Gourt Home::Gourt :: ГАМКА-рецептор
Морфологія
GABAA-rec1.jpg|thumb|450px|Cтруктура субодиниці ГАМКА-рецептору.
Ліворуч – топологія субодниці. Великий зовнішньоклітинний N-термінальний домен несе характеристичний цистеїновий місток (Cys-Cys), що присутній у всіх іонних каналах та місця зв’язування агоністів та модуляторів. Трансмембранні домени (ТМ) показані у вигляді циліндрів (1-4) з доменом ТМ2, що вистілає іонний канал (помаранчевий). Найбільша внутрішньоклітинна петля (між доменами ТМ3 та ТМ4) несе місця зв’язування численних внутрішньоклітинних модуляторів та сайти, що беруть участь в стабілізації та фіксації рецептора в клітинній мембрані. У відсотках показані відносні пропорції молекули субодиниці рецептора, що знаходяться по різні боки плазматичної мембрани та всередині неї.
Праворуч – четвертинна структура рецептора. Пентамерний комплекс субодиниць формує нативний ГАМКА-рецептор, при цьому домени ТМ2 кожної субодиниці розтащовані так, що формують іонний канал, по якому проходять аніони Cl- та НСО3- після активації рецептора агоністом (ГАМК).]] Іонотропні ГАМКА-рецептори вперше були виділені з бичачого мозку в 1987 році, і їхня структура була тоді визначена як така, що складається з двох субодиниць. Але пізніше завдяки методикам молекулярного клонування було виділено велику кількість різних субодиниць, що можуть входити до складу цього рецептору. Перелік субодиниць включає сім різних родин, багато з яких налічують більш ніж один вид протеїну. Це родини α (6 ізоформ), β (три ізоформи), γ (три ізоформи), а також δ, ε, π та θ (одна ізоформа в кожній). Гомологічність (збіжність) в послідовностях амінокислот між ізоформами однієї родини досягає щонайменше 70%, в той час як між представниками різних родин – менше ніж 40%; докладніше про властивості рецепторів, що утворюються різними комбінаціями субодиниць, див. в таблиці 1.
Кожний функціонуючий ГАМКА-рецептор являє собою гетеропентамер, де всі п’ять субодиниць мають однакову третинну структуру. Ця структура полягає в наявності великого N-термінального домену, характеристичною ознакою котрого для цього типу рецепторів є дісульфідний мостик між двома залишками цистеїну (так звана „cys-cys-петля”) - риса, притаманна всім іонно-канальним рецепторам. Також на N-термінальному домені знаходяться численні місця зв'язування різноманітних лігандів та сайт, який активує рецептор при зв'язуванні з ним молекул ГАМК.
За N-термінальним доменом ідуть чотири трансмембранних домени (ТМ1-4), серед яких ТМ2 запроваджує внутрішню вистілку просвіту іонного каналу. Між доменами ТМ3 та ТМ4 знаходиться великий внутрішньоклітинний регіон, що містить сайти, застосовувані для фосфорилювання задопомогою протеїн-кіназ, а також місця приєднання численних фіксуючих та проводячих протеїнів. За доменом ТМ4 розташований дуже короткий С-термінал. Загалом, кількість амінокислотних залишків, котрі складають третинну структуру однієї субодиниці, дорівнює приблизно 400.
Велика кількість субодиниць ГАМКА-рецептору (загалом 16) призводить до великої кількості структурно відмінних ГАМКА-рецепторів, що можуть бути теоретично ними сформовані. Але практично in vivo рівень різноманіття функціональних ГАМКА-рецепторів є набагато меншим. Завдяки комплексним молекулярно-біологічним дослідженням було встановлено, які саме комбінації субодиниць можуть формувати функціональні ГАМКА-рецептори – див. Таблицю 1. При цьому треба завважити, що не всі штучно синтезовані нормально функціонуючі форми рецепторів, наведені в таблиці, на теперішній час знайдені в мозку.
Функціональні властивості
Дослідженя рекомбінантних ГАМКА-рецепторів показали, що функціональні властивості ГАМКА-рецепторів багато в чому визначаються складом субодиниць рецептору. Загалом, наступні закономірності можуть вважатись доведеними:
- Відсутність β-субодиниці в складі рецептору помітно зменшує, або навіть повністю блокує, чутливість до ГАМК;
- Створення комбінацій α-β збільшує чутливість до ГАМК, але отримані таким чином канали мають відносно низьку провідність (12-18 pS). Також ці рецептори нечутливі до бенздіазепінів, і можуть бути інгібійованими задопомогою низьких концентрацій Zn2+ (~100-200 nM/l);
- Залучення γ-субодиниці, що призводить до формування комбінацій α-β-γ, незначно знижує чутливість до ГАМК порівняно з α-β - рецепторами; також таким рецепторам притаманна алостерична модуляція бенздіазепінами, і помітно менша чутливість до іонів Zn2+ (~200-500μM/l). Провідність іонного каналу у рецепторів з таким складом субодиниць приблизно на 30% вища (28-31 pS), аніж у форм α-β. Навність субодиниці γ2, окрім того, стимулює формування кластерів (тісних груп) рецепторів на постсинаптичній мембрані хімічних синапсів.
Місце зв'язування ГАМК
GABAA-rec2.jpg На теперішній час вважається, що до складу місця (сайту) зв'язування ГАМК на ГАМКА-рецепторі входять амінокислотні залишки як з α-, так і з β-субодиниці. При цьому в складі β-субодиниці для формування місця зв'язування ГАМК критичними є два домени, що містять амінокислоти YGYT (однолітерний код, див статтю "Амінокислота") – залишки 157-160 субодиниці β2 (тут і далі літера позначає однолітерний код амінокислоти, цифра – номер залишку в ланцюгу білкової молекули, починаючи від N-кінця); і, також, TGSY – залишки 202-205. Втім, згідно до деяких теорій, останній домен може бути асоційованим з механізмом конформаційної передачі в процесі відкриття іонного каналу, а не власне з місцем зв'язування ГАМК. Перераховані вище залишки взаємодіють із залишками F64, R66, S68, R120 субодиниці α1 – таким чином, сайт зв'язування ГАМК сформований на поверхні контакту α- та α-субодиниць.
Алостерична модуляція: бенздіазепіновий сайт
Дослідження рекомбінантних рецепторів показали, що одночасна наявність α- та γ-субодниць є необхідною для можливості алостеричного регулювання ГАМКА-рецептору задопомогою бенздіазепінів. При цьому були ідентифіковані декілька критично важливих амінокислотних залишків - Н101 в α1-субодиниці та F77 в γ2-субодиниці – які впливають на активність зв'язування.
Окрім того, важливу роль відіграє залишок Т142 в субодиниці γ2, котрий впливає на ефективність бенздіазепінів. Цікаво, що залишок F77 в субодиниці γ2 є гомологічним до F64 в субодиниці α1, що завдає активного впливу на ефект ГАМК. Таким чином, сайт зв’язування бенздіазепінів, локалізований на поверхні між субодиницями α та γ, може бути таким, що еволюційно виник із сайту зв’язування агоністу (тобто ГАМК).
Набір субодиниць, що формує нативний рецептор, особливо що стосується різних ізоформ γ та α субодиниць, може завдавати вплив і на фармакологію бенздіазепінів. Ліганди бенздіазепінового ряду можуть діяти як часткові або повні агоністи, потенціюючи дію ГАМК; як антагоністи, котрі не мають жодного впливу на дію ГАМК, але запобігають дії агоністів-бенздіазепінів; та як часткові або повні зворотні агоністи, котрі інгібіюють активацію рецептору задопомогою ГАМК, діючи на бенздіазепіновий сайт. Ефекти зворотніх агоністів можуть бути інгібійовані антагоністами бенздіазепінового ряду. Рецептори, що включають α1- та βіγ2 субодиниці (де і=1-3), мають високу афінність до бенздіазепінів, діазепаму, CL218872, та золпідему (часто називаються рецепторами або лігандами першого типу). CL218872 та золпідем мають набагато нижчу афінність до рецепторів, що містять α2-3 та α5βіγ2 субодиниці (рецептори другого типу). Наступна група рецепторів, α4- та α6βіγ2 – рецептори, є діазепам–нечутливою, але здатною зв’язувати частковий зворотній агоніст, Rо-15-4513. У субодиницях α4 та α6 відсутній кpитично важливий для α1 амінокислотний залишок Н101, котрий замінений на агрінін. Такі діазепам-нечутливі рецептори називаються рецепторами третього типу.
β-субодиниці та іонний канал
β-субодиниці рецептору спочатку вважались фармаклогічно пасивними; тим не менше, нещодавні дослідження показали, що їхня наявність у складі нативного рецептору є критично необхідною умовою для його функціонування, а різні конформації β-субодиниць можуть впливати на ефект лігандів, які з цими субодиницями безпосередньо не зв’язуються (наприклад, на ефекти лореклезола). В усіх відомих на теперішній час випадках впливу на ефекти лігандів ГАМКА-рецептору з боку його β-субодиниць різниця в рецепторній відповіді зумовлена мутаціями (тобто замінами) одного і того ж амінокислотного залишку – на позиції 290 в сегменті ТМ2. У випадку β1-субодиниці це місце займає серін, і ефект лореклезолу при цьому не змінюється або інгібіюється; у випадку β2-субодиниці на цьому місці знаходиться аспарагін, що помітно потенціює (збільшує) ефект лореклезолу і ряду інших сполук.
Інший залишок, що сильно впливає на чутливість αβ-вміщуючих ГАМКА-рецепторів – це Н267, що знаходиться на зовнішній частині домену ТМ2. Цей залишок гістидину формує частину сайту зв’язування Zn2+, роблячи рецептор чутливим до інгібіювання іонами цинку в концентрації близько 100 nM/l. Локалізація цього амінокислотного залишку всередині хлорного каналу рецептру і той факт, що двохвалентний катіон цинку може проникати в канал, пристосований для проходження одновалентних аніонів незалежно від того, активований рецептор чи ні, є ознаками локалізації іон-селектуючої частини рецепторної молекули та механізму відкриття каналу на протилежному кінці рецептору.
Таблиці
Таблиця 1. Форми ГАМКА-рецепторів, знайдені в нервовій системі
| Комбінація субодиниць | Розповсюдження та властивості |
| α1βγ2 | Найбільш звичайна ізоформа, ~40% від усіх ГАМКА-рецепторів; широко розповсюджена в хімічних синапсах нервової системи. |
| α2βγ2 | Досить звичайна, також широко розповсюджена. |
| α3βγ2 | Не така звичайна як дві попередні, широко розповсюджена. |
| α4βγ2/δ | Відносно рідкісна, знайдена в гіпокампусі та таламусі. Можливо, є позасинаптичним рецептором. |
| α5βγ2 | Відносно рідкісна, знайдена в гіпокампі. |
| α6βγ2/δ | Знайдена лише в гранулярному шарі мозочка та в нервових клітинах равлику вуха. Можливо, є позасинаптичним рецептором. |
| α1α(2-6)βγ2 | Рецептори, що містять дві різні форми α-субодиниці, вірогідно, є дуже рідкісними, якщо взагалі така комбінація здатна формувати функціональний рецептор. Про їхнє існування можно стверджувати, грунтуючись на результатах імунних реакцій з використанням селективних сироваток |
| α2α(3-6)βγ2 | Відносно рідкісна, якщо взагалі здатна формувати функціональні рецептори. |
| α3α(4-6)βγ2 | Відносно рідкісна, якщо взагалі здатна формувати функціональні рецептори. |
Таблиця 2. Властивості ГАМКА-рецепторів
| Природний агоніст | ГАМК |
| Селективний агоніст | Ізогувацин |
| Антагоніст | Пікротоксин |
| Селективний антагоніст | Бікукуллін |
| Модулятори: бенздіазепіни | Потенціювання |
| барбітурати | Потенціювання |
| Zn2+ (IC50) | Інгібіювання (αβ — 100-500nM; αβγ — 100-500mM) |
| Нейростероїди | Потенціювання/інгібіювання |
| Ефективність ГАМК (ЕС50) | 2-30μM |
| Іони, що проходять через канал | Cl- та НСО3- |
| Активація рецептора | Швидка (мілісекунди) |
| Десенсетизація | Швидка та глибока |
| Провідність каналу | 25-32pS |
Література
Bormann J (2000): The "ABC" of GABA receptors. Trends Pharmacol Sci 21:16-19.
Feigenspan A, Wassle H, Bormann J (1993): Pharmacology of GABA receptor Cl- channels in rat retinal bipolar cells. Nature 361:159-162.
Fritschy J-M, Mohler H (1995): GABAA receptor heterogeneity in the adult rat brain: differential regional and cellular distribution of seven major subunits. J Comp Neurol 359:154-194.
Hosie AM, Aronstein K, Sattelle DB, Ffrench-Constant RH (1997): Molecular biology of insect neuronal GABA receptors. Trends Neurosci. 20:578-583.
Jones A, Korpi ER, McKernan RM, Pelz R, et al. (1997): Ligand-gated ion channel subunit partnerships: GABAA receptor 6 subunit gene inactivation inhibits delta subunit expression. J Neurosci 17:1350-1362.
Korpi ER, Grunder G, Luddens H (2002): Drug interactions at GABAA receptors. Prog Neurobiol 67:113-159.
Moss SJ, Smart TG (1996): Modulation of amino acid-gated ion channels by protein phosphorylation. Int Rev Neurobiol 39:1-52.
Rabow LE, Russek SJ, Farb DH (1996): From ion currents to genomic analysis: Recent advances in GABAA receptor research. Synapse 21:189-274.
Rudolph U, Crestani F, Benke D, Brunig I, et al. (1999): Benzodiazepine actions mediated by specific γ-aminobutyric acid (A) receptor subtypes. Nature 401:796-800.
Smith GB, Olsen RW (1995): Functional domains of GABAA receptors. Trends Pharmacol Sci 16:162-168.
Whiting PJ, McKernan RM, Wafford KA (1995): Structure and pharmacology of vertebrate GABAA receptor subtypes. Int Rev Neurobiol 38:95-138.
"ГАМКА-рецептор"