Zmiany ekspresji potencjałozależnych kanałów K+
w neuronach
B artło m iej Szulczyk, Paw eł S zu/czy к
K atedra i Zakład Fizjologii Doświadczalnej i Klinicznej Akadem ia M edyczna w W arszaw ie
Streszczenie
P otencjałozależne prądy jon ow e K + m ają decydujący w pływ na aktyw ność neuronów. Prądy te m ożna podzielić na szybko inaktyw ujące (typu IA) oraz na w olno inaktyw ujące (typu IK). W łaściwości kanałów K+ często zm ien iają się w w arunkach patologicznych. Stwierdziliśm y, że po odnerwieniu neuronów gęstość prądów typu IA rośnie natom iast gęstość prądów typu IK maleje.
Również pozbaw ienie neuronów A TP i GTP w środowisku
w ewnątrzkom órkow ym (tak ja k m a to m iejsce w hipoksji) powoduje zwiększenie i zm niejszenie gęstości odpowiednio prądów typu I A i Ik-
W nioskujem y, że pow yższe zmiany właściwości potencjałozależnych kanałów jonow ych K + prow adzą do zm niejszenia aktywności neuronów i ograniczenia
skutków wym ienionych patologii.
Wstęp
Potencjałozależne kanały jono w e K + pow szechnie w ystępują w układzie nerw owym . S ą one w spoczynku zam knięte i nieprzewodne dla jon ó w K+. Kanały te otw ierają się pod wpływem depolaryzacji błony komórkowej co prowadzi do pow stania odkomórkowego (zgodnego z gradientem stężeń dla jonów K +) prądu jon ow eg o potasowego i hiperpolaryzacji błony komórkowej neuronu. P odstaw ą klasyfikacji funkcjonalnej prądów jon ow ych K + są ich w łaściw ości kinetyczne i farm akologiczne (T abela 1). Prądy potasow e płyną przez kanały jo n ow e - błonow e struktury białkowe. Struktury te po siadają odrębną klasyfikację. Każdy z wym ienionych prądów jono w ych K + (Tabela 1) może pow staw ać dzięki aktywacji (otworzeniu) pod wpływem depolaryzacji licznych kanałów jono w ych o odm iennej strukturze (Tabela 2). Różna struktura białka decyduje o różnej "wrażliwości" białka na w tórne przekaźniki (np. różne
Praca była fin an so w ana z bud żetu K om itetu B adań N a ukow yc h (K B N -0 5 7 5/P 05 /2 0 05 /28 ) oraz z bud żetu A kadem ii M e dyczne j w W arszaw ie (projek t 1M A /W 2/2005 ).
podtypy np. kinaz i fosfataz). W związku z tym kom órki nerwowe m ogą kontrolować niezależnie przez różne wtórne przekaźniki prądy jon ow e o tym samym funkcjonalnym znaczeniu [6].
nazwa prądu właściwości prądu
prądy IK (K Dr) prądy nieinaktyw ujące się w czasie
depolaryzacji błony komórkowej prądy IM
K +Ca++ prądy K+ zależne od jo n ó w C a++
i potencjału błonow ego
prądy IAf prądy inaktyw ujące się w czasie
depolaryzacji błony komórkowej prądy IAs
T ab. 1. F u nk cjon alna kla syfikacja kan ałów jo no w yc h K +
nazw a prądu gen cytowania
prądy IK (K DR) K v2 .1, Kv2.2 3 prądy IM KCNQ2, KCNQ3 5, 10 K +C a++ KCNN1, KCNN2 KCNN3, KCNN4 11 prądy IAf K v l, Kv4 2 prądy IAs
T ab. 2. P od zia ł fu n kcjo naln y i struk turaln y p oten cjało zależny ch k anałó w jon o w y c h K+
W łaściw ości kinetyczne i funkcja prądów jonow ych K+
Prądy I k Î I m
W ystęp ują 2 typy potencjałozależnych prądów jon ow ych K+, które nie zm niejszają lub nieznacznie zm niejszają sw oją am plitudę w czasie długotrw ałej ponadprogow ej depolaryzacji błony komórkowej (prądy nieinaktyw ujące się w czasie depolaryzacji). Prądy typu 1K nieznacznie inaktyw ują się w ciągu
trwającej kilkaset m ilisekund depolaryzacji. Prądy typu IM są prawdziwym i
prądami nieinaktyw ującym i. Ich am plituda nie zm ienia się w czasie
ponadprogowej depolaryzacji trwającej nawet kilka sekund. Próg pobudzenia prądów Im je st niższy (około -60 mV) niż prądów lK (około -40 mV). Również gęstość prądów lM jest niższa niż prądów IK [1].
Kanały przew odzące prądy IK są zamknięte przy potencjale błonowym
spoczynkowym i otw ierają się w czasie depolaryzacji związanej
z powstawaniem potencjału czynnościowego. Prądy Ik są odpowiedzialne za fazę repolaryzacji potencjału czynnościow ego i być może za pierw szą część hiperpolaryzacji popobudzeniowej.
Prądy IM pełnią funkcję podobną do prądów 1K. Ponadto, prądy te ze względu na swój bardzo niski próg pobudzenia i brak inaktywacji zależnej od potencjału błonow ego i od czasu m ogą mieć istotny wpływ na powstaw anie potencjału błonowego spoczynkowego. Kanały te są aktywow ane między innymi w następstwie aktywacji receptorów m etabotropowych muskarynow ych co prowadzi do hiperpolaryzacji błony komórkowej [1].
Prądy K + zależne od jon ów Ca++ i potencjału błonowego
Kanały jon ow e przew odzące prądy K+ zależne od jonów Ca++ otw ierają
się w obecności jon ów Ca + w środowisku wew nątrzkomórkowym .
"W spółpracują" one z potencjałozależnym i kanałami jono w ym i Ca++.
W czasie depolaryzacji związanej z potencjałem czynnościowym otw ierają się wysokoprogow e potencjałozależne kanały jono w e Ca i dochodzi do wzrostu koncentracji jonów Ca++ w środowisku wew nątrzkom órkowym . Jego następstwem jest aktyw acja odkom órkowego prądu К zależnego od jo nó w Ca i hiperpolaryzacja błony komórkowej (która zwykle nosi nazwę hiperpolaryzacji popobudzeniow ej) [6].
Prądy IAri Ias
Podstaw ow ą cechą potencjałozależnych prądów potasowych typu IA jest ich inaktyw acja w czasie. Tzn. w czasie trwania długotrwałej ponadprogowej depolaryzacji prądy typu 1A zanikają (inaktywują się) pomim o utrzym ującej się depolaryzacji błony kom órkowej. Drugą cechą tych prądów je st ich niski próg
pobudzenia - często zbliżony do wartości potencjału błonow ego
spoczynkowego. Ponadto prądy te w ykazują silną zależność od potencjału błonow ego spoczynkowego — tzn. cech ują się tzw. inaktyw acją zależną od potencjału błonowego. Zwykle przy potencjale błonowym spoczynkow ym prądy te pozo stają zinaktyw ow ane. W celu usunięcia inaktywacji zależnej od
potencjału błonow ego błona kom órkowa musi zostać najpierw
zależnych od C a++, lub w czasie powstawania postsynaptycznych potencjałów hamujących). Po usunięciu inaktywacji, w końcowej fazie hiperpolaryzacji popobudzeniowej gdy potencjał błonowy wraca do wartości potencjału spoczynkowego (błona kom órkowa jest depolaryzowana) prądy typu 1л ulegają
aktywacji. Taka aktywacja powoduje przedłużenie hiperpolaryzacji
popobudzeniow ej i zm niejszenie częstotliwości powstawania potencjałów czynnościow ych.
Prądy typu 1д dzielim y zwykle na prądy typu IAli IAs. Prądy lAf cechują się szybszą aktyw acją i szybszą inaktywacją zależną od czasu niż prądy IAs.
W związku z powyższym kanały K+ zależne od Ca++ oraz kanały IAf i IAs są podstawowym mechanizmem komórkowym regulującym częstotliw ość potencjałów czynnościowych [4,6,8,9].
Zm iany ekspresji kanałów jonow ych K +
W wielu wypadkach w warunkach patologicznych dochodzi do zmiany ekspresji kanałów jon ow ych i/lub właściwości kinetycznych prądów jonow ych. Zm iany te zwykle m ają charakter kom pensacyjny. Ich celem jest maksym alne zniw elow anie skutków zaburzeń czynnościowych komórki nerwow ej.
Zm iana ekspresji kanałów K + i ich w łaściw ości kinetycznych pod w pływem odnerw ienia neuronów
Zbadano jak wpływ a odnerwienie neuronów na właściw ości kinetyczne
prądów jonow y ch K+ w anatomicznie zidentyfikow anych neuronach
współczulnych gruczołowych.
W 4 do 6 tygodni po odnerwieniu gęstość prądów jonow ych lAf wzrastała z 116.9±8.2 pA/pF do 189.0± 11.5 pA/pF. Czas aktywacji tych prądów skracał się z 2.3 do 0.7 ms. Również skracał się czas powrotu z inaktywacji w neuronach zdecentralizow anych w porównaniu do neuronów unerwionych. W neuronach zdecentralizow anych wzrastała gęstość prądów IAs z 49.9±3.5 pA/pF do 74.3±5.0 pA/pF, czas aktywacji skracał się z 29 ms do 16 ms. Czas powrotu z inaktyw acji prądów IAs był również krótszy po odnerwieniu. Gęstość prądów Ik w neuronach zdecentralizowanych w porów naniu do kom órek kontrolnych zm niejszała się z 76.6±3.9 pA/pF do 60.7±6.3 pA/pF. Wyniki powyższe w skazują, że efektywność prądów typu IA znacznie wzrastała a IK zm niejszała się po decentralizacji. Takie zmiany sugerują, że w neuronach zdecentralizow anych w ystępuje przedłużona hiperpolaryzacja popobudzeniowa w ym uszająca ograniczenie aktywności neuronów. Jest to korzystne gdyż w neuronach odnerw ionych może w ystępować nadm ierna niekontrolow ana aktywność poniew aż neurony te otrzym ują dodatkowe w ejścia synaptyczne [9].
Zm iana ekspresji kanałów K + i ich w łaściwości kinetycznych pod wpływ em hipoksji
Celem pracy było zbadanie wpływu usunięcia ze środow iska
w ew nątrzkom órkowego ATP i GTP (zmiany towarzyszące hipoksji) na
właściwości kinetyczne prądów jonow ych K + w zidentyfikowanych
anatom icznie neuronach współczulnych gruczołowych.
U sunięcie ATP i G TP ze środowiska w ew nątrzkom órkow ego
powodowało zw iększenie gęstości prądów jonow y ch typu IAf (142 pA/pF) w porów naniu do kom órek zawierających ATP i GTP (96 pA/pF). Szybkość
aktywacji prądów IAf po usunięciu ATP i G TP w środowisku
wewnątrzkom órkow ym (15.5 nA/m s vs 6.9 nA/m s) była większa niż w obecności ATP i GTP. W neuronach pozbaw ionych A TP i GTP wzrastała również gęstość prądów typu IAs (52 pA/pF vs 37 pA/pF). Z kolei gęstość prądów IK zm niejszała się w komórkach bez ATP i GTP (17 pA/pF vs 57 pA/pF).
W nioskujem y, że efektywność prądów IAf oraz IAs wzrastała po usunięciu ATP i GTP ze środow iska wewnątrzkomórkowego. Powyżej opisane zmiany sugerują, że po usunięciu ATP i GTP (co ma m iejsce w czasie hipoksji)
hiperpolaryzacja popobudzeniow a ulega przedłużeniu co prowadzi do
zm niejszenia aktywności badanych neuronów i zm niejszenia ich wydatku energetycznego [8].
W niosek ogólny
W zrost efektywności działania kanałów jono w ych typu IA i zm niejszenie efektyw ności kanałów Ik je st mechanizm em urucham ianym przez komórki wówczas gdy jest to korzystne dla ich funkcjonow ania w organizm ie [7,8,9].
Piśmiennictwo
! C he n X., J oh ns ton D. (2 004 ) Pro perties o f single vo lta ge -de pe nd en t K + ch an ne ls in de ndrites o f CA1 py ram id al n eu rone s o f rat hippocam pus. J. P hysiol. 559: 187 - 203.
2. M a lin S.A ., N erb on n e J.M . (2 001) M ole cula r he tero gene ity o f the vo ltag e-g ate d fast tran sien t ou tw ard K+ cu rren t, IAf in m am m alian neurons. J. N eurosci. 21: 800 4-8 014 .
3. M a lin S.A ., N e rb on ne J.M . (20 02) D elayed rectifier K + c urre nts , IK, are e n co d ed by K v2 a -s u b u n its an d reg ula te to nic firing in m am m alian sy m pathe tic ne urons. J. N eurosc i. 22: 10094-10105.
4. R ola R., W itk ow ski G ., Szulczyk P. (2003) V o ltag e -d ep e n de n t K+ cu rre nts in rat cardiac dorsal roo t ga ng lio n neu rons. N eu ro sc ien ce 119(1): 181-191.
5. Sely anko A.A., H adley J.K ., W ood I.C., A bogadie F.C., D elm as P., B uckley N.J., L ondon B., B rown D.A. (1 999 ) T w o types o f K+ channel subunit, E rg l and K C N Q 2/3, co ntrib ute to the М -L ike cu rren t in a m am m alian neuronal cell. J. N eurosci. 19: 77 42 - 7756.
6. Szulcz yk P. (200 5) M etody ba dan ia błonow ych po tenc jałoza le żn ych ka nałó w (prądó w ) jon ow y c h N a, C a i К i ich z astos ow an ie w an alizie funkcji u kład u n erw ow ego. Tom 1. B io sysiem y(*), red. tom u: D oroszew ski J., T arne cki R., Z m ys łow ski W. A kadem icka O ficyn a W yd aw n icz a E xit s. 1-44.
7. Szulcz yk B., M ie rzejew s ki P., K ukuła K., Stefański R., Szu lczy k P., K ostow ski W. E ffects o f re spo n se-con ting en t and res po nse -no ncon tinge nt co caine on kinetic prope rties o f voltage- ga ted K+ cu rren ts in rat prefrontal cortex pyram idal ne uro ns - w ysła ne do druku.
8. Szulcz yk B„ R ola R., W itkow s ki G., Szulczyk P. (2 005 ) E ffects o f A T P and G T P on v olta ge-ga ted K+ c urre nts in g lan dula r and m usc ular sy m pathe tic n euro ns. B rain Res. h ttp ://w w w .sc ien ced ire ct.c om /sc ienc e
9. Szu lczy k B., Szu lczy k P. (20 03) Po stde cen tralizatio n plas ticity o f vo lta ge -ga ted K+ curre nts in g lan d u la r s ym pa thetic ne uro ns in rats. Eur. J. N eurosci. 18(1): 43 -52.
10. W ang H.S., M c K inno n D. (199 5) Potassiu m curren ts in rat pre vertebra l an d paravertebral s ym p athe tic ne uron es: c ontrol o f firing prope rties. J. P hysiol. 485: 319 - 335.
11. W ei A .D., G utm an G .A ., A ldrich R., C han dy K.G., G ris sm e r S., W u lff H. (2005) Internationa l u nio n o f pharm acolo gy. LII. N om enclatu re an d m olecu la r re la tion ship s o f c alc ium -a ctiv ate d p o tas s iu m channels. P harm acol. Rev. 57: 4 63 -47 2.
A d res do k o re sp o n de n cji: B a rtło m ie j S zu lc z yk A kad em ia M edy czn a w W arsz aw ie K a tedra i Z ak ład Fizjologii D o św iadc zaln ej i K linicznej K rako w s kie P rzed m ieś cie 26/28 0 0-92 7 W arsz aw a Tel: (48 22) 82 6 42 75 e-m ail: b szu lczy @ am w aw .edu.pl
