Mehanosenzitivni kanali

Razlikovati: Mehanoreceptor.

Mehanosenzitivni kanali, mehanosenzitivni ionski kanali ili istegnuti ionski kanali su membranski proteini sposobni da odgovore na mehanički stres u širokom dinamičkom rasponu vanjskih mehaničkih podražaja.[1][2][3][4][5][6] Prisutni su u membranama organizama iz tri domena života: bakterije, archaea i eukarioti.[7] Oni su senzori za brojne sisteme uključujući čula dodira, sluha i ravnoteže, kao i učešće u kardiovaskularnoj regulaciji i osmotskoj homeostazi (npr. žeđ). Kanali variraju u selektivnosti za prožimajuće ione, od neselektivnih između aniona i kationa u bakterijama, do selektivnih kationa, omogućavajući prolaz Ca2+, K+ i Na< sup>+ kod eukariota, i visoko selektivni K+ kanali kod bakterija i eukariota.

Svi organizmi, i očigledno sve vrste ćelija, osećaju i reaguju na mehaničke podražaje.[8] MSC-ovi funkcionišu kao mehanotransduktori sposobni da generišu i električne i ionske signale, kao odgovor na spoljašnje ili unutrašnje [9] stimulanse.[10] Pod ekstremnim turgorom u bakterijama, neselektivni MSC kao što su MSCL i MSCS služe kao sigurnosni ventili za sprečavanje lize. U specijalizovanim ćelijama viših organizama, drugi tipovi MSC-a su vjerovatno osnova čula sluha i dodira i osećaju stres potreban za mišićnu koordinaciju. Međutim, nijedan od ovih kanala nije kloniran. MSC-ovi također omogućavaju biljkama da razlikuju gore od dolje osjećajem sile gravitacije. MSC nisu osjetljivi na pritisak, ali su osjetljivi na lokalni stres, najvjerovatnije napetost u okolnom lipidnom dvosloju.[11]

Klasifikacija

MS se mogu klasifikovati na osnovu tipa iona za koji su propusni.

Kationski selektivni MSC: Kao što ime sugerira, pokazuju selektivnu permeabilnost za pozitivne ione, a najselektivniji kanali su oni za K+. Najčešći eukariotski MSC su za kationski selektivni prolazak Na+, K+ i Ca2+, ali ne i Mg2+. Imaju jednokanalni opseg provodljivosti (25-35 pS) i blokirani su trovalentnim ionom gadolinija. K+ selektivni MSC-ovi kao što je TREK-1 nisu blokirani od strane Gd3+.[12]

Anionski kanali: pokazuju značajnu permeabilnost za negativne ione i nisu dominantni kao kationski MS. Imaju veliki raspon provodljivosti (> 300pS).

Neselektivni ionski kanali: Kao što naziv govori, ne razlikuju pozitivne i negativne kanale koji su češći za arheje i bakterije, ali se rijetko nalaze u eukariotima.[13]

Uopćeno govoreći, većina MS-a se može klasifikovati kao kanali sa ograničenim lipidima

Funkcije

Da bi se protein smatrao mehanosenzitivnim, mora odgovoriti na mehaničku deformaciju membrane. Mehaničke deformacije mogu uključivati promjene u napetosti, debljini ili zakrivljenosti membrane. Mehanosenzitivni kanali reaguju na napetost membrane promjenom svoje konformacije između otvorenog i zatvorenog stanja.[14][15] Jedan tip mehanički osetljivih ionskih kanala aktivira specijalizovane senzorne ćelije, kao što su spužnične trepljasate ćelije i neki dodirni senzorni neuroni, kao odgovor na sile primenjene na proteine.[16][17]

[I[onski kanal]]i koji se aktiviraju rastezanjem potrebni su za početno formiranje akcijskog potencijala od mehaničkog stimulusa, naprimjer preko mehanoreceptora u vibrisa (brkovi) nekih životinja kao što su glodari.

Aferentna nervna vlakna odgovorna za detekciju senzornog stimulusa i povratnu informaciju posebno su osjetljiva na stimulaciju. To je rezultat specijaliziranih mehanoreceptorskih ćelija koje su superponirane na aferentna nervna vlakna. Ionski kanali aktivirani rastezanjem nalaze se na ovim mehanoreceptorskim ćelijama i služe za snižavanje praga akcijskog potencijala, čineći aferentne nerve osjetljivijim na stimulaciju. Aferentni nervni završeci bez mehanoreceptorskih ćelija nazivaju se slobodnim nervnim završecima. Oni su manje osjetljivi od inkapsuliranih aferentnih vlakana i općenito funkcioniraju u percepciji bola.[18]

Ionski kanali aktivirani rastezanjem odgovorni su za mnoge tjelesne funkcije kod sisara. U koži su odgovorni za osjećanje vibracija, osjećaj pritiska, istezanje, dodir i lagani dodir.[19][20] Izražavaju se u senzornim modalitetima uključujući okus, sluh, miris, osjećaj topline, kontrolu jačine zvuka i vid.[21][22][23] Također mogu regulirati unutrašnje funkcije organizma, uključujući, ali ne ograničavajući se na, osmotski pritisak u ćelijama, krvni pritisak u venama i arterijama, mokrenje i elektrofiziološke reakcije srca [24][25] i kontraktilnost.[21][23] Pored ovih funkcionalnosti, otkriveno je i da su ionski kanali aktivirani rastezanjem uključeni u ravnotežu i proprioceptivne osjećaje.[21]

Utvrđeno je da su i kanali koji su obično poznati samo kao "naponski" ili "ligandski" također mehanički osjetljivi. Kanali pokazuju mehaničku osjetljivost kao opće svojstvo. Međutim, mehanički stres utiče na različite tipove kanala na različite načine. Kanali sa naponom i ligandom mogu se neznatno modificirati mehaničkom stimulacijom, što bi moglo malo promijeniti njihovu reakciju ili propusnost, ali i dalje reaguju prvenstveno na napon ili ligande.[26]

Transdukcijski mehanizmi

Postoje dva različita tipa kanala koji se aktiviraju rastezanjem između kojih je važno razlikovati: mehanički zatvorene kanale, na koje direktno utiču mehaničke deformacije membrane, i mehanički osjetljive kanale, koji se otvaraju sekundarnim glasnicima oslobođenim od pravog mehanički zatvorenog kanala.[19]

Pronađena su dva različita mehanizma za otvaranje ionskih kanala aktiviranih istezanjem: mehaničke deformacije u ćelijskoj membrani mogu povećati vjerovatnoću otvaranja kanala. Proteini vanćelijskog matriksa i citoskeleta vezani su za van- i unutarcitoplazmatske domene ionskih kanala aktiviranih rastezanjem. Napetost na ovim mehanosenzornim proteinima uzrokuje da ti proteini djeluju kao signalni intermedijer, što rezultira otvaranjem jonskog kanala.[19] Svi poznati ionski kanali aktivirani rastezanjem u prokariotskim ćelijama su pronađeni da se otvori direktnom deformacijom membranskog lipidnog dvosloja.[21] Kanali za koje se pokazalo da isključivo koriste ovaj mehanizam gajtinga su TREK-1 i TRAAK kanali. U studijama koje su koristile ćelije za kosu sisara, mehanizam koji povlači proteine vezane iz intra- i ekstra-citoplazmatskog domena kanala za citoskelet i vanćelijski matriks, je najvjerovatniji model za otvaranje ionskih kanala.< ref name="López-Larrea"/>

Mehanička deformacija ćelijske membrane može se postići brojnim eksperimentalnim intervencijama, uključujući magnetsko aktiviranje nanočestica. Primjer za to je kontrola priliva kalcija aksonima i dugmadi unutar neuronskih mreža.[27] Treba imati na umu da ovo nije indikacija 'magnetne stimulacije' mehanosenzitivnih kanala.

  • Prokariotski model. Kanal se otvara kao odgovor na deformaciju membrane (zelene strelice). Adaptirano iz Lumpkin et al.[28]
    Prokariotski model. Kanal se otvara kao odgovor na deformaciju membrane (zelene strelice). Adaptirano iz Lumpkin et al.[28]
  • Model trepljaste ćelije sisara. Kanal se otvara preko priveznika kao odgovor na poremećaj u vanćelijskom matriksu ili citoskeletu. Slika prilagođena iz Lumpkin et al.[28]
    Model trepljaste ćelije sisara. Kanal se otvara preko priveznika kao odgovor na poremećaj u vanćelijskom matriksu ili citoskeletu. Slika prilagođena iz Lumpkin et al.[28]
Neki MS kanali koji su klonirani i okarakterizirani. Podaci prilagođeni iz Martinac, 2001[29]
Kanal Izvor Ulazni mehanizam Fiziološka uloga
MscS Bakterije Lipidni dvosloj Regulacija turgora i rast ćelija
MscMJ Archaea Lipidni dvosloj Regulacija turgora
MEC4 [[C. [elegans]] Linker Dodir
TRPY Gljive Dvoslojni Regulacija turgora
TREC-1 Sisari Dvoslojni Potencijal membranskog mirovanja

MS je također sugeriran kao potencijalna meta za antibiotike, razlog za ovu ideju je da su i McsS i MscL visoko konzervirani među prokariotima, ali njihovi homolozi nisu pronađeni kod životinja.[30] što ih čini izuzetnim potencijalom za dalje studije.

U neuronima sisara, otvaranje ionskih kanala depolarizira aferentni neuron stvarajući akcijski potencijal sa dovoljnom depolarizacijom.[18] Kanali se otvaraju kao odgovor na dva različita mehanizma: prokariotski model i model trepljaste ćelije sisara.[21][22] Pokazalo se da ionski kanali aktivirani rastezanjem otkrivaju vibracije , pritisak, rastezanje, dodir, zvukove, okus, miris, toplotu, jačinu zvuka i vid.[19][20][23] Ionski kanali koji se aktiviraju istezanjem kategorizirani su u tri različite "natporodice": ENaC/DEG , TRP porodica i K1 selektivna porodica. Ovi kanali su uključeni u tjelesne funkcije kao što je regulacija krvnog pritiska.[26] Pokazalo se da su povezani sa mnogim kardiovaskularnim bolestima.[22] Kanali aktivirani rastezanjem prvi su uočeni u kokošijim skeletnim mišićima, što su otkrili Falgunija Guharaya i Frederika Sachsa 1983. godine, a rezultati su objavljeni 1984.[31] Od tada su pronađeni kanali aktivirani rastezanjem u ćelijama od bakterija do ljudi, kao i biljaka.

Otvaranje ovih kanala je centralno za odgovor neurona na pritisak, često osmotski i krvni pritisak, kako bi se regulisao protok iona u unutrašnjem okruženju.[21]

Struktura

Natporodica ENaC/DEG

ASIC

Postoji šest poznatih ASIC podjedinica, ASIC1a, ASIC1b, ASIC2a, ASIC2b, ASIC3 i ASIC4, koje imaju dva transmembranska domena, vanćelijske i unutarćelijske petlje i C- i N-krajeve. Ove ASIC podjedinice vjerovatno formiraju tetramere s različitom kinetikom, pH osjetljivošću, distribucijom tkiva i farmakološkim svojstvima.[19]

Natporodica TRP

Postoji sedam potporodica unutar natporodice TRP: TRPC (kanonski), TRPV (vaniloid), TRPM (melastatin), TRPP (policistin), TRPML (mukolipin), TRPA (ankirin) i TRPN (sličan NOMPC). TRP proteini tipski se sastoji od šest transmembranskih domena, S1, S2, S3, S4, S5 i S6, sa porama između S5 i S6. Sadrže unutarćelijske N- i C-krajeve, koji formiraju tetramere i razlikuju se po dužini i domenu. Unutar kanala postoje ankirini, koji su strukturni proteini koji posreduju u interakcijama protein-protein, i smatra se da doprinose modelu vezivanja otvaranja kanala aktiviranog rastezanjem. NOMPC, identifikovan u mehanotransdukciji D. melanogaster i član potporodice TRPN, sadrži relativno veliki broj ankirina.[21]

Naptporodica K1-selektivnih

K2P kanali se sastoje od šest potporodica i sadrže četiri transmembranska domena, koji formiraju po dvije pore između domena 1-2 i 3-4. K2P kanali također sadrže kratki N-terminalni domen i C-terminal koji varira po dužini. Postoji i veliki vanćelijski linkerski region između domena 1 i prve pore formirane između domena 1-2.[19]

Klinički značaj

Ionski kanali aktivirani rastezanjem obavljaju važne funkcije u mnogim različitim područjima tijela. Arterije otporne na miogenu konstrikciju zavisne od pritiska zahtijevaju ove kanale za regulaciju u glatkim mišićima arterija.[20] Utvrđeno je da se koriste za detekciju zapremine kod životinja i regulaciju krvnog pritiska .[26] Pokazalo se da bakterije smanjuju hidrostatski pritisak pomoću MscL i MscS kanala.[26]

Patologije povezane sa ionskim kanalima aktiviranim istezanjem

Ionski kanali koji se aktiviraju istezanjem povezani su s glavnim patologijama. Neke od ovih patoloških stanja uključuju srčanu aritmiju (kao što je pretkomorska fibrilacija),[26] srčana hipertrofija, Duchenneova mišićna distrofija,[20] i druge kardiovaskularne bolesti.[22]

Blokiranje ionskih kanala aktiviranih rastezanjem

Pokazalo se da gadolinij (Gd3+) i drugi lantanidi blokiraju funkciju ionskog kanala aktiviranog rastezanjem. Prikazan je peptidni toksin izolovan iz čileanske ružine tarantule (Grammostola rosea, sinonim G. spatulata), mehanotoksin 4 (GsMTx4) da inhibira ove kanale sa vanćelijske strane, ali ne inhibira sve ionske kanale aktivirane rastezanjem, a posebno nema efekta na 2p kanale.[26]

Lista bolesti povezanih sa mehanosenzitivnim kanalima

Abnormalnosti u funkciji MS kanala mogu uzrokovati stanja:

Također pogledajte

Reference

  1. ^ Sukharev, S.; Sachs, F. (2012). "Molecular Force Transduction by Ion Channels: diversity and unifying principles". J. Cell Sci. 125 (13): 1–9. doi:10.1242/jcs.092353. PMC 3434843. PMID 22797911.
  2. ^ Gottlieb, P.; Sachs, F (2012). "The sensation of stretch". Nature. 483 (7388): 163–164. Bibcode:2012Natur.483..163G. doi:10.1038/483163a. PMC 4090763. PMID 22398551.
  3. ^ Sachs, F. (2010). "Stretch activated Ion Channels; What are They". Physiology. 25 (1): 50–56. doi:10.1152/physiol.00042.2009. PMC 2924431. PMID 20134028.
  4. ^ Bowman, Charles L.; Gottlieb, P. A.; Suchyna, T. M.; Murphy, Y. K.; Sachs, F. (2007). "Mechanosensitive ion channels and the peptide inhibitor GsMTx-4: History, properties, mechanisms and pharmacology". Toxicon. 49 (2): 249–270. doi:10.1016/j.toxicon.2006.09.030. PMC 1852511. PMID 17157345.
  5. ^ Suchyna, T. M.; Sachs, F. (2007). "Mechanosensitive channel properties and membrane mechanics in mouse dystrophic myotubes". J Physiol. 581 (Pt 1): 369–387. doi:10.1113/jphysiol.2006.125021. PMC 2075208. PMID 17255168.
  6. ^ Markin, V. S.; Sachs, F. (2006). "Thermodynamics of mechanosensitivity". Physical Biology. 1 (2): 110–124. Bibcode:2004PhBio...1..110M. doi:10.1088/1478-3967/1/2/007. PMID 16204828. S2CID 24625029.
  7. ^ Pivetti CD, Yen MR, Miller S, Busch W, Tseng YH, Booth IR, Saier MH (mart 2003). "Two families of mechanosensitive channel proteins". Microbiol. Mol. Biol. Rev. 67 (1): 66–85, table of contents. doi:10.1128/MMBR.67.1.66-85.2003. PMC 150521. PMID 12626684.
  8. ^ Kung, C. (2005). "A possible unifying principle for mechanosensation". Nature. 436 (7051): 647–54. Bibcode:2005Natur.436..647K. doi:10.1038/nature03896. PMID 16079835. S2CID 4374012.
  9. ^ Suchyna, T.; Sachs, F. (2007). "Mechanical and electrical properties of membranes from dystrophic and normal mouse muscle". J. Physiol. 581 (Pt 1): 369–387. doi:10.1113/jphysiol.2006.125021. PMC 2075208. PMID 17255168.
  10. ^ Hackney, CM; Furness, DN (1995). "Mechanotransduction in vertebrate hair cells: structure and function of the stereociliary bundle". Am J Physiol. 268 (1 Pt 1): C1–138. doi:10.1152/ajpcell.1995.268.1.C1. PMID 7840137.
  11. ^ Markin, V. S.; Sachs, F. (2004). "Thermodynamics of mechanosensitivity". Physical Biology. 1 (2): 110–124. Bibcode:2004PhBio...1..110M. doi:10.1088/1478-3967/1/2/007. PMID 16204828. S2CID 24625029.
  12. ^ Dedman, Alexandra; Sharif-Naeini, Reza; Folgering, Joost H. A.; Duprat, Fabrice; Patel, Amanda; Honoré, Eric (2008). "The mechano-gated K2P channel TREK-1". European Biophysics Journal. 38 (3): 293–303. doi:10.1007/s00249-008-0318-8. PMID 18369610. S2CID 28802245.
  13. ^ Sackin, H. (1995). "Mechanosensitive channels". Annu. Rev. Physiol. 57: 333–53. doi:10.1146/annurev.ph.57.030195.002001. PMID 7539988.
  14. ^ Sukharev SI, Martinac B, Arshavsky VY, Kung C (juli 1993). "Two types of mechanosensitive channels in the Escherichia coli cell envelope: solubilization and functional reconstitution". Biophys. J. 65 (1): 177–83. Bibcode:1993BpJ....65..177S. doi:10.1016/S0006-3495(93)81044-0. PMC 1225713. PMID 7690260.
  15. ^ Haswell ES, Phillips R, Rees DC (oktobar 2011). "Mechanosensitive channels: what can they do and how do they do it?". Structure. 19 (10): 1356–69. doi:10.1016/j.str.2011.09.005. PMC 3203646. PMID 22000509.
  16. ^ Ernstrom GG, Chalfie M (2002). "Genetics of sensory mechanotransduction". Annu. Rev. Genet. 36: 411–53. doi:10.1146/annurev.genet.36.061802.101708. PMID 12429699.
  17. ^ García-Añoveros J, Corey DP (maj 1996). "Touch at the molecular level. Mechanosensation". Curr. Biol. 6 (5): 541–3. doi:10.1016/S0960-9822(02)00537-7. PMID 8805263.
  18. ^ a b Purves, Dale. (2004). Neuroscience. Sunderland, Mass.: Sinauer Associates. str. 207–209. ISBN 978-0-87893-725-7.
  19. ^ a b c d e f Del Valle ME, Cobo T, Cobo JL, Vega JA (august 2012). "Mechanosensory neurons, cutaneous mechanoreceptors, and putative mechanoproteins". Microsc. Res. Tech. 75 (8): 1033–43. doi:10.1002/jemt.22028. PMID 22461425. S2CID 206068242.
  20. ^ a b c d Patel A, Sharif-Naeini R, Folgering JR, Bichet D, Duprat F, Honoré E (august 2010). "Canonical TRP channels and mechanotransduction: from physiology to disease states". Pflügers Arch. 460 (3): 571–81. doi:10.1007/s00424-010-0847-8. PMID 20490539. S2CID 22542282.
  21. ^ a b c d e f g López-Larrea, Carlos (2011). Sensing in Nature. New York: Springer Science+Business Media. ISBN 978-1-4614-1703-3.
  22. ^ a b c d Yin J, Kuebler WM (2010). "Mechanotransduction by TRP channels: general concepts and specific role in the vasculature". Cell Biochem Biophys. 56 (1): 1–18. doi:10.1007/s12013-009-9067-2. PMID 19842065. S2CID 12154460.
  23. ^ a b c Martinac B (2011). "Bacterial mechanosensitive channels as a paradigm for mechanosensory transduction". Cell. Physiol. Biochem. 28 (6): 1051–60. doi:10.1159/000335842. PMID 22178995.
  24. ^ Peyronnet R, Nerbonne JM, Kohl P (2016). "Cardiac mechano-gated ion channels and arrhythmias". Circ. Res. 118 (2): 311–29. doi:10.1161/CIRCRESAHA.115.305043. PMC 4742365. PMID 26838316.
  25. ^ Quinn TA, Kohl P (2021). "Cardiac Mechano-Electric Coupling: Acute Effects of Mechanical Stimulation on Heart Rate and Rhythm". Physiol. Rev. 101 (1): 37–92. doi:10.1152/physrev.00036.2019. PMID 32380895.
  26. ^ a b c d e f Sachs F (2010). "Stretch-activated ion channels: what are they?". Physiology. 25 (1): 50–6. doi:10.1152/physiol.00042.2009. PMC 2924431. PMID 20134028.
  27. ^ Tay A, Dino DC (17. 1. 2017). "Magnetic Nanoparticle-Based Mechanical Stimulation for Restoration of Mechano-Sensitive Ion Channel Equilibrium in Neural Networks". Nano Letters. 17 (2): 886–892. doi:10.1021/acs.nanolett.6b04200. PMID 28094958..
  28. ^ a b Lumpkin EA, Caterina MJ (februar 2007). "Mechanisms of sensory transduction in the skin". Nature. 445 (7130): 858–65. Bibcode:2007Natur.445..858L. doi:10.1038/nature05662. PMID 17314972. S2CID 4391105.
  29. ^ Hamill, O.P.; Martinac, B. (2001). "Molecular basis of mechanotransduction in living cells". Physiol. Rev. 81 (2): 685–740. doi:10.1152/physrev.2001.81.2.685. PMID 11274342. S2CID 1877143.
  30. ^ Nguyen, T.; Clare, B.; Martinac, B.; Martinac, Boris (2005). "The effects of parabens on the mechanosensitive channels". Eur. Biophys. J. 34 (5): 389–396. doi:10.1007/s00249-005-0468-x. PMID 15770478. S2CID 45029899.
  31. ^ Guharay F, Sachs F (juli 1984). "Stretch-activated single ion channel currents in tissue-cultured embryonic chick skeletal muscle". J. Physiol. 352: 685–701. doi:10.1113/jphysiol.1984.sp015317. PMC 1193237. PMID 6086918.

Sljedeće se ne spominje u članku, i/ili je u suprotnosti sa Engler, A. et al., 2006:

  • Perozo, E; Kloda, A; Cortes, DM; et al. (2002). "Physical principles underlying the transduction of bilayer deformation forces during mechanosensitive channel gating". Nature Structural & Molecular Biology. 9 (9): 696–703. doi:10.1038/nsb827. PMID 12172537. S2CID 17910920.

Vanjski linkovi