voltage-dependent (VD) Ca2+ channels, regula ting Ca entry to the cell depending on the membrane po tential. The channels are heterooligomers consisting o f fi ve subunits: the subunit ai that forms the channel pore, shows the greatest diversity and determines the physiolo gical, electrophysiological and pharmacological properties of the channel. Although the cu subunit may alone act as a Ca channel, its activity is strongly enhanced by bin ding of the 3 subunit.

2 +

The VD Ca channels are presently classified as low- voltage and high-voltage. The low-voltage channels are T channels, playing an important role in the oscillatory elec trophysiological action of neurons. The high-voltage chan

nel group includes L, N, P, and Q channels that are phar macologically distinguished by their specific ligands: di- hydropyridines (L), co-conotoxin GVLA. (N), co-agatoxin IVA (P), co-conotoxin MVIIc (Q), and R channels that are resi stant to specific organic ligands. L channels play an im portant role in generation of action potentials and refilling o f Ca intracellular stores. They also control the expres sion of genes, and their blocking seems to inhibit various adaptive responses. N and P channels are involved in re lease of neurotransmitters from synaptic vesicles into the synaptic cleft; Q and R channels cooperate with the other channels to permit fine tuning o f electrophysiological ac tivity of the neuron. VD Ca + channels are controlled indi rectly by neurotransmitters such as J3y subunits o f G0/i proteins dissociating during metabotropic receptor activa tion, which modulate the activity o f the channels by com peting for the sites of binding o f ai and 3 subunits of the Ca channel.

LITERATURA

An t k ie w ic z-Mic h a l u kL., Mic h a l u kJ., Ro m a ń s k aI., Ve t u-

l a n i J., 1990a. Cortical dihydropyridine binding sites

and a behavioral syndrome in morphine-abstinent rats. Eur. J. Pharmacol. 180, 129-135.

An t k ie w ic z-Mic h a l u k L., Mic h a l u k J ., Ro m a ń s k a I., Ve t u-

l a n i J ., 1 99 0b . Effect o f repetitive electroconvulsive tre atment on sensitivity to pain and on [3H]nitrendipine binding sites in cortical and hippocampal membranes.

Psychopharmacology 101, 2 4 0 -2 4 3 .

An t k ie w ic z-Mic h a l u k L., Mic h a l u k J., Ve t u l a n iJ., 1994. Modification o f effects o f chronic electroconvulsive shock by voltage-dependent Ca + channel blockade with nifedipine. Eur. J. Pharmacol. 2 54 , 9 -1 6 . An t k ie w ic z-Mic h a l u k L., Ro m a ń s k a I., Mic h a l u k J ., Ve t u

l a n i J ., 1 9 9 1. Role o f calcium channels in effects o f an

tidepressant drugs on responsiveness to pain. Psycho

pharmacology 105, 269-274.

An t k ie w ic z-Mic h a l u k L., Mic i-ia l u k J ., Ro m a ń s k a I., Ve t u

l a n i J ., 1993. Reduction o f morphine dependence and

potentiation o f analgesia by chronic co-administration o f nifedipine. Psychopharmacology 1 1 1, 457-464.

An t k ie w ic z-Mic h a l u k L., Ro m a ń s k a I., Ve t u l a n i J ., 1998.

2+

Ca channel blockade prevents lysergic acid diethyla mide-induced changes in dopamine and serotonin me tabolism . Eur. J. Pharmacol.

An t k ie w ic z- Mic h a l u k L., Ka r o l e w ic zB., Mic h a l u kJ., Ve

t u l a n i J., 1995. Difference between haloperidol- and

pimozide-inducecl withdrawal syndrome: a role fo r Ca channels. Eur. J. Pharmacol. 294, 459-467.

Ar m s t r o n gD. L., 1989. Calcium channel regulation by cal-

cineurin, a Ca -activated phosphatase in mammalian brain. Trends Neurosci. 12, 117-122.

Ba d in g H., Gin t y D. D., Gr e e n b e r g M. E., 1993. Regula

tion o f gene expression in hippocampal neurons by di stinct calcium signaling pathways. Science 260,

181-186.

Be a n B. P., 1989. Neurotransmitter inhibition o f neuronal

calcium currents by changes in channel voltage depen dence. Nature 3 40 , 1 5 3 -1 5 6 .

Be r n h e im L., Be e c h D. J., Hil l e B., 1991. A diffusible se cond messenger mediates one o f the pathways coupling receptors to calcium channels in rat sympathetic neu rons. Neuron 6, 859-867.

Be r t o l in o M., Ll inAsR. R., 1992. The central role o f volta

ge-activated and receptor-operated calcium channels in neuronal cells. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 32,

399-421.

Bh a t t a c h a r j e eA., Wh it e h u r s tR. M. Jr, Zh a n g M., Wa n g

L., Li M., 1997. T-type calcium channels facilitate insu

lin secretion by enhancing general excitability in the in sulin-secreting (3-cell line, INS-1. Endocrinology 138,

3735-3740.

Bit o n B ., Go d e t D ., Gr a n g e rP., Av e n e t P., 1997. R- and 2+

L-type Ca channels are insensitive to eliprod.il in rat cultured cerebellar granule neurons. Eur. J. Pharma

col. 323, 277-281.

Bo l a n d L. M., Be a n B. P., 1993. Modulation ofN -type cal

cium channels in bullfrog sympathetic neurons by lute inizing hormone-releasing hormone: kinetics and volta ge dependence. J. Neurosci. 13, 516-533.

Bo u r q u e C. W., 1990. Intraterminal recordings fro m the

rat neurohypophysis in vitro. J . Physiol. (London) 421, 247-262.

Br o w nA. M., Bir n b a u e rT., 1988. Direct G protein gating

o f ion channels. Am. J. Physiol. 354, H401-H410. Ca l l e w a e r tG., Ha n b a u e rI., Mo r a d M., 1989. Modulation

o f calcium channels in cardiac and neuronal cells by an endogenous peptide. Science 243, 663-666. Ca m p b e l l K. P., Le u n g A. T., Sh a r pA. H., 1988. The bio

chemistry and molecular biology o f the dihydropyridi ne-sensitive calcium channel. Trends Neurosci. 1 1,

425-430.

Ca t t e r a l l W. A., 1988. Structure and function o f volta

ge-sensitive ion channels. Science 242, 50-61.

Ch e n g H., Le d e r e r W., Ca n n e l M. B., 1993. Calcium

sparks: elementary events underlying excitation-con- traction coupling in heart muscle. Science 262,

(14)

Cl o u e s R. K ., Ta v a l in S. J ., Ma r r io n N. V ., 1997. fi-adre- nergic stimulation selectively inhibits long-lasting L-ty- pe calcium channel facilitation in hippocampal pyrami dal neurons. J . N e u ro s c i. 17, 6 4 9 3 -6 5 0 3 .

Co h e n M . W ., Jo n e s O. T ., An g e l id e s K. J ., 1991.

Distri-2 +

button o f Ca channels on fro g motor nerve terminals revealed by fluorescent co-conotoxin. J. Neurosci. 11,

1032-1039.

Du n l a p K ., Fis c h b a c h G. D ., 1981. Neurotransmitters de

crease the calcium conductance activated by depolari zation o f embryonic chick sensory neurones. J. Phy

siol. (London) 317, 519-535.

Du n l a p K ., Lu e b k e J. I., Tu r n e r T. J., 1995. Exocytotic

2+

Ca channels in mammalian central neurons. Trends

Neurosci. 18, 89-98.

El l in o r P. T., Zh a n g J. F., Ra n d a l l A. D., Zh o u M., Sc h w a r zT. L., Ts ie n R. W., Ho r n eW. A., 1993. Func

tional expression o f a rapidly inactivating neuronal cal cium channel. Nature 363, 455-458.

Eh r l ic h B. E ., Ka f t a n E., Be z p r o z v a n n y aS., Be z p r o z v a n

-2+ N Y I., 1994. The pharmacology o f intracellular Ca -re lease channels. Trends Pharmacol. Sci. 18, 145-149. Fis h e rT. E ., Bo u r q u e C. W., 1996, Caldium-channel sub-

types in the somata and axon terminals o f magnocel- lular neurosecretory cells. Trends Neurosci. 19,

440-444.

Fo s s e tM., Ja im o v ic h E ., De l p o n t E ., La z d u n s k iM., 1983.

3HNitrendipine receptors in skeletal muscle. J. Biol.

Chem. 258, 6086-6092.

Fox A. P., No w y c k y M. C., Ts ie n R. W., 1987a. Kinetic and

pharmacological properties distinguishing three types o f calcium currents in chick sensory neurones. J. Phy

siol. (London) 394, 149-172.

Fox A. P., No w y c k y M. C., Ts ie n R. W., 1987b. Sin

gle-channel recordings o f three types o f calcium chan nels in chick sensory neurones. J. Physiol. (London)

394, 173-200.

Ha g iw a r aS., Oz a w aS., Sa n dO., 1975. Voltage clamp ana

lysis o f two inward current mechanisms in the egg cell membrane o f a starfish. J. Gen. Physiol. 65, 617-644. He r l it z e S ., Ga r c ia D. E ., Ma c k ie K ., Hil l e B., Sc h e u e r

2+

T., Ca t t e r a l l W. A., 1996. Modulation o f Ca chan

nels by G-protein fy subunits. Nature 380, 258-262. He s c h e l e r J., Sc h u l t z G., 1997. G-proteins involved in

the calcium channel signaling system. Cur. Opin. Neu-

robiol. 3, 360-367.

Hil a ir e C., Dio c h o t S., De s m a d r y l G., Ba l d y-Mo u l in ie r

M., Ric h a r d S., Va l m ie rJ., 1996. Opposite develop

mental regulation o f P- and Q-type calcium currents during ontogenesis o f large diameter mouse sensory neurons. Neuroscience 75, 1219-1229.

Hil l e B., 1994. Modulation o f ion-channel function by

G-protein-coupled receptors. Trends Neurosci. 17,

531-536.

Hil l m a n D., Ch e n S., Au n g T. T., Ciie r k s e y B., Su g im o r i

M., Ll inAs R. R., 1991. Localization o f P-type calcium

channels in the central nervous system. Proc. Natl.

Acad. Sci. USA 8 8, 7076-7080.

Ho r n eA. L., Ke m pJ. A., 1991. The effect o f omega-conoto-

xin GV1A on synaptic transmission within the nucleus accumbens and hippocampus o f the rat in vitro. Br. J.

Pharmacol. 103, 1733-1739.

IK E D A S. R., 1996. Voltage-dependent modulation o f N-type

\ calcium channel by G-protein /3y subunits. N a tu r e 380, \ 255-258.

Jo n e s O. T ., Be r n s t e in G. M ., Jo n e s E. J ., Ju g l o f f D . G.,

La w M., Wo n gW., Mil l sL. R., 1997. N-Type calcium

channels in the developing rat hippocampus: subunit, complex, and regional expression. J . Neurosci. 17, 6152-6164.

Ke r r L. M., Yo s h ik a m i D., 1984. A venom peptide with a

novel presynaptic blocking action. N ature 308,

282-284.

Kim C. J ., Rh e e J . S ., Ak a ik e N ., 1997. Modulation o f

2+

high-voltage activated Ca channels in the rat peria queductal gray neurons by mu-type opioid agonist. J.

Neurophysiol. 77, 1418-1424.

Ku z m in A ., Se m e n o v a S ., Ra m s e yN. F., Zv a r t a u E. E ., Va n

Re e J. M., 1996. Modulation o f cocaine intravenous

self-administration in drug-naive animals by dihydro pyridine Ca channel modulators. Eur. J. Pharmacol.

295, 19-25.

Lip pP., Bo o t m a nM. D., 1997. To quark or to spark, that is

the question. J. Physiol. 502, 1.

Lip p P., N ig g li E., 1996. A hierarchical concept o f cellular

2+

and subcellular Ca -signaling. Progr. Biophys. Mol.

Biol. 65, 265-296.

Ll inAsr., Ja h n s e nH., 1982. Electrophysiology o f mamma

lian thalamic neurones in vitro. Nature 297, 406-408. Ll inAs R., Su g im o r i M., Lin J. W., Ch e r k s e y B., 1989.

Blocking and isolation o f a calcium channel fro m neu rons in mammals and cephalopods utilizing a toxin fraction (FTX) fro m funnel-w eb spider poison. Proc.

Natl. Acad. Sci. USA 8 6, 1689-1693.

Ll inAs R., Ya r o m Y ., 1981. Properties and distribution o f io

nic conductances generating electroresponsiveness o f mammalian inferior olivary neurones in vitro. J . Phy siol. (London) 315, 569-584.

Ll inAs R. R., 1988. The intrinsic electrophysiological pro

perties o f mammalian neurons: insights into central ne rvous system function. Science 242, 1654-1664. Ma m c z a r zJ., Ka r o l e w ic zB., An t k ie w ic z-Mic h a l u kL., Ve

t u l a n i J., 1994. Co-administration o f nifedipine with

neuroleptics prevents development o f activity changes during withdrawal Pol. J. Pharmacol. 46, 75-77.

Mil l e rR. J ., 1987. Multiple calcium channels and neuro

nal function. Science 235, 46-52.

Mu r p h yT. H., Wo r l e y P. F., Ba r a b a nJ. M., 1991. L-type

voltage-sensitive calcium channels mediate synaptic activation o f immediate early genes. Neuron 7,

625-635.

No w y c k y M. C., Fo x A. P., Ts ie n R. W., 1985b. Long-ope

ning mode o f gating o f neuronal calcium channels and its promotion by the dihydropyridine calcium agonist Bay K 8644. Proc. Natl. Acad. Sci. U SA 82,

2178-2182.

No w y c k yM. C., Fox A. P., Ts ie n R. W., 1985a. Three types

o f neuronal calcium channel with different calcium agonist sensitivity. Nature 316, 440-443.

Ol iv e r a B. M ., Gr a y W. R., Ze ik u s R., McIn t o s h J . M ., Va r g aJ., Riv i e r J., d e Sa n t o s V ., Cr u z L. J ., 1985.

Peptide neurotoxins fro m fish-hunting cone snails.

Science 230, 1338-1343.

Pa n z aG., Gr e b b J . A ., Sa n n a E ., Wr ig h t A . G. Jr, Ha n b a u-

e rI., 1985. Evidence f o r down-regulation o f 3H-nitren-

dipine recognition sites in mouse brain after long-term treatment with nifedipine or verapamil Neuropharma

cology 24, 1113-1117.

Pe r e z-Re y e s E ., Kim H. S ., La c e r d a A . E ., Ho r n e W ., We i