Canal de cálcio controlado por voltagem - Voltage-gated calcium channel

Canal de dois poros
Identificadores
Símbolo TPC
Pfam PF08473
Superfamília OPM 8
Proteína OPM 6c96
Membranome 214

Canais de cálcio dependentes de voltagem ( VGCCs ), também conhecidos como canais de cálcio dependentes de voltagem ( VDCCs ), são um grupo de canais iônicos dependentes de voltagem encontrados na membrana de células excitáveis ​​( por exemplo , músculos , células gliais , neurônios , etc.) com uma permeabilidade ao íon cálcio Ca 2+ . Esses canais são ligeiramente permeáveis ​​aos íons de sódio , então também são chamados de canais de Ca 2+ -Na + , mas sua permeabilidade ao cálcio é cerca de 1000 vezes maior do que ao sódio em condições fisiológicas normais.

No potencial de membrana fisiológica ou em repouso , os VGCCs estão normalmente fechados. Eles são ativados ( isto é : abertos) em potenciais de membrana despolarizados e esta é a fonte do epíteto de "voltagem controlada" . A concentração de cálcio ( íons Ca 2+ ) é normalmente vários milhares de vezes maior fora da célula do que dentro. A ativação de VGCCs específicos permite um influxo de Ca 2+ na célula, que, dependendo do tipo de célula, resulta na ativação de canais de potássio sensíveis ao cálcio , contração muscular , excitação de neurônios, regulação positiva da expressão gênica ou liberação de hormônios ou neurotransmissores .

Os VGCCs foram imunolocalizados na zona glomerulosa da adrenal humana normal e hiperplásica , bem como em adenomas produtores de aldosterona (APA) e, neste último, os VGCCs do tipo T correlacionados com os níveis plasmáticos de aldosterona dos pacientes. A ativação excessiva de VGCCs é um componente importante da excitotoxicidade , pois níveis severamente elevados de cálcio intracelular ativam enzimas que, em níveis suficientemente altos, podem degradar estruturas celulares essenciais.

Estrutura

Os canais de cálcio dependentes de voltagem são formados como um complexo de várias subunidades diferentes: α 1 , α 2 δ, β 1-4 e γ. A subunidade α 1 forma o poro condutor de íons, enquanto as subunidades associadas têm várias funções, incluindo modulação de passagem.

Subunidades de canal

Existem vários tipos diferentes de canais de cálcio controlados por alta voltagem (HVGCCs). Eles são estruturalmente homólogos entre vários tipos; eles são todos semelhantes, mas não estruturalmente idênticos. No laboratório, é possível diferenciá-los estudando seus papéis fisiológicos e / ou inibição por toxinas específicas . Os canais de cálcio dependentes de alta voltagem incluem o canal neural do tipo N bloqueado pela ω-conotoxina GVIA, o canal do tipo R (R significa R esistente para os outros bloqueadores e toxinas, exceto SNX-482 ) envolvidos em processos mal definidos em o cérebro , o canal intimamente relacionado do tipo P / Q bloqueado por ω-agatoxinas e os canais do tipo L sensíveis à diidropiridina responsáveis ​​pelo acoplamento excitação-contração dos músculos esquelético , liso e cardíaco e pela secreção de hormônios nas células endócrinas.

Tipo atual Sensibilidade de 1,4-dihidropiridina (DHP) ω- sensibilidade à conotoxina (ω-CTX) Sensibilidade ω-agatoxina (ω-AGA)
Tipo L blocos resistente resistente
Tipo N resistente blocos resistente
Tipo P / Q resistente resistente blocos
Tipo R resistente resistente resistente

A referência para a tabela pode ser encontrada em Dunlap, Luebke e Turner (1995).

Subunidade α 1

O poro da subunidade α 1 (~ 190 kDa em massa molecular) é a subunidade primária necessária para o funcionamento do canal no HVGCC e consiste nos quatro domínios homólogos I-IV característicos contendo seis hélices α transmembrana cada. A subunidade α 1 forma o poro seletivo de Ca 2+ , que contém o mecanismo de detecção de voltagem e os locais de ligação da droga / toxina. Um total de dez subunidades α 1 que foram identificadas em humanos: a subunidade α 1 contém 4 domínios homólogos (marcados I-IV), cada um contendo 6 hélices transmembrana (S1-S6). Este arranjo é análogo a um homotetrâmero formado por subunidades de domínio único de canais de potássio dependentes de voltagem (que também contêm 6 hélices TM). A arquitetura de 4 domínios (e vários locais regulatórios importantes, como a mão EF e o domínio IQ no terminal C) também é compartilhada pelos canais de sódio controlados por voltagem, que são considerados evolutivamente relacionados aos VGCCs. As hélices transmembrana dos 4 domínios se alinham para formar o canal adequado; Acredita-se que as hélices S5 e S6 alinham a superfície do poro interno, enquanto as hélices S1-4 têm funções no disparo e detecção de voltagem (S4 em particular). Os VGCCs estão sujeitos à rápida inativação, que se acredita consistir em 2 componentes: dependentes de voltagem (VGI) e dependentes de cálcio (CGI). Estes são diferenciados pelo uso de Ba 2+ ou Ca 2+ como o portador de carga na solução de registro externa ( in vitro ). O componente CGI é atribuído à ligação da proteína de sinalização de ligação de Ca 2+ calmodulina (CaM) a pelo menos 1 local no canal, uma vez que os mutantes CaM nulo de Ca 2+ abolem CGI em canais do tipo L. Nem todos os canais exibem as mesmas propriedades regulatórias e os detalhes específicos desses mecanismos ainda são amplamente desconhecidos.

Modelo Voltagem subunidade α 1 (nome do gene) Subunidades associadas Mais frequentemente encontrado em
Canal de cálcio tipo L ("Long-Lasting" AKA "DHP Receptor") HVA (alta tensão ativada) Ca v 1.1 ( CACNA1S )
Ca v 1.2 ( CACNA1C ) Ca v 1.3 ( CACNA1D )
Ca v 1.4 ( CACNA1F )
α 2 δ, β, γ Músculo esquelético, músculo liso, osso (osteoblastos), miócitos ventriculares ** (responsáveis ​​pelo potencial de ação prolongado na célula cardíaca; também chamados de receptores DHP), dendritos e espinhas dendríticas de neurônios corticais
Canal de cálcio tipo P ("Purkinje") / canal de cálcio tipo Q HVA (alta tensão ativada) Ca v 2.1 ( CACNA1A ) α 2 δ, β, possivelmente γ Neurônios de Purkinje no cerebelo / células granulares cerebelares
Canal de cálcio tipo N ("Neural" / "Não L") HVA (alta tensão ativada) Ca v 2.2 ( CACNA1B ) α 2 δ / β 1 , β 3 , β 4 , possivelmente γ Em todo o cérebro e sistema nervoso periférico.
Canal de cálcio tipo R ("residual") tensão intermediária ativada Ca v 2.3 ( CACNA1E ) α 2 δ, β, possivelmente γ Células granulares cerebelares , outros neurônios
Canal de cálcio tipo T ("Transitório") baixa tensão ativada Ca v 3.1 ( CACNA1G )
Ca v 3.2 ( CACNA1H )
Ca v 3.3 ( CACNA1I )
neurônios, células que têm atividade de marca-passo , ossos ( osteócitos )

Subunidade α 2 δ

O gene α 2 δ forma duas subunidades: α 2 e δ (que são ambos produtos do mesmo gene). Eles estão ligados entre si por meio de uma ligação dissulfeto e têm um peso molecular combinado de 170 kDa. O α 2 é a subunidade extracelular glicosilada que mais interage com a subunidade α 1 . A subunidade δ possui uma única região transmembrana com uma porção intracelular curta, que serve para ancorar a proteína na membrana plasmática. Existem 4 genes α 2 δ:

A co-expressão do α 2 δ aumenta o nível de expressão da subunidade α 1 e causa um aumento na amplitude da corrente, ativação e cinética de inativação mais rápidas e uma mudança hiperpolarizante na dependência da tensão de inativação. Alguns desses efeitos são observados na ausência da subunidade beta, ao passo que, em outros casos, a coexpressão de beta é necessária.

As subunidades α 2 δ-1 e α 2 δ-2 são os locais de ligação para os gabapentinóides . Esta classe de medicamentos inclui dois anticonvulsivantes, gabapentina (Neurontin) e pregabalina (Lyrica), que também têm uso no tratamento da dor neuropática crônica. A subunidade α 2 δ também é um sítio de ligação do depressor central e do fenibute ansiolítico , além de ações em outros alvos.

Subunidade β

A subunidade β intracelular (55 kDa) é uma proteína do tipo MAGUK intracelular (Guanilato Quinase Associada à Membrana) contendo um domínio guanilato quinase (GK) e um domínio SH3 (homologia src 3). O domínio guanilato quinase da subunidade β liga-se à alça citoplasmática da subunidade α 1 I-II e regula a atividade de HVGCC. Existem quatro genes conhecidos para a subunidade β:

É hipotetizado que a subunidade β citosólica tem um papel importante na estabilização da conformação final da subunidade α 1 e na sua entrega à membrana celular pela sua capacidade de mascarar um sinal de retenção do retículo endoplasmático na subunidade α 1 . O freio de retenção endoplasmático está contido na alça I – II na subunidade α 1, que fica mascarada quando a subunidade β se liga. Portanto, a subunidade β funciona inicialmente para regular a densidade de corrente, controlando a quantidade de subunidade α 1 expressa na membrana celular.

Além deste papel de tráfego, a subunidade β tem as funções importantes adicionais de regular a ativação e cinética de inativação e hiperpolarizar a dependência de voltagem para a ativação do poro da subunidade α 1 , de modo que mais corrente passe para despolarizações menores . A subunidade β tem efeitos sobre a cinética do α 1 C cardíaco em oócitos de Xenopus laevis co-expressos com subunidades β. A subunidade β atua como um modulador importante das propriedades eletrofisiológicas do canal.

Até muito recentemente, a interação entre uma região de 18 aminoácidos altamente conservada no ligante intracelular da subunidade α1 entre os domínios I e II (o Domínio de Interação Alfa, AID) e uma região no domínio GK da subunidade β (Ligação do Domínio de Interação Alfa Pocket) foi considerado o único responsável pelos efeitos regulatórios da subunidade β. Recentemente, foi descoberto que o domínio SH3 da subunidade β também dá efeitos regulatórios adicionais na função do canal, abrindo a possibilidade da subunidade β ter múltiplas interações regulatórias com o poro da subunidade α 1 . Além disso, a sequência AID não parece conter um sinal de retenção do retículo endoplasmático, e isso pode estar localizado em outras regiões do ligante da subunidade α 1 I – II .

γ Subunidade

A subunidade γ1 é conhecida por estar associada a complexos VGCC do músculo esquelético, mas a evidência é inconclusiva em relação a outros subtipos de canal de cálcio. A glicoproteína da subunidade γ1 (33 kDa) é composta por quatro hélices transmembrana. A subunidade γ1 não afeta o tráfego e, na maior parte, não é necessária para regular o complexo do canal. No entanto, γ 2 , γ 3 , γ 4 e γ 8 também estão associados a receptores de glutamato AMPA.

Existem 8 genes para subunidades gama:

Fisiologia muscular

Quando uma célula de músculo liso é despolarizada, ela causa a abertura dos canais de cálcio dependentes de voltagem (tipo L). A despolarização pode ser provocada pelo alongamento da célula, pela ligação do agonista ao seu receptor acoplado à proteína G ( GPCR ) ou pela estimulação do sistema nervoso autônomo . A abertura do canal de cálcio do tipo L causa influxo de Ca 2+ extracelular , que então se liga à calmodulina . A molécula de calmodulina ativada ativa a quinase de cadeia leve da miosina (MLCK), que fosforila a miosina em filamentos grossos . A miosina fosforilada é capaz de formar pontes cruzadas com os filamentos finos de actina , e a fibra muscular lisa (ou seja, a célula) se contrai por meio do mecanismo de filamento deslizante . (Consulte a referência para uma ilustração da cascata de sinalização envolvendo os canais de cálcio do tipo L no músculo liso).

Os canais de cálcio do tipo L também são enriquecidos nos túbulos t das células musculares estriadas , isto é, miofibras esqueléticas e cardíacas . Quando essas células são despolarizadas, os canais de cálcio do tipo L se abrem como no músculo liso. No músculo esquelético, a abertura real do canal, que é mecanicamente ligada a um canal de liberação de cálcio (também conhecido como receptor de rianodina , ou RYR) no retículo sarcoplasmático (RS), causa a abertura do RYR. No músculo cardíaco , a abertura do canal de cálcio do tipo L permite o influxo de cálcio para a célula. O cálcio se liga aos canais de liberação de cálcio (RYRs) no RS, abrindo-os; este fenômeno é denominado " liberação de cálcio induzida pelo cálcio ", ou CICR. No entanto, os RYRs são abertos, seja por passagem mecânica ou CICR, o Ca 2+ é liberado do SR e é capaz de se ligar à troponina C nos filamentos de actina. Os músculos então se contraem através do mecanismo de filamento deslizante, causando encurtamento dos sarcômeros e contração muscular.

Mudanças na expressão durante o desenvolvimento

No início de desenvolvimento, há uma quantidade elevada de expressão de canais de cálcio do tipo T . Durante a maturação do sistema nervoso, a expressão de correntes do tipo N ou L torna - se mais proeminente. Como resultado, os neurônios maduros expressam mais canais de cálcio que só serão ativados quando a célula estiver significativamente despolarizada . Os diferentes níveis de expressão dos canais ativados por baixa voltagem (LVA) e ativados por alta voltagem (HVA) também podem desempenhar um papel importante na diferenciação neuronal . No desenvolvimento de neurônios espinhais do Xenopus, os canais de cálcio do LVA carregam um transiente de cálcio espontâneo que pode ser necessário para que o neurônio adote um fenótipo GABAérgico , bem como o crescimento do processo .

Significado clínico

Os anticorpos dos canais de cálcio dependentes de voltagem estão associados à síndrome miastênica de Lambert-Eaton e também foram implicados na degeneração cerebelar paraneoplásica .

Os canais de cálcio dependentes de voltagem também estão associados à hipertermia maligna e à síndrome de Timothy .

Mutações do gene CACNA1C , com polimorfismo de nucleotídeo único no terceiro íntron do gene Cav1.2, estão associadas a uma variante da síndrome do QT longo chamada síndrome de Timothy e também à síndrome de Brugada . Análises genéticas em grande escala mostraram a possibilidade de que CACNA1C esteja associado ao transtorno bipolar e, subsequentemente, também à esquizofrenia . Além disso, um alelo de risco CACNA1C foi associado a uma interrupção na conectividade do cérebro em pacientes com transtorno bipolar, embora não ou apenas em um grau menor, em seus parentes não afetados ou controles saudáveis.

Veja também

Referências

links externos