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ap敏感鉀通道的亞單位組成與特性
1katp通道的概念1983年,當noma在心臟上發(fā)現(xiàn)消息k-p(kadt)時,它被發(fā)現(xiàn)在許多組織中,包括胰腺細胞、骨瘦動、平滑肌、神經(jīng)元、皮膚、腎上皮細胞和其他組織中。這是與細胞電活動和代謝有關(guān)的重要通道。初始定義kapt通道基于k-l通道對gdp的敏感性。如果通道運動可以被細胞內(nèi)的pd抑制,則定義為kat通道。近年來的深入研究表明,此定義不足以概括該通道的所有特征。因此,根據(jù)單通道電流特性、糖苷調(diào)節(jié)模型和藥理學特性,擴大了通道定義。kapt通道是一種脆弱的內(nèi)部k-u路徑。通道活動的顯著特征是集群開放,通道被細胞內(nèi)的pd抑制,并激活為mg2。kat通道還有兩個顯著的藥理特性,即磺酰胺類藥物(sus),以及各種鉀通道開劑(kcos)。2u3000kirt6.2,kir6.2和me-adp對kir6.23和kir6.23.2起直接耐藥KATP通道是由完全不同的兩類亞單位,內(nèi)向整流亞單位(KIR6.x,包括KIR6.1和KIR6.2)和磺酰脲受體(sulfonylureareceptor,SUR)組成的大異源多聚體.KIR6.x屬內(nèi)向整流鉀通道超家族成員,含有兩個跨膜螺旋,其側(cè)端有一個含-Gly-Phe-Gly-(或-Gly-Tyr-Gly-)序列的片段,該片段為K+選擇性通道所共有.KIR6.x第二跨膜螺旋(M2)決定通道內(nèi)向整流的程度,用天冬氨酸(D)替換KIR6.2M2160位天冬酰氨(N),SUR1/KIR6.2通道由弱內(nèi)向整流通道變成強內(nèi)向整流通道,提示M2上的這一殘基參與電流通路的形成;此外,平截KIR6.2的碳端(ΔC18,ΔC26,ΔC36)可以表達一個功能通道,在SUR缺乏時仍形成與野生型通道具有相同電導的鉀電流.上述事實表明KIR6.x形成KATP通道的K+通透孔道.磺酰脲受體SUR亞單位對優(yōu)降糖具有親和力.SUR是ATP結(jié)合盒(ATPbindingcassette,ABC)或轉(zhuǎn)運ATP酶超家族多相關(guān)耐藥蛋白(multidrugresistance-associatedprotein,MRP)成員,其胞漿面有多個跨膜區(qū)和兩個結(jié)合核苷的折疊區(qū)(nucleotide-bindingfold,NBF).雖然SURs的拓撲結(jié)構(gòu)(topology)尚未確定,但對MRP亞家族進行多重序列比較和疏水分析推測,在NBF1之前有11個跨膜螺旋組成的片段,NBF1和NBF2之間有一6個跨膜螺旋的片段將其隔開.Mg-ADP是與ATP作用相拮抗的KATP通道激動劑,其作用位點在NBFs.NBF-2發(fā)生點突變的SUR1和Kir6.2共表達形成的通道有正常的ATP敏感性,但不被Mg-ADP激活;NBF-1或NBF-2賴氨酸殘基的突變導致通道不能被Mg-ADP激活.因此,Mg-ADP(也許包括所有Mg-NDPs)可能通過NBFs激活KATP通道.SUR或KIR6.x亞單位單獨表達并不具有活性,只有兩個亞單位共表達才表現(xiàn)KATP通道活性,說明完整通道的功能和特性依賴于兩個亞單位的相互作用.SUR和KIR6.x相互作用的機制尚不清楚,有實驗發(fā)現(xiàn)用胰酶處理后KATP通道活性增強,而Mg-ADP和SUs等對其調(diào)節(jié)作用減弱,提示兩亞基之間存在分子聯(lián)系.由KIR6.2和SUR1形成的多聚體分子質(zhì)量為950ku,剛好是SUR1/KIR6.2分子質(zhì)量的4倍,由此推測KATP通道是SUR/KIR6.x的四聚體組合.用基因工程手段也證實四個SUR1/KIR6.2可形成功能通道.SUR與KIR6.x以1∶1比例表達的融合蛋白具有與天然KATP通道相似的特性,而以1∶2比例表達的融合蛋白不具有KATP通道活性,提示SUR和KIR亞單位以1∶1比例形成功能性通道蛋白(圖1).3sur2基因編碼基因定位(mapping)研究表明,人類染色體SUR和KIR6.x配對存在.SUR1與KIR6.2位于11號染色體的短臂上,長程(long-range)PCR測定SUR1基因3′端到KIR6.2基因的5′端大約相距4500堿基對.對染色體11p14.3區(qū)86kb基因組DNA片段的測序(從緊靠在SUR1外顯子17前的大內(nèi)顯子開始)顯示兩者相距4900堿基對.位于12號染色體上的SUR2與KIR6.1基因配對存在.由于兩基因間的距離太大,無法完成PCR,因此,兩基因間的距離尚未確定.KIR與SUR基因為何簇集成對原因不明,推測它們可能起源于一個原始融合基因,經(jīng)過分裂和復制而形成.內(nèi)含子-外顯子界限定位顯示人類SUR1和SUR2基因非常相似.SUR1基因含39個外顯子,全長大約100kb.該基因編碼的蛋白質(zhì)含1582個氨基酸(如不利用17外顯子5′端上的交替接合部位則為1581,該部位編碼一個絲氨酸殘基).SUR2基因有38個外顯子,它與SUR1的差別在于幾乎完全無外顯子18.SUR2基因編碼兩個主要的亞型SUR2A和SUR2B,兩亞型差別在于編碼C端45個氨基酸的135bp外顯子不同.組織分布與表達實驗表明SUR1、SUR2A和SUR2B分別是胰腺型、心臟型和(血管)平滑肌型.4單通道patp通道不同亞型KATP通道的特性由其亞基組成決定,對特殊通道亞型靶復合物的研究具有廣闊的前景.以下主要對胰腺、心肌和平滑肌細胞通道亞型作簡要說明.SUR/KIR6.2通道電導約為70pS,可被代謝抑制和diazoxide激活,但不被cromakalim激活,對低濃度SUs敏感.ATP對通道抑制的IC50約為10μmol/L,部分被ATP抑制的通道在Mg2+存在時被ADP激活.上述特性與天然β細胞KATP通道相同,其中任一亞單位的突變都導致家族性高血糖血癥病人β細胞KATP通道活性喪失,證明這一對亞單位結(jié)合形成經(jīng)典的β細胞KATP通道.SUR2A/KIR6.2單通道電導約為80pS,呈簇狀開放;ATP抑制通道的IC50較β細胞高大約10倍;SUR2A/KIR6.2對diazoxide不敏感,但被cromakalim和pinacidil激活,上述特性與心臟天然KATP通道相同.此外,在心臟組織也檢測到SUR2A與KIR6.2的mRNA.但由于缺乏遺傳學證據(jù),只能推論SUR2A/KIR6.2形成心臟KATP通道.SUR2B和Kir6.2或Kir6.1共表達形成的通道與VSMCKATP通道具有相同的KCOs敏感性,即被pinacidil、cromakalim和diazoxide激活(diazoxide作用較弱).SUR2B/Kir6.1表達產(chǎn)生小電導(33pS)的K+通道,與大鼠和兔門靜脈平滑肌細胞KATP通道電導相似.SUR2B/Kir6.1通道與VSMCKATP通道相似之處還表現(xiàn)在對ATP敏感性,ATP對通道抑制呈“鐘”型(bell-shape),即在pinacidil存在時,低濃度ATP(0.1~100μmol/L)對通道呈劑量依賴性激活,而高濃度ATP(1~3mmol/L)卻具有抑制效應(yīng).5patch機制對katp通道活性的調(diào)節(jié)ATP與ADP是通道的主要門控分子.ATP是通道的內(nèi)源性抑制劑,其抑制作用與Mg2+無關(guān).除了對通道的抑制作用外,ATP還有恢復通道功能的作用.多數(shù)實驗發(fā)現(xiàn)KATP通道在無ATP溶液中表現(xiàn)“衰減”現(xiàn)象,即先開放,隨后逐漸喪失活性,Mg-ATP可恢復衰減的通道活性.ADP或其他二磷酸核苷(NDPs)是KATP通道的內(nèi)源性激動劑.在缺乏Mg2+時ADP抑制KATP通道活性,但Mg-ADP刺激其活性,并能激活預先被ATP抑制的通道.Mg-ADP可能通過與ATP競爭結(jié)合而激活KATP通道.因此ATP/ADP的比例對KATP通道活性的調(diào)節(jié)至為重要,是將通道活性與細胞代謝聯(lián)系在一起的重要調(diào)節(jié)因素.然而,ATP/ADP對KATP通道調(diào)節(jié)至今還存在某些困惑,通常情況下胞漿ATP濃度(毫摩爾級)遠遠高于保持通道關(guān)閉的濃度(微摩爾級),較ATP誘導通道關(guān)閉的IC50高1到2個數(shù)量級.理論上推測KATP通道此時處于完全關(guān)閉狀態(tài),沒有離子流動.但穿孔膜片(perforated-patch)記錄顯示,約有10%的KATP通道仍具有活性.此外還發(fā)現(xiàn),即使ATP/ADP比值沒有發(fā)生改變,也可記錄到KATP通道活性改變,提示還有其他機制參與ATP/ADP對KATP通道的調(diào)節(jié).1998年Baukrowitz等和Shyng等同時在《Science》雜志報道膜磷脂PIP2和PIP(尤其是PIP2)對KATP通道驚人的作用,在細胞膜的胞漿面加入5μmol/LPIP2能將ATP的IC50從約10μmol/L降至3mmol/L,從而拮抗ATP對通道的抑制.游離膜片上脂質(zhì)磷酸化酶的作用使之逐漸喪失PIP2,這可能正是游離膜片觀察到的高ATP敏感性的真正原因.這一發(fā)現(xiàn)使完整細胞為何在毫摩爾濃度ATP存在時仍有活動這一問題得到合理解釋.此外還發(fā)現(xiàn)KATP通道微環(huán)境存在幾種磷酸轉(zhuǎn)移酶,包括腺苷、肌醇和丙酮酸激酶以及其他的糖酵解酶,其中腺苷激酶(AK)加速ATP向ADP的轉(zhuǎn)移,導致KATP通道開放,而由肌醇和丙酮酸激酶催化的磷酸轉(zhuǎn)移增加ADP向ATP轉(zhuǎn)化,引起通道關(guān)閉.因此即使在細胞內(nèi)沒有ATP/ADP比值改變時,磷酸轉(zhuǎn)移反應(yīng)仍可通過釋放或移開通道位點上的腺苷酸,調(diào)節(jié)通道附近ATP/ADP比值,從而改變通道活性.磺酰脲復合物(SUs)和鉀通道開放劑(KCOs)是外源性KATP通道的阻滯劑和開放劑.廣泛用于臨床糖尿病治療的優(yōu)降糖、甲糖寧等均屬SUs.KATP通道具有組織特異性亞型,與SUs和SUR結(jié)合的親和力密切相關(guān).SUR1(胰腺型)與優(yōu)降糖的親和力遠大于SUR2A(心臟型),SUR2B(平滑肌型)與優(yōu)降糖的親和力介于SUR1和SUR2A之間.因此,對SUs不同的反應(yīng)可用于劃分通道亞型.pinacidil、diazoxide、cromakalim、nicorandil等鉀通道開放劑(KCOs)激活KATP通道,其作用常被SUs拮抗.KCOs除共同的開放K+通道作用外,根據(jù)其化學結(jié)構(gòu)又分為幾個亞類,不同亞類的KCOs有組織特異性.心臟KATP通道可被相似濃度的pinacidil和cromakalim激活,但不被diazoxide激活.血管平滑肌的KATP通道可被上述三種藥激活,但對diazoxide反應(yīng)低.diazoxide對胰腺β細胞KATP通道激活作用較pinacidil和cromakalim強.KCOs的作用位點可能也在SUR上,其碳端是決定KCOs藥理學的關(guān)鍵部位,SUR1和SUR2B的碳端相似,由這些受體構(gòu)成的通道均對diazoxide起反應(yīng),而由SUR2A構(gòu)成的通道對diazoxide不起反應(yīng).信使物質(zhì),如G蛋白、蛋白激酶等也參與KATP通道的調(diào)節(jié).將外源性G蛋白亞單位的活性形式(Gαi-1,Gαi-2或G0α)加入胞膜內(nèi)側(cè)面激活心臟KATP通道.KATP通道還受蛋白激酶A(PKA)、蛋白激酶G(PKG)或蛋白激酶C(PKC)磷酸化調(diào)節(jié).PKA或PKG產(chǎn)生的磷酸化激活血管KATP通道,而PKC激活后抑制該通道.心臟KATP通道既可被PKC激活,又可在PKC激活時處于一種備用狀態(tài),使它能夠被代謝抑制或pinacidil激活.6生理不對稱的調(diào)控KATP通道開放后膜電位向平衡電位(在生理不對稱[K+]o/[K+]i時接近-80mV)移動,KATP通道通過調(diào)控膜電位來調(diào)節(jié)不同細胞的電活動和功能.6.1細胞katp通道突變胰腺β細胞KATP通道對胰島素分泌起十分重要的調(diào)節(jié)作用.胰腺β細胞KATP通道在空腹血糖濃度低(2~3mmol/L)時激活,引起細胞膜電位呈超極化改變,降低細胞興奮性,從而減少胰島素分泌.餐后血糖濃度增高(5~7mmol/L),[ATP]i也隨之升高,引起KATP通道關(guān)閉,β細胞去極化,通過激活電壓依賴性Ca2+通道增加細胞內(nèi)Ca2+,從而刺激胰島素分泌.β細胞KATP通道亞單位突變會導致家族性低胰島素血癥或嬰兒高胰島素血癥性低血糖.6.2心肌缺血因子part和ca2+心肌細胞KATP通道在缺血預適應(yīng)保護機制中的重要作用已受到普遍關(guān)注.KCOs可模擬缺血預適應(yīng),而優(yōu)降糖去除這一作用.其他因子,如腺苷、PKC和Ca2+也誘導缺血預適應(yīng).盡管產(chǎn)生缺血預適應(yīng)的終效應(yīng)器尚未確定,但可肯定KATP通道是各種刺激因素的靶,因此,KATP通道激活可能是引起缺血預適應(yīng)的共同通路.其機制是:心肌短暫缺血、缺氧引起KATP通道開放,使心肌細胞膜發(fā)生超極化,通過減少Ca2+內(nèi)流降低ATP消耗,從而使細胞在代謝損害期間得到保護,減少隨后長時間缺血所帶來的心肌損傷.6.3katp通道對血壓的調(diào)節(jié)作用KATP通道在某些血管床如冠脈、腸系膜動脈、倉鼠頰囊和提睪肌動脈基礎(chǔ)張力的維持中起重要作用.腎、腦和肺動脈KATP通道雖對基礎(chǔ)張力的維持不起作用,但在缺氧時調(diào)節(jié)這些血管的張力.KATP通道對血流的代謝調(diào)節(jié)起重要作用
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