A szívizomsejt ioncsatornái és azok működése
Dr. Bárándi László Viktor
Passzív transzport Egyszerű diffúzió: H2O, O2, CO2, lipid oldékony anyagok, ionok
Csatornán át történő diffúzió: Permeabilitás:
ionok átmérője szelektivitási filter
Ingerlékenység: feszültségfüggő receptorral űködő mechanoszenzitív A megnyílás minden vagy semmi jellegű. Az ionáram iránya és nagysága
A nyugalmi potenciál Eredete: diffúziós potenciál aktív transzport Nernst és Goldman egyenlet A sejtmembrán mint kondenzátor:
V=I•R τ=R•C
1
A feszültségfüggő Na csatornák működése
AP
INa = gNa (Em – ENa)
kontrakció
Abszolút Refrakter periódus
Relatív
Na+ csatorna (Nav1.5) szerkezete I.
S12345
II.
IV.
III.
6
egyetlen polipeptid lánc 4 TM domain (I-IV) 6 TM szegmentum (S1-S6) minden domainben S4: voltage sensor S3: aktivációs kapu S6: inaktivációs kapu S5-S6:közötti E.C. hurok: selectivity filter
Na+ áram
Takt 0.1 ms Tinakt 1 ms
-10 mV
-90 mV
Aktivációs, inaktivációs paraméter
Gyors aktiváció és inaktiváció
1
0.5
0
-
Membránpotenciál
+
Aktivátorok:
Depolarizáció -60 mV fölé Batrachotoxin, ATX-II, Skorpió toxinok
Gátlószerek:
TTX, STX, I. o. antiaritmikumok, Lokálanesztetikumok
Élettani funkció:
AP gyors felszálló fázisa Gyors intraventricularis ingerületvezetés Hozzájárul a plato-fázishoz
Kóros mûködés:
Aritmogenezis korai extrák lassú terjedése long QT syndoma
5 nA
1 ms
window
2
L- tipusú Ca2+ csatorna szerkezete Szívizomban: α1C, α2C, β, δ α1: konduktív pórus
Ca2+-függô inaktiváció drog-kötôhely, regulatorikus alegység drog-kötôhely, regulatorikus alegység PKA-függô foszforiláció β: kapuzási sajátságok módosítása csatorna alegységek összeszerelése PKC-függô foszforiláció
α2: δ:
α
I.
II.
E.C.
1
III.
IV.
egyetlen polipeptid lánc 4 TM domain (I-IV) 6 TM szegmentum (S1-S6) minden domainben S4: voltage sensor S3: aktivációs kapu S6: inaktivációs kapu S5-S6:közötti E.C. hurok: selectivity filter
I.C.
L- tipusú Ca2+ áram Gyors aktiváció Takt 2-3 ms Lassú, bifázisos inaktiváció Tinakt 10 / 100 ms
inaktivációja feszültség- és Ca2+-függô ICa - Perforált patch: gyors + lassú inaktiváció
0 mV
ICa - Ruptured patch + EGTA
-40 mV
IBa - csak lassú inaktiváció 500 pA
Ca2+
100 ms
Inhibitoricus Ca2+-kötôhely
L-tipusú Ca2+ áram sajátságai Verapamil, Diltiazem
Dihydropyridin kötôhelyek
Aktivátorok:
Depolarizáció -30 mV fölé BAY K 8644 PKA- és PKC-függô foszforilációs helyek (Reguláció)
Gátlószerek:
Szerves: Dihydropyridinek, Verapamil, Diltiazem Szervetlen: Mn2+, Co2+, Cd2+, Ni2+ (nem szelektív)
Élettani funkció: Ingerképzés (SA, AV csomó) Atrio-ventricularis átvezetés Plato-fázis kialakítása Ca2+-influx, E.C. kuplung (CICR) Kóros mûködés:
Aritmogenezis: EAD, lassú vezetés -> reentry
3
L-tipusú és T-tipusú Ca2+ áramok
T
50 µM Ni2+-érzékeny áram
L -50 mV -70 mV
HP = -50 mV Nisoldipin-érzékeny áram
HP = -70 mV
T+L
T-tipusú Ca2+ áram sajátságai Felnôtt kamrai szívizomban NEM expresszálódik, de Embryonális szívben valamint adult nodalis szövetekben és Purkinje sejtekben expresszálódik.
Remodeling során (cardiomyopathia) az expresszió visszatér. Gyors aktiváció és inaktiváció (mindkettô ms tartományban) Vakt and V inakt sokkal negatívabb, mint a ICa-L esetében Aktivátorok:Depolarizáció -60 mV fölé α-adrenerg (NE) és purinerg (ATP) agonisták endothelin-1 Hiányzik a béta-adrenerg szabályozás és a Ca2+-függô inaktiváció! Gátlószerek:
Ni2+ (50 µM), mibefradil, szervetlen L-csatorna blokkerek (nem szelektív)
Élettani funkció:Pacemaker potenciál a SA és AV csomóban és a Purkinje sejtekben Sejtnövekedés és differenciálódás irányítása a magzati életben Kóros mûködés: Aritmogenezis: cardiomyopathia, hypertrophya (endothelin-1)
Pórus-formáló K+ csatorna alegységek családfája
4
A feszültségfüggő K csatornák működése
IK = gK (Em – EK)
Voltage-gated K+ csatornák (Kv) szerkezete E.C.
I.C.
4 csatornafehérje homotetramer vagy heterotetramer elrendezésben, mindegyik 6 TM domaint tartalmaz Az S5-S6 szegmentumok közötti E.C. hurkok alkotják a konduktív pórust
Tranziens outward K+ áram (Ito1) sajátságai Csatornafehérjék: Kv4.3, Kv1.4 (+ KChIP2) Töltéshordozó: K+ Aktivátor: Depolarizáció -20 mV fölé Gátlószer: 4-aminopyridine Élettani funkció: Korai (1. fázis) repolarizáció -> hajtóerô az ICa2+ számára Gyors aktiváció és inaktiváció Takt 1 ms Tinakt 10 ms +50 mV
Lassú és bifázisos recovery Trec 100 ms (Kv4.3) / 1000 ms (Kv1.4)
Epicardium
Endocardium
-80 mV
0.25 nA
0.5 nA 50 ms
100 ms
5
Delayed rectifier K+ áramok
IKr és IKs IKs
HERG
IKr
Selectivity filter, C-type inasctivation gate Pore helix Voltage sensor
IKr
IKs
Interaction modulates deactivation Activation gate
IKr és IKs kinetikai sajátságai IKr
C -> O -> I O -> C
Takt 50 ms Tdeakt 300 / 3000 ms Rendkívül gyors inaktiváció
50 pA 1s
az IKr nem kumulálódik repetitív ingerléskor
-40 mV
I -> O +30 mV
-30 mV
IKs
200 pA
Takt 1000 ms Tdeakt 100 ms
1s
O -> C
C -> O
Nincs inaktiváció -40 mV
+50 mV
IKr szerepe a repolarizációban
100
IKr
pA 0
0
1
2
Idô (sec)
6
IKr és IKs sajátságai IKr
IKs
Aktivátorok:
Depolarizáció -20 mV fölé
Depolarizáció 0 mV fölé PKA-függô foszforiláció
Gátlószerek:
III. o. antiaritmikumok: E-4031, Dofetilid, d-Sotalol
Chromanol, TEA, Cs+ (nem szelektív)
Élettani funkció: Terrminális repolarizáció idözítése Kóros mûködés:
Repolarizációs rezerv
Aritmogenezis: Long QT-syndroma (veleszületett vagy szerzett) EAD
Inward rectifier K+ áram (IK1) 4 csatornafehérje homotetramer vagy heterotetramer elrendezésben, mindegyik 2 TM domaint tartalmaz
E.C . I.C.
A TM szegmentumok közötti E.C. hurkok alkotják a konduktív pórust
Aktivátorok:
Negatív membránpotenciál magas E.C. K+
Gátlószerek:
Depolarizáció, Ba2+
Élettani funkció: Nyugalmi potenciál Terminális repolarizáció felgyorsitása
Steady-state áram
Steady-state I-V karakterisztika 2 Membránpotenciál (mV)
−40 mV
-160
-120
-40
40
80
-2
0
-4
+60 mV
áram (nA)
-6
-4 -8
áram (nA)
400 ms
-8
Inward rectification
-140 mV
Azonnali aktiváció, minimális inaktiváció
IK1 szerepe a repolarizációban
200
IK1
pA 0 0
1
2
Idô (sec)
7
Cl- csatornák sajátságai Ca2+-aktivált ICl- (ICl-Ca)
E.C.
Szerkezet: alegységenként 4 TM domain Aktivátor: I.C. Ca2+ növekedése Gátlószerek: 9-AC, DIDS, SITS, tetrandrine
I.C.
cAMP-aktivált ICl- (ICl-cAMP, CFTR)
E.C.
Szerkezet: 12 TM domain Aktivátorok: PKA-függô foszforiláció ( ) * (cAMP, forskolin) Gátlószerek: 9-AC, glibenclamid, arylaminobenzoát
I.C.
*
Feszültség-aktivált ICl- (ICl-Vol, CLC)
E.C.
Szerkezet: 16 TM + 1 I.C. domain Aktivátorok: Depolarizáció, Sejtduzzadás Acidózis, I.C. Ca2+ növekedése Gátlószerek: 9-AC, DIDS, SITS, tamoxifen, Gd3+
I.C.
Sejttérfogat szabályozása !
50
ICl szerepe a repolarizációban 50 ICl gátolva
0
Vm (mV)
Vm (mV)
0
-50
-50
Vrev = -50 mV -100 0
-100
200
400
Idô (ms)
150
áram (pA)
100
Az ICl aktivációja dominánsan outward
Outward áram
50
áramot eredményez, ami rövidíti az
0
akciós potenciált és védelmet nyújt az Inward áram
-50 0
100
aritmiák (EAD, DAD) kialakulása ellen
200
300
Idô (ms)
Na+ / Ca 2+ exchanger (NCX) sajátságai Isoformák: NCX1, NCX2, NCX3 NH2
COOH Ca2+-kötô domain
Funkció:
Elektrogén Na+/Ca2+ csere: 3 Na+ / 1Ca2+
Gátlószerek:
Szelektív: XIP, SEA0400 Nem szelektív: La3+, Ni2+ (5 mM)
Élettani funkció: I.C. Ca2+ eliminációja a systolet követôen Ca2+-belépés a systole elején Kóros mûködés: Aritmogenezis: DAD
8
A kamrai akciós potenciált kialakító ionáramok 01
3
2
Outward áram Inward áram
Ito1 500 pA
4
IK1 200 pA IKr 70 pA
Akciós potenciál
Az inward és outward áramok plato (2) alatti finom egyensúlya
ICa 600 pA
Az upstroke (0) és a terminális repolarizáció (3) egyaránt pozitív feedback !
INa 20 nA
9
