A szívizomsejtek ionáramai

A szívizomsejtek ionáramai Dr. Szentesi Péter DE OEC Élettani Intézet 2009

A szivet alkotó szívizomsejtek

A sejtmembrán szerkezete

Csatornák Pórus Szőrı Kapu

A Patch Clamp módszer

Egyedi csatorna izolálása

Egyedi csatorna áramának mérése nyitott zárt

I Na = Na áram I Ca,L = L-típusú Ca áram I Na/Ca = Na/Ca csere mechanizmus I K1 = Befelé egyenirányító I to1 = Tranziens outward áram 1 I to2 = Tranziens outward áram 2 I Kr = Gyorsan aktiválódó késıi egyenirányító I Ks = Lassan aktiválódó késıi egyenirányító I Kp =

Ioncsatornák kapuzása Hodgkin és Huxley (1940): a csatornák különbözı konformációjú állapotok között változnak Activáció: a csatorna megnyílása depolarizáció hatására Inaktiváció: a csatorna bezáródik fenntartott depolarizáció alatt mv K Current (µa) 80 40 0-40 -80 20 15 10 5 0 0 500 1000 1500 0 500 1000 time

Befelé irányuló áramok Kifelé irányuló áramok Na + K + Ca 2+ + K + Na + Ca 2+ + Cl- Cl - Cl -

Ioncsatornák a tradicionális biofizikai elképzelés külsı + belsı Az ionok a membrán lyukain keresztül mozognak az elektro-kémiai hajtóerınek megfelelıen (elektromos áram). A lyukak szelektívek abban az értelemben, hogy csak bizonyos ionokat engednek át magukon (pl. Na + vagy K + vagy Ca 2+, stb.). A lyukak vagy csatornák véletlenszerően kinyilnak és bezáródnak, de a nyílási kinetikájuk feszültség és idı függı.

Az ioncsatornák transzmembrán fehérjék Az elsı molekuláris komponenseit a csatornáknak molekuláris klónozással azonosították. A csatornák cdna-jének ismerete jelentısen segíti az ioncsatornák struktúrájának és mőködésének megértését. A pórus formáló vagy fı szubunit határozza meg a csatorna felépítését (gyakran α szubunitnak nevezik). Sok csatorna (K +, Na + és Ca 2+ csatona) tartalmaz kiegészítı fehérjéket, amelyek módosítani tudják csatornák tulajdonságait.

Új ismeretek Fontos új ismeretek születtek a csatornák ion-szelektivitásáról, feszültség- és kalciumfüggı kapuzásáról, inaktivációjáról és blokkolhatóságukról. Ezen ismeretek vezettek el például a K + csatornák kristályositásához és nagyfelbontású strukturális analíziséhez.

Az ion-csatornák fı és kiegészítı alegységei

Ioncsatornák Na + csatorna Ca 2+ csatorna K + csatorna Cseremechanizmus Pumpák

Na + csatorna - elektrofiziológia Na Current (µa) mv 40 0-40 -80 0-15 -30-45 0 100 200 300 400 500 0.00-0.02-0.04 0 250 500 0 100 200 300 400 500 time Gyorsan aktiválódik és inaktiválódik A szívizomsej általában több mint 100,000 Na + csatornát expresszál A szív akciós potenciál gyors felszálló száráért és a szívizom szövetének gyors impulzusvezetéséért felelıs

A Na + csatorna α-alegysége Négy ismétlıdı alegység. Minden domén hat transzmembrán hélixbıl áll.

A Na + csatorna strukturája Különbözı alegységeket tratalmaz, de csak a fı (α) alegység szükséges a mőködéséhez. Négy belsıleg homológ domén (I-IV-el jelölve) A négy domén egymásfelé fordulva alakítja ki a csatorna központi pórusát. Marban et al, J Physiol (1998), 508.3, pp. 647-657

Na + csatorna: az aktiváció strukturális elemei S4 szegmens szolgál aktiváció szenzorként. A töltött alegységek fizikailag átérik a membránt mind a négy S4 szegmensben.

A kapuzás és szelektivitás strukturális elemei

Többfajta inaktivációs mechanizmus létezik. A gyors inaktiváció részben a citoplazmatikusan elhelyezkedı III és IV domént összekötı szakaszon történik Na + csatorna: az inaktiváció strukturális elemei

Na + - csatorna: A kiegészítı alegységek módosító hatásai Két különálló alegység (β1 és β2) Mindkettı tartalmazza: Egy kisl carboxy-terminális citoplazmatikus domént, egy membránon-átérı szegmenst, egy nagy amino-terminális extracelluláris domént A β1 szubunit széleskörően expresszálódik harántcsíkolt és szívizomban, neuronális szövetekben, és egy gén által kódolt (SCN1B)

Na + - csatorna: Genetikus rendellenességek Vele született long- QT szindróma (LQT3) Mutációk a szív típusú Na-csatorna génben (SCN5A) Lassult inaktiváció A mutációs helyek a kapuzási alegységeken vannak Folyamatos inward áram az AP repolarizációja alatt, megnyújtja a QT intervallumot és halálos ventriculáris arrhythmiát okoz.

Lokál anaesthetikumok (I. kategóriájú antiarrhythmiás szerek) feszültség függı módon blokkolják a Na + csatornát (S6 szegmens a IV-es doménen) A blokk hosszabb depolarizáltabb potenciáloknál vagy repetitív impulzusok esetén Na + csatorna: Farmakológia Neurotoxinok: a tetrodotoxin (TTX) a P regióval az I doménen µ-conotoxin Tengeri rózsa (pl. anthopleurin A és B, ATX II) és skorpió toxinok gátolják a Na + csatorna inaktivációját a IV domén S3-S4 extracelluláris loopjához kötıdve

Ioncsatornák Na + csatorna Ca 2+ csatorna K + csatorna Cseremechanizmus Pumpák

Ca 2+ csatorna: Electrofiziológia A kalcium belépése a feszültségérzékeny kalcium csatonákon indítja el az excitációs-kontrakciós kapcsolatot és szabályozza az ingerképzı aktivitást a szívben. Többfajta Ca 2+ áram létezik: L, N, P, Q, R és T-típusú Na Current (µa) mv 40 0-40 -80 0.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0-1.2 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 600 time

A szív két fajta Ca 2+ árama L-típusú Ca 2+ áram Magas feszültségre aktiválódó Lassan inaktiválódó (>500ms) Nagy konduktanciájú (25pS) DHP-szenzitív Foszforiláció szükséges mőködéséhez Elengedhetetlenül szükséges a belsı raktárakból történı Ca 2+ -felszabadulás elindításához T-típusú Ca 2+ áram Alacsony feszültségre aktiválódó Az aktiváció küszöbe alacsony Kis konduktanciájú (8pS) Lassú aktiváció és gyors inaktiváció lassú újra-aktiváció!! Blokkolja a mibefradil és a Ni 2+ ionok Szerepe az ingerképzésben még nem tisztázott

Az α1-alegység tartalmazza az ion csatorna szőrıt és akapukat Aβ-alegység intracellulárisan helyezkedik el és az α1- alegység membrán transzportjában vesz részt. Aγ-alegység egy glycoprotein négy transzmembrán szegmenssel. A α2-alegység egy erısen glykozilált extracelluláris protein, ami a membránt átérı δ-alegységhez kötıdik diszulfid hidakkal. A α2-alegységnek strukturálisszerepe van amíg a δ-alegység módosítja a csatorna feszültségfüggı aktivációját és steady-state inaktivációját.

Ca 2+ csatorna α-alegység Molekuláris összetétel Gén Protein Típus Kromoszóma Szövet CACLN1A3 α 1S L-típus 1q31-32 Harántcsíkolt CACLN1A4 α 1A P/Q-típus 19p13.1 Neuronális CACLN1A5 α 1B N-típus 9q34 Neuronális CACLN1A1 α 1C L-típus 12p13.3 Szív CACLN1A2 α 1D L-típus 3p14.3 Endokrin, agy CACLN1A6 α 1E R-tÍpus 1q25-31 Agy, szív CACLNA1G α 1G T-típus 17q22 Agy, szív CACLN1L21 α 2δ 7q21-22 CACLNB1 β1 17q11.2-22 CACLNB1 γ 17q23

Ca 2+ csatorna α-alegység Strukturális elemek

Ca 2+ csatorna α-alegység Genetikus rendellenességek Harántcsíkolt izom Mutáció a CACNL1A3 (α 1S L-típusú harántcsíkolt izom alegység) Hypokalémiás periódikus paralízis Malignus hyperthermia (fıleg a RYR2-höz kapcsolódó betegség) Neuronális Mutáció a CACNL1A4 (α 1A P/Q-típusú harántcsíkolt izom alegység) Familiáris hemiplegiás migrén Epizódikus ataxia Spinocerebelláris ataxia 6 típus

Ca 2+ csatorna α-alegység Genetikus rendellenességek Hyperkalémiás periódikus paralízis Malignus hyperthermia

Ca 2+ csatorna: Farmakológia Három fı csoportja van a Ca 2+ csatorna blokkolóknak: Phenylalkylaminok (verapamil) Benzothiazipinek (diltiazem) Dihydropyridinek (nifedipin) Az α-alegység különbözı helyeire kötıdnek (fıleg a: TMs 5&6 II. repeat és TM6 IV. repeat) a Na + csatornahasonló régióján okoznak blokkot a lokál anesthetikumok

Ioncsatornák Na + csatorna Ca 2+ csatorna K + csatorna Cseremechanizmus Pumpák

A K + csatornák funkcionális sokfélesége a szívben Feszültségre aktiválódó K + csatornák Inward rectifiers (befelé egyenirányító) Csorgó K + áram

Feszültségre aktiválódó K + csatornák Feszültségre aktiválódó + K + Az akciós potenciál repolarizációért és a refraktórikus tulajdonságáért felelısek (kontrakcióban és arrhythmiában játszanak szerepet). K + Csorgó - K + Inward rectifier K +

Inward Rectifier K + csatorna Feszültségre aktiválódó + K + A nyugalmimembránpotenciált és a szív automáciát szabályozzák. İk is felelısek az akciós potenciál repolarizációért és a refraktórikus tulajdonságáért (kontrakcióban és arrhythmiában játszanak szerepet). Csorgó K + - K + Inward rectifier K +

Csorgó K + csatorna Csorgó K + csatorna: Plátó (I KP ) K + csatorna Feszültségre aktiválódó + K + Az akcióspotenciál hosszát szabályozhatja? K + Csorgó - K + Inward rectifier K +

K + csatorna - Struktúra Mínd az α (fı) és β (kiegészítı) alegység létezik Esetleges korreláció létezik a funkció és struktura alapján történı osztályozásukban

A K + csatorna α-alegysége A kapuzást meghatározó molekulák S4 szegmens pórus N-típusú inaktiváció

A K + csatorna fı alegysége Feszültség-vezérelt K + csatorna Ca 2+ -ra aktiválódó K + csatorna Csorgó K + csatorna Inward Rectifier K + csatorna 6 TMD 4 TMD 2 TMD Coetzee, 2001

A K + csatorna fı és kiegészítı alegységei Feszültség-vezérelt K + csatorna Ca 2+ -ra aktiválódó K + csatorna Csorgó K + csatorna 6 TMD 4 TMD 2 TMD Inward Rectifier K + csatorna mink MiRPs Kvβ KChAP KChIPs NCS1 KCR1 KCNK1 KCNK2 KCNK3 KCNK4 KCNK5 KCNK6 KCNK7 KCNK9 KCNK10 KCNK12 KCNK13 KCNK15 KCNK16 KCNK17 Kir SUR eag KCNQ SK slo Kv Kir1 Kir2 Kir3 Kir4 Kir5 Kir6 Kir7 eag erg elk Kv1 Kv2 Kv3 Kv4 Kv5 Kv6 Kv8 Kv9 Coetzee, 2001

Feszültség-vezérelt K + csatorna Tranziens kifelé irányuló áram (I to ) Lassan aktiválódó késıi egyenirányító áram (I Ks ) Gyorsan aktiválódó késıi egyenirányító áram (I Kr ) Ultra-gyorsan aktiválódó késıi egyenirányító áram (I Kur ) Az akciós potenciál repolarizációért és a refraktórikus tulajdonságáért felelısek (kontrakcióban és arrhythmiában játszanak szerepet).

Tranziens kifeléirányító K + csatorna 80 40 Gyorsan aktiválódó, lassan inaktiválódó A korai repolarizációért felelıs (Purkinje sejtek) A késıi repolarizációban is részt vesz Transient Outward Current (µa) mv 40 0-40 -80 0.0-0.2 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 time mv K Current (µa) 0-40 -80 0 500 1000 1500 20 15 10 5 0 0 500 1000 time

Az I to blokkolói Kationok - TEA, Cs +, 4-AP I. típus - Disopyramid - Quinidin - Flecainid - Propafenon III. típus - Tedisamil További blokkolók - koffein, Ryanodin - Bepridil - D-600 - Nifedipin - Imipramin

Késıi egyenirányító áramok I Kr és I Ks

Késıi egyenirányító áram Kontroll Ca-mentes + Cd Matsuura et al, 1987

Késıi egyenirányító áram 2 fajtája 550 ms E-4031 100 pa Sanguinetti & Jurkiewicz, 1991

A késıi egyenirányító áramok blokkolói Gyorsan aktiválódó (I Kr ) - E-4031 - Dofetilid - Sematilid - MK-499 Lassan aktiválódó (I Ks ) - K + sparing diuretics Indapamid Triamteren - La 3+

A késıi egyenirányító K + csatorna Molekuláris összetétel Gyorsan aktiválódó késıi egyenirányító NCNH2 (h-erg) Lassan aktiválódó késıi egyenirányító KCNQ1 (KvLQT1) + KCNE1 (mink) Ultra-gyorsan aktiválódó késıi egyenirányító Kv1.5?

Feszültség hatására aktiválódó K + csatornák Farmakológia Tranziens kifelé irányuló áram 4-AP, bupivacain, quinidin, profafenon, sotalol, capsaicin, verapamil, nifedipin Gyorsan aktiválódó késıi egyenirányító E-4031, dofetilid, sotalol, amiodaron, stb. Lassan aktiválódó késıi egyenirányító Quinidin, amiodaron, clofilium, indapamid Ultra-gyorsan aktiválódó késıi egyenirányító 4-AP, clofilium

Feszültség hatására aktiválódó K + csatornák Genetikus rendellenességek Gén Csatorna Betegség Kromoszóma NCNA1 Kv1.1 Epizódikus Ataxia 12p13 NCNH2 H-erg LQT2 7q35-7q36 KCNQ1 KvLQT1 LQT1 (Romano-Ward) 11p15.5 KCNE1 mink (Jervall-Lange-Nielsen) 21q22.1-21q22.2

Befelé egyenirányító K + csatorna Befelé egyenirányító K + csatornák: A klasszikus inward rectifier (I K1 ) G protein-aktivált K + csatorna (I K,Ach ; I K,Ado ) ATP-érzékeny K+ csatorna (I K,ATP ) Na + -ra aktiválódó K + csatorna A nyugalmimembránpotenciált és a szív automáciát szabályozzák. İk is felelısek az akciós potenciál repolarizációért és a refraktórikus tulajdonságáért (kontrakcióban és arrhythmiában játszanak szerepet). Csorgó K + Feszültségre aktiválódó + K + - Inward rectifier K + K +

Befelé egyenirányító K+ csatorna Elektrofiziológia Kifelé irányuló áram fiziológiás körülmények között Kevesebb kifelé irányuló áram ha a sejtmembrán depolarizált Minden feszültségen nyitva van A nyugalmimembránpotenciált és a szív automáciát szabályozzák. İk is felelısek az akciós potenciál repolarizációért és a refraktórikus tulajdonságáért (kontrakcióban és arrhythmiában játszanak szerepet). Inward Rectifier Current (µa) mv 40 0-40 -80 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 time

Befelé egyenirányító K + csatorna Struktúra Két transzmembrán alegység Pórus Nincs feszültség érzékelı

Befelé egyenirányító K + csatorna Genetikus rendellenességek Gén Csatorna Betegség Kromoszóma KCNJ1 Kir1.1 (ATP-aktivált K + csatorna; vesében) Bartter szindróma 11q24 KCNJ2 Kir2.1 Anderson szindróma 17q23.1- q24.2 KCNJ8 ABCC9 Kir6.1 SUR2 Vasospastic angina?? (Printzmetal angina) 12p11.23 12p12.1 KCNJ11 Kir6.2 (ATP-érzékeny K + csatorna; pankreász) Familiáris persistent gyermekkori hyperinzulinémiás hypoglykémia 11p15.1 ABCC8 SUR1 Familiáris persistent gyermekkori hyperinzulinémiás hypoglykémia 11p15.1