ГАМКA-рецептор

ГАМК_A-рецептор — група клітинних рецепторів, ліганд-залежних хлорних іонних каналів, відчинення пори яких керуються молекулами гамма-аміномасляної кислоти, основного гальмівного нейромедіатора в мозку ссавців, зокрема людини. Це один з 3 підтипів ГАМК-рецепторів та одна з груп надродини рецепторів з цистеїновою петлею. Кожен ГАМК_A-рецептор утворюється п'ятьма білковими субодиницями, які кодуються окремими генами. Ці рецептори розташовані переважно в синапсах між нейронами головного мозку. Відкриття іонного каналу ГАМК_A-рецептора призводить до входу іонів хлору до зрілого нейрона, зниження значення його мембранного потенціалу (гіперполяризації) та гальмування електричної активності. Мутації в генах, що кодують субодиниці ГАМК_A-рецепторів призводять до низки захворювань, зокрема деяких видів епілепсії. Ці рецептори є мішенями деяких фармацевтичних препаратів, як наприклад барбітурати та бензодіазепіни.

Структура субодиниці ГАМК_A-рецептора.
Ліворуч — топологія субодиниці. Великий зовнішньоклітинний N-кінцевий домен несе характерний цистеїновий місток (Cys-Cys), що присутній у всіх іонних каналах надродини, та місця зв'язування агоністів та модуляторів. Трансмембранні домени показані у вигляді циліндрів (1-4) з доменом ТМ2, що вистилає 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 ГАМК_A-рецептор, при цьому домени ТМ2 кожної субодиниці розташовані так, що формують іонний канал, яким проходять аніони Cl^- та НСО₃^- після активації рецептора агоністом (ГАМК).

Структура

Іонотропні ГАМК_A-рецептори вперше були виділені з мозку бика 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 рецептора. Перелік субодиниць включає сім різних родин, багато з яких налічують більш ніж один ген. Це родини α (6 ізоформ), β (три ізоформи), γ (три ізоформи), а також δ, ε, π та θ (одна ізоформа в кожній). Гомологія (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. у таблиці 1.

Кожний функціональний ГАМК_A-рецептор являє собою гетеропентамер, де всі п'ять субодиниць мають однакову третинну структуру. Ця структура полягає в наявності великого N-кінцевого домену, характерною ознакою котрого для цього типу рецепторів є дисульфідний місток між двома залишками цистеїну (так звана «cys-cys-петля») — риса, притаманна всім іонно-канальним рецепторам. Також на N-кінцевому домені знаходяться численні місця зв'язування різноманітних лігандів та ділянка, що активує рецептор при зв'язуванні з ним молекул ГАМК.

За N-кінцевим доменом ідуть чотири трансмембранних домени (ТМ1-4), серед яких ТМ2 створює внутрішню вистілку пори іонного каналу. Між доменами ТМ3 та ТМ4 знаходиться велика внутрішньоклітинна ділянка, що містить сайти, які фосфорилюються за допомогою протеїнкіназ, а також місця приєднання численних якірних та регуляторних білків. За доменом ТМ4 розташований дуже короткий С-кінцевий домен. Загалом, кількість амінокислотних залишків, котрі складають третинну структуру однієї субодиниці, дорівнює приблизно 400(англ.).

Велика кількість типів субодиниць ГАМК_A-рецептора (загалом 16) призводить до великої кількості структурно відмінних ГАМК_A-рецепторів, що можуть бути теоретично ними сформовані. Але практично in vivo рівень різноманіття функціональних ГАМК_A-рецепторів є набагато меншим. Завдяки комплексним молекулярно-біологічним дослідженням було встановлено, які саме комбінації субодиниць можуть формувати функціональні ГАМК_A-рецептори — див. Таблицю 1. При цьому треба завважити, що не всі штучно синтезовані нормальні функціональні форми рецепторів, наведені в таблиці, на початок 2000-х років знайдені в мозку.

Тримірна структура рецептора.
Top — вигляд згори (паралельно до мембрани),
Front — вигляд збоку (перпендикулярно до мембрани)

Таблиця 1. Форми ГАМК_A-рецепторів, знайдені в нервовій системі

Комбінація субодиниць	Розповсюдження та властивості
α1βγ2	Найзвичайніша ізоформа, ~40% від усіх ГАМКA-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 гіпокампі 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
α1α2-6βγ2	Рецептори, що містять дві різні форми α-субодиниці, імовірно, є дуже рідкісними, якщо взагалі така комбінація здатна формувати функціональний рецептор. Про їхнє існування можна стверджувати, ґрунтуючись на результатах імунних реакцій з використанням селективних сироваток
α2α3-6βγ2	Відносно рідкісна, якщо взагалі здатна формувати функціональні рецептори.
α3α4-6βγ2	Відносно рідкісна, якщо взагалі здатна формувати функціональні рецептори.

Дослідження за допомогою кріоелектронної мікроскопії, проведені наприкінці 2010-х років, дозволили отримати зображення субодиниць рецептору в дуже високій роздільній здатності. Також було уточнено місця приєднання різноманітних лігандів рецептору.

У комах, зокрема дрозофіли, виявлено 3 гени, що кодують різні ізоформи ГАМК_A-рецепторів:

• Rdl (англ. resistance to dieldrin)
• Grd (англ. GABA and glycine-like receptor of Drosophila)
• Lcch3 (англ. ligand-gated chloride channel homologue3)

Функціональні властивості

Дослідження рекомбінантних ГАМК_A-рецепторів показали, що функціональні властивості ГАМК_A-рецепторів багато в чому визначаються складом субодиниць рецептора. Загалом, наступні закономірності можуть вважатись доведеними:

• Відсутність β-субодиниці в складі рецептора 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 за допомогою низьких концентрацій Zn²⁺ (~100-200 нМ);
• 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⁺ (~200-500 μМ). Провідність іонного каналу у рецепторів з таким складом субодиниць приблизно на 30 % вища (28-31 pS), аніж у форм α-β. Наявність субодиниці γ2, окрім того, стимулює формування кластерів (тісних груп) рецепторів на постсинаптичній мембрані хімічних синапсів.

ГАМК_А-рецептори комах відрізняються за фармакологічними властивостями від рецепторів ссавців. Вони часто є мішенями для інсектицидів.

Таблиця 2. Властивості ГАМК_A-рецепторів

Природний агоніст	ГАМК
Селективний агоніст	Ізогувацин
Антагоніст	Пікротоксин
Селективний антагоніст	Бікукуллін
Модулятори: бенздіазепіни	Потенціювання
Барбітурати	Потенціювання
Іони Zn2+2+ (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)
Десенситизація	Швидка та глибока
Провідність каналу	25-32pS

Місце зв'язування ГАМК

Місця зв'язування ГАМК та бенздіазепінів на ГАМКА-рецепторі. Пентамерна структура протеїну демонструє розташування α, β та γ-субодиниць в більшості ГАМК_A-рецепторів. Ділянки зв'язування агоністів (сині) формуються на контактній поверхні між субодиницями різних родин, включаючи в себе кілька амінокислотних залишків як з α, так і з β субодиниць. Аналогічно сформована єдина ділянка, де зв'язуються бенздіазепіни (червоний) між α та β субодиницями. Показані амінокислотні залишки, котрі долучені до формування вказаних ділянок зв'язування.

На початок 2000-х вважалося, що до складу ділянки зв'язування ГАМК на ГАМК_A-рецепторі входять амінокислотні залишки як з α-, так і з β-субодиниці. При цьому в складі β-субодиниці для формування ділянки 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, YGSY — залишки 202—205. Втім, згідно з деякими теоріями^{[якими?]}, останній домен може бути асоційованим з механізмом конформаційної передачі в процесі відкриття іонного каналу, а не власне з ділянкою зв'язування ГАМК. Перераховані вище залишки взаємодіють із залишками F64, R66, S68, R120 субодиниці α₁ — таким чином, ділянка зв'язування ГАМК сформована на поверхні контакту α- та α-субодиниць.

Алостерична модуляція: бенздіазепінова ділянка

Дослідження рекомбінантних рецепторів показали, що одночасна наявність α- та γ-субодниць є необхідною для можливості алостеричного регулювання ГАМК_A-рецептора за допомогою 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 ділянки 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 рецептора задопомогою ГАМК, діючи на бенздіазепінову ділянку. Ефекти зворотніх агоністів можуть бути інгібійовані антагоністами бенздіазепінового ряду. Рецептори, що містять α1- та β_іγ₂ субодиниці (де і=1-3), мають високу спорідненість до бенздіазепінів, діазепаму, CL218872, та золпідему (часто називаються рецепторами або лігандами першого типу). CL218872 та золпідем мають набагато нижчу спорідненість до рецепторів, що містять α₂-α₃ та α₅β_іγ₂ субодиниці (рецептори другого типу). Наступна група рецепторів, α4- та α6βіγ2 — рецептори, є діазепам-нечутливою, але здатною зв'язувати частковий зворотний агоніст, Ro-15-4513. У субодиницях α₄ та α₆ відсутній критично 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 рецептора спочатку вважались фармакологічно пасивними; тим не менше, нещодавні дослідження^[які?] показали, що їхня наявність у складі нативного рецептора 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 ГАМК_A-рецептора 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 серин, 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-вмісних ГАМК_A-рецепторів — це Н267, що знаходиться на зовнішній частині домену ТМ₂. Цей залишок гістидину формує частину ділянки зв'язування Zn²⁺, роблячи рецептор чутливим до інгібіювання іонами цинку в концентрації близько 100 нМ. Локалізація цього амінокислотного залишку всередині хлорного каналу рецептру і той факт, що двовалентний катіон цинку може проникати в канал, пристосований для проходження одновалентних аніонів, незалежно від того, активований рецептор чи ні, є ознаками локалізації іон-селективної частини рецепторної молекули та механізму відкриття каналу на протилежному кінці рецептора.

Медичне значення

Мутації в генах субодиниць ГАМК_А-рецепторів, а також інші порушення роботи цих білків призводять до низки захворювань, зокрема епілепсії, тривожних розладів, алкоголізму.

У клінічній практиці використовуються активатори цих рецепторів. Серед активаторів популярні транквілізатори, що належать до групи бензодіазепінів (алпразолам, гідазепам, діазепам, лоразепам, хлордіазепоксид тощо) та барбітуратів (фенобарбітал, тіопентал натрію тощо). Також активаторами рецепторів є пропофол, мусцимол тощо. Їх приймають як заспокійливі засоби, для розслаблення м'язів тощо. Інгібітори ГАМК_А-рецепторів як бікукулін, габазін та інші практично не мають клінічного застосування, оскільки є потужними конвульсантами.

Див. також

• ГАМК-рецептори
• ГАМК_В-рецептор
• ГАМК_С-рецептор

Джерела

• Шуба, Я. М. (2010). Основи молекулярної фізіології іонних каналів: навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів. К.: Наукова думка. с. 60—66. ISBN 978-966-00-1042-0. Архів оригіналу за 24 червня 2016. Процитовано 22 липня 2021.
• Macdonald, R.L.; Gallagher, M.J. (2014). GABAA Receptor Channels; Properties and Regulation: 375—382. doi:10.1016/B978-0-12-385157-4.00042-7.
• Sigel, Erwin; Steinmann, Michael E. (2012). Structure, Function, and Modulation of GABAA Receptors. Journal of Biological Chemistry. 287 (48): 40224—40231. doi:10.1074/jbc.R112.386664. ISSN 0021-9258.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)(англ.)
• Bormann, Joachim (2000). The ‘ABC’ of GABA receptors. Trends in Pharmacological Sciences. 21 (1): 16—19. doi:10.1016/S0165-6147(99)01413-3. ISSN 0165-6147.(англ.)
• Feigenspan, Andreas; Wässle, Heinz; Bormann, Joachim (1993). Pharmacology of GABA receptor CI− channels in rat retinal bipolar cells. Nature. 361 (6408): 159—162. doi:10.1038/361159a0. ISSN 0028-0836.(англ.)
• Fritschy, Jean-Marc; Mohler, Hanns (1995). GABAA-receptor heterogeneity in the adult rat brain: Differential regional and cellular distribution of seven major subunits. The Journal of Comparative Neurology. 359 (1): 154—194. doi:10.1002/cne.903590111. ISSN 0021-9967.(англ.)
• Hosie, Alastair; Sattelle, David; Aronstein, Kate; ffrench-Constant, Richard (1997). Molecular biology of insect neuronal GABA receptors. Trends in Neurosciences. 20 (12): 578—583. doi:10.1016/S0166-2236(97)01127-2. ISSN 0166-2236.(англ.)
• Jones, A.; Korpi, E. R.; McKernan, R. M.; Pelz, R.; Nusser, Z.; Mäkelä, R.; Mellor, J. R.; Pollard, S.; Bahn, S.; Stephenson, F. A.; Randall, A. D.; Sieghart, W.; Somogyi, P.; Smith, A. J. H.; Wisden, W. (1997). Ligand-Gated Ion Channel Subunit Partnerships: GABAAReceptor α6Subunit Gene Inactivation Inhibits δ Subunit Expression. The Journal of Neuroscience. 17 (4): 1350—1362. doi:10.1523/JNEUROSCI.17-04-01350.1997. ISSN 0270-6474.(англ.)
• Korpi, Esa R; Gründer, Gerhard; Lüddens, Hartmut (2002). Drug interactions at GABAA receptors. Progress in Neurobiology. 67 (2): 113—159. doi:10.1016/S0301-0082(02)00013-8. ISSN 0301-0082.(англ.)
• Moss, Stephen J.; Smart, Trevoe G. (1996). Modulation Of Amind Acid-Gated Ion Channels By Protein Phoshorlation. 39: 1—52. doi:10.1016/S0074-7742(08)60662-5. ISSN 0074-7742.(англ.)
• Rabow, Lois E.; Russek, Shelley J.; Farb, David H. (1995). From ion currents to genomic analysis: Recent advances in GABAA receptor research. Synapse. 21 (3): 189—274. doi:10.1002/syn.890210302. ISSN 0887-4476.(англ.)
• Rudolph, Uwe; Crestani, Florence; Benke, Dietmar; Brünig, Ina; Benson, Jack A.; Fritschy, Jean-Marc; Martin, James R.; Bluethmann, Horst; Möhler, Hanns (1999). Benzodiazepine actions mediated by specific γ-aminobutyric acid A receptor subtypes. Nature. 401 (6755): 796—800. doi:10.1038/44579. ISSN 0028-0836.(англ.)
• Smith, Geoffrey B.; Olsen, Richard W. (1995). Functional domains of GABAA receptors. Trends in Pharmacological Sciences. 16 (5): 162—168. doi:10.1016/S0165-6147(00)89009-4. ISSN 0165-6147.(англ.)
• Whiting, Paul J.; McKernan, Ruth M.; Wafford, Keith A. (1995). Structure and Pharmacology of Vertebrate GABAA Receptor Subtypes. 38: 95—138. doi:10.1016/S0074-7742(08)60525-5. ISSN 0074-7742.(англ.)

Посилання

• GABAA receptors [Архівовано 21 червня 2021 у Wayback Machine.]. IUPHAR(англ.)