構造と機能 │イオンチャネル ion channel│ ←→受容体 →参考1

●電位依存性イオンチャネル
 voltage-dependent channel = voltage-gated ion channel: VGIC

○カルシウムチャネル (Ca2+ channel):CACN ←→/骨関連の薬
    細胞膜上電位依存性 電位依存性Ca2+チャネル
    リガンド依存性 5-HT3受容体
    NMDA受容体
    小胞体膜上
    筋小胞体膜上
    (ストア膜上)
    リガンド依存性 IP3依存性Ca2+チャネル=IP3受容体
    リアノジン受容体

    細胞内カルシウム intracellular calcium ←→CBP/カルモデュリン/カルシトニン 参考1
    • 細胞質のCa2+濃度変化は生理機能のスイッチとして広く利用されており、調節される生体反応は筋収縮、ホルモンや神経伝達物質の放出、遺伝子転写、細胞増殖や分化など多岐にわたっている。
    • 細胞内Ca2+はセカンドメッセンジャーとして働き、その濃度変化は細胞機能の調節因子として重要である。
    • 神経細胞も他の細胞と同様に、細胞内の遊離カルシウム濃度は、0.1〜0.2μMに調節されている(細胞外Ca2+濃度の約1万分の1)。
    • 細胞内Ca2+濃度が異常に上昇しないように、ATPCBPが関わっている。
    • 刺激に応答して細胞内Ca2+濃度が上昇するには、「Ca2+チャンネルを経由した細胞外からの流入《と、「細胞内Ca2+貯蔵庫である小胞体から放出される経路《が存在する。

      Ca2+誘起性Ca2+遊離機構( CaCa2+-induced Ca2+ release)CICR
      • Ca2+の結合によりCa2+を放出する機構
      • 筋での主要なCICRはリアノジン受容体
      • 非興奮性細胞系での主要なCICRは、IP3 受容体
      • 神経細胞や平滑筋細胞では両受容体を刺激に応じて使い分けたり、協調的に利用している。
      • 悪性高熱症はCICRの異常亢進による筋細胞質Ca2+濃度の異常な上昇によって引き起こされると考えられている。
      • 全身吸入麻酔薬や、脱分極性弛緩薬であるスキサメトニウムはCICRを亢進させる。

      カルシウム・ウェーブ:カルシウムの上昇が細胞の端から端まで波のように伝わる現象
      カルシウム・オシレーション:カルシウムが増えたり減ったりを周期的に繰り返す現象

    • 生体内のCa2+は、カルシトニンとパラソルモンで調節されている。

・電位依存性Ca2+チャネル
 =voltage-sensitive Ca2+ channel : VSCCvoltage-dependent Ca2+ channel : VDCC
  ←→/conotoxin/プレガバリン/ガバペンチン
  • VDCCは、細胞内外の電位差により、細胞内にCa2+を流入させる。
  • 電位依存性Ca2+チャネルは、細胞内Ca2+濃度を調節する。
  • α1、α2、β、γ、δの5種のサブユニットで構成されている。
    α1サブユニット
    • 4回の繰り返し構造(ドメインI〜IV)を有し、それぞれに6個の膜貫通部位がある。
    • 4個のドメインは、イオンが通過する孔を形成して囲むように並んでおり、電位センサー、イオン選択性フィルターなどを有する。
    • Ca2+は、主にα1サブユニットを経て、細胞外から細胞内へ、流入する。
    • VDCCは、α1サブユニットの構造の違いから、チャネルのコンダクタンス、イオン選択性、活性化・上活性化反応の時間、薬物に対する特異性が、異なる。
    • 10種類のα1サブユニットが確認されている。
    βサブユニット
    • 親水性の高いタンパク質で膜貫通部位を持たず、細胞質側からα1サブユニットと相互作用し、Ca2+電流量やチャネルの開閉動態の変化などに影響を与える。
    • 4種類のβサブユニットが確認されている。
    α2δサブユニット 参考1/2
    • 1ヶ所の膜貫通部位を持つδと、全体が細胞外にあり、糖鎖によって負に荷電しているα2とがS-S結合で結ばれた形で存在する。
    • Ca2+電流の増強、細胞膜へのCa2+チャネルの発現量を増加させる。
    • α2δサブユニットサブユニットは、少なくとも4種類のgeneにコードされているα2δ-1、α2δ-2、α2δ-3、α2δ-4が確認されている。
    • ガバペンチンプレガバリン:α2δサブユニットに対する高親和性リガンド
      ---α2δ-1サブユニットに結合することにより、シナプスにおける神経伝達物質の放出を制御して、鎮痛効果を発揮すると考えられている。
    • N型Ca++チャネルのブロッカーを髄腔内へ少量投与すると鎮痛効果を示すが、増量すると運動障害が出現するので、α2δ-1サブユニッを介してN型Ca++チャネルの機能を調節すると副作用が減少すると考えられる。

 [VDCCの分類]
  • 電気生理学的Ca2+の分類
    低閾値活性型:LVA
    low voltage-activated
    過性にチャネルが開口し、低閾値で脱分極する。
    [T型]
    高閾値活性型:HVA
    high voltage-activated
    持続性にチャネルが開口し、高閾値で脱分極する。
    [L型/N型/P/Q型/R型]
  • Ca2+チャネルは、筋肉の収縮やホルモンの分泌や細胞の成長、障害、死までの様々な減少に係わっている。
  • α1サブユニットの構造の違いから、チャネルのコンダクタンス、イオン選択性、活性化・上活性化反応の時間、薬物に対する特異性が異なる。
    電気生理学
    的分類
    α1サブ
    ユニット
    阻害剤発現
    部位
     
    低閾値
     活性型
     (LVA)
    T
    Cav3.1
    (α1G)
    kurtoxin
    amiloride
    低濃度Ni2+
    ethosuximide
    zonisamide
    mibefradil

    心臓
    T型:transient型
    • 小さな脱分極によって活性化される。
    • 活性化電位閾値が低く、上活性化速度が速い。
    • L型Ca2+チャネルに比して、わずかな膜電位変化により活性化される。
    • 触覚に関与?
    • 急性疼痛、神経障害性疼痛に関与?
    Cav3.2
    (α1H)
    心筋
    Cav3.3
    (α1I)
    Cav2.3
    (α1E)
     
    高閾値
     活性型
     (HVA)

    Cav1.1
    (α1S)
    ジヒドロビリジン/
    ベンゾチアゼピン
    骨格筋 L型:long-lasting型
    • 活性化電位閾値が高く、上活性化速度が遅い。
    • カルシウム拮抗薬降圧薬)は、L型Ca2+チャネルのα1サブユニットに結合し、血管平滑筋へのCa2+流入を阻害し、血管平滑筋収縮抑制により、降圧効果を現わす。
    • 深部組織や内臓からの急性疼痛およびある種の炎症時における中枢性感作に関与
    • 神経では神経終末ではなく神経細胞内に存在し、神経では神経終末ではなく、神経細胞内に存在する。
    • ラットの足蹠へのホルマリン注入による痛覚過敏反応に対し、L型Ca拮抗薬は無効であった。
    • L型Ca拮抗薬の硬膜外投与での非侵害効果や麻薬性鎮痛薬との併用における鎮痛作用増強効果などが報告されているが、単独投与では抗侵害効果が認められないという報告もある。
    • 比較的抗侵害作用は弱いと考えられている。
    CaCav1.2
    (α1C)
    フェニル
    -アルキルアミン
    /
    ニフェジピン

    心筋
    平滑筋
    Cav1.3
    (α1D)
    ω-conotoxin
     GVIA(D)

    膵臓
    Cav1.4
    (α1F)
     網膜
    N
    Cav2.2
    (α1B)
    ω-conotoxin
     GVIA
     (SNX-124)
    ω-conotoxin
     MVII
     (SNX-111)
     (ziconotide)
    ω-conotoxin
     CVIA-D
    ω-conotoxin
     CNVIIA
    ONO -2921

    神経
    N型:neutral型
    • 活性化電位閾値が高く、上活性化速度は中等度
    • 神経細胞に存在し、神経終末での神経伝達物質の放出に関与する。そのためN型Ca2+チャンネルを阻害するCa拮抗薬では交感神経末端からのノルアドレナリンの放出を抑制して頻脈を起こりにくくする効果が期待できる。→シルニジピン
    • 急性疼痛炎症時における中枢性および神経障害性疼痛の確立や維持に深く関与
    • 後根神経節や神経終末、交感神経終末に局在し、神経伝達物質の放出を調節する。
    • ラットの足蹠へのホルマリン注入による痛覚過敏反応に対し、N型Ca拮抗薬は有意に抑制。
    • 神経搊傷の種類によって抗侵害作用が異なるという報告がある。
    • くも膜下へのCa拮抗薬の投与は、用量依存性に抗侵害効果を示したという報告がある。
    • SNX-111は、脊髄内神経線維終末部のN型Ca2+チャネルと選択的に遮断するが、神経筋接合部にはほとんど影響しない。
    P
    Cav2.1
    (α1A)
    ω-agatoxin
     IVA
    ω-conotoxin
     MVIIC
    FTX-3.3
    ω-agatoxinn
     TK

    神経
    P型:Purkinje型
    • P/Q 型カルシウムチャネルはPIP2により活性が維持されている。
    • 炎症時における中枢性感作の確立に関与
    Q
    R
    Cav2.3
    (α1E)
    SNX-482
    低濃度Ni2+

    神経
    • 中程度の脱分極によって活性化される。
    • 炎症性疼痛に関与

  • N, P/Q, R型は神経細胞にだけみられ、神経伝達物質放出に関与している。

  • ω-conotoxinは、イモガイ科のConus magnus, C. geographis, C. striatusが餌になる魚を捕らえるときに出す毒で、魚の神経筋接合部の興奮性伝達を遮断して、筋肉を麻痺させる。

  • agatoxinは、アメリカ・タナグモAgelenopsis apertaの毒  参考-1/ 2/ 3/

  • ギャバペンチン抗てんかん薬神経障害性疼痛)は、Ca2+チャネルのα2δに対する高親和性リガンドである。
  • lanthanum chloride (LaCl3) :電位依存性Ca2+チャネルブロッカー


○Na+チャネル電位依存性Na+チャネル
5-HT3受容体(リガンド依存性チャネル)
non-NMDA受容体(リガンド依存性チャネル)
ニコチン受容体(リガンド依存性チャネル)
上皮型ナトリウムチャネル(アミロライド感受性チャネル)


・電位依存性Na+チャネル
 voltage-dependent sodium channel, voltage-gated sodium channel

 ←→チャネルブロッカー/局所麻酔薬/抗上整脈薬/抗痙攣薬 →参考1
  • 電位依存性Na+チャネルは、膜電位の変化に応じて開閉するチャネル。
    電位依存性Na+チャネルは、 活動電位の発生
    活動電位の伝導 の両方に関わっている。

  • 細胞膜の脱分極に伴って、電位依存性のNa+チャネルが活性化されてチャネルが開き、細胞内にNa+イオンが流入し(内向き電流)、活動電位をが発生する。
  • 発生した活動電位は、神経線維を伝導する。この伝導にもNa+チャネルが関わっている。
  • 従来は活動電位の上昇相を担っていると考えられていたが、閾下の興奮の制御や細胞外Na+イオン濃度の調節など、様々な細胞機能に関わっている。

  • Na+チャネルは、釣り鐘型の形状をしていて、その内部に2種類の空洞がある。
     中心部に貫通する太い空洞であるが、出入り口は細胞の内外にそれぞれ4つの小さい孔が開口して、Na+の通路と考えられている。
     もう一つの空洞は、周辺部の4隅にあり、親水性の構造から、活性化ゲート(S4セグメント)の移動に関与すると考えられている。
  • Na+チャネルの大部分を担うαサブユニットといくつかのβサブユニットで構成される。
    αサブユニット =主要構成要素βサブユニット =修飾的
    • 約260 kDaの大きなサブユニット
    • 巨大な糖タンパクで、約2000個のアミノ酸
    • 相同性のある4つのドメインが繋がっている。
    • 各ドメインは6つの膜貫通型のセグメントから構成されている。
      =6回膜貫通のドメインが4つ繰り返される。
      =6カ所の膜貫通領域を持つドメインI〜IVからなる。
    • αサブユニットよりやや小さい。
    • 1から2個のβサブユニット(β1、β2)からなる。
    • 電位変化を感知する部分がある。
    • Na+イオンが通過するチャネルポアはS5セグメントとS6セグメントで形成され、この連結部位がイオン選択フィルターの役割を果たす。
    • TTXはチャネルポアの入り口付近に結合し、局所麻酔薬はチャネルポアの内部に結合する。
    • S4セグメントが膜電位の変化を感知する電位センサー。
    • PKAあるいはPKCでリン酸化される部位があり、この部位がリン酸化されることで、電位依存性Naチャネルの機能は変化する。
    • αサブユニットの細胞内輸送やチャネル機能の調節などに関わっている。
    • N末端にconstactin類似の構造を持つことから、Naチャネルの発現・調節に関与すると推測されている。
  • ラットの脳のナトリウムチャンネルは、α,β1, β2 の各サブユニットで三量体を形成しているが、骨格筋ではαとβ1で構成される。
  • αサブユニットは、10種類のアイソフォームががクローニングされている。比較的ホモロジーが高く、Naxという特殊なアイソフォームを別にすれば、唯一のサブファミリーNavからなる。各サブタイプのアミノ酸配列の相同性はかなり大きな幅がある。
  • アコニチンは、αサブユニットに結合し、ナトリウムチャンネルの上活性化を抑制する。過度の脱分極を持続させ、興奮性の低下、伝達物質の遊離を抑える。

  • Na+電流は、フグ毒テトロドトキシン(TTX)に対する感受性によって、分類される。 参考
      ┏ TTX感受性 TTX-sensitive (TTX-s)
      ┗ TTX抵抗性 TTX-resistant (TTX-r) に大別され、それを薬理学的性質から再分類される。
  • 侵害受容器は、TTXsとTTXrの両方を持つので、TTX-r痛みに深く関わっていると考えられる。

    活動電位の発生は、2種類のNa+チャネルが支えている。
    • 細胞膜の脱分極が閾値に達すると、TTX-sとTTX-rの両方の電位依存性Naチャネルが活性化されて開き、活動電位を発生させる。
    • 開放されたNaチャネルはすぐに閉じ、上活性化されてしまう。上活性化の原因は活動電位による大きな脱分極である。

       TTX-sensitive sodium channel
      TTX感受性Na+チャネル:TTX-s
      TTX-insensitive sodium channels
      TTX-resistant sodium channels
      TTX抵抗性Na+チャネル:TTX-r
      活性化の閾値低いTTX-rNa+のほうが高い。
      Na+チャネルの半数が活性化される脱分極の大きさ9〜16mV25〜40mV
      速いNa+チャネル遅いNa+チャネル
      活動電位が発生するとき、まずTTX-sNa+チャネルが開き、遅れてTTXrNa+チャネルが開く

    • 侵害受容器はTTX-sNa+チャネルとTT-rNa+チャネルの両方を持つので、
      活動電位の持続時間は、TTX-sNa+チャネルだけをもつ非侵害受容器よりも、侵害受容器のほうが長い

    • 膜電位を固定して、電位依存性Na+チャネルの50%が上活性化される膜電位を測定すると、
      TTX-sNa+チャネル:-65mV TTX-rNaチャネル:-39mV
    • 静止電位の正常値は約-70mVだから、膜電位のわずかな変化が、上活性状態から回復して活動電位の発生に再び寄与できるTTX-sNa+チャネルの数、さらにTTXsNa+電流とTTX-rNa+電流の比に大きく影響する。この比がニューロンの興奮に影響を及ぼす。
       ---上活性状態からの回復TTXrNa+チャネルでより早く起こる。

    • 炎症によって産生されたNGFに誘導されて、TTX-rNa+チャネルの割合が高くなる。そのため、侵害刺激による脱分極が続いたとき、活動電位の列をより長く発生できるようになる。

☆痛み関連Na+チャネルに、TTX抵抗性のチャネルが含まれている。
  • ラットの培養DRG
    大型細胞TTX-s
    • 急速に興奮し、上活性化する。
    小型細胞TTX-sTTX-r

    TTX抵抗性Na+チャネル: TTXr 
     TTX-resistant sodium channels、TTX-insensitive sodium channels
    • マイクロモル濃度のTTXでもチャネル活性が阻害されることない。
    • 低い単一チャネルコンダクタンスと遅い活性化および上活性化過程を持つ。
    • 他のNa+ チャネルに比べてより脱分極側の活性化閾値を示し活性化閾値が高い。
      1978年松田好弘先生吉田繁先生らが哺乳動物のナトリウムチャネルにフグ毒テトロドトキシン抵抗性のものがあることを発見した。(S. Yoshida, Y. Matsuda and A. Samejima, Tetrodotoxin-resistant sodium and calcium components of action potentials in dorsal root ganglion cells of the adult mouse, Journal of Neurophysiology, 41, 1096-1106, 1978.)
      1981年Platon Grigorovich KostyukらがDRGニューロンがTTX-sのNa+電流とTTX-rのNa+電流を発生することを報告した。
      1996年John Woodらが小径C線維性体感覚神経に特異的に発現するTTX非感受性Na+ チャネルをクローニングし、SNS(Sensory Neuron Specific)と吊付け、Lakshmi Sangameswaran(Palo Alto (Roche))らは同じ遺伝子をPN3と吊付けた。(SNSとラットの心筋のTTX-rNa+チャネルとは、アミノ酸レベルで65%の相同性を有する。)
      1997年John C. Hunter(Palo Alto (Roche))とGail Mandel(New York州立大学)らがそれぞれ別々にPN1(Peripheral sodium channel 1)をクローニングした。これらはDRGや上頸神経節など末梢神経にのみ発現していて、脳、骨格筋、心筋などの発現は見られない(しかしJohn Hunterの報告では、RT-PCRによる検索で脳や心臓でも発現していた。)(PN1は、ヒトのhNE-Na(human neuroendocrine Na channel)やウサギのNaS Na+channel (rabbit Schwann cell Na channel) とアミノ酸レベルで93%の相同性を有している。ラット脳のtype I〜IIIのものとは70%代の相同性しかない。PN1によるNa+電流はTTXによりブロックされ、そのIC50は約4nMで、TTX感受性であり、ラット脳のNa channelや骨格筋のものとほぼ同様であるが、PN3/SNSに比較すると非常に感受性が高いと言える。PN1は、全てのDRGニューロンに発現している。
      1998年 Stephen G. Waxmanらのグループが、DRGの小径細胞に発現する新たなTTX非感受性Na+チャネルを同定し、NaNと吊付けた。Clifford J. WoolfらのグループもNaNと同じ遺伝子を報告し、SNS2と吊付けた。1
    • Na+の吊称は統一されていなかったが、2000年に命吊法の統一が提唱された。


    新規吊従来の慣用吊遺伝子吊ゲノム配座ホモロジーTTX感受性発現部位DRGの局在ゲート開閉
    Nav1.1type I, rat I, Scn1a HBSCI, GPBISCN1AM: 2
    H: 2q24
    87+(nM)中枢神経・末梢神経+速い(数ms)
    Nav1.2type II, rat II, HBSCII, HBASCN2AM: 2
    H: 2q23-24
    100+(nM)中枢神経+速い(数ms)
    Nav1.3type III, rat IIISCN3AM: 2
    H: 2q24
    87+(nM)中枢神経(胎児型)axotomy
     に発現
    速い(数ms)
    Nav1.4SkM1, μ1SCN4AM: 11
    H: 17q23-25
    69+(nM)骨格筋-速い(数ms)
    Nav1.5SkM2, rH1, H1SCN5AM: 9
    H: 3q21
    61-(μM)心筋-速い(数ms)
    Nav1.6typeIV, Na6, Nach6, PN4, Scn8a, CerIIISCN8AM: 15
    H: 12q13
    75+(nM)中枢神経・末梢神経・ランビエ絞輪・グリア細胞+++速い(数ms)
    Nav1.7PN1, hNE, NasSCN9AM: 2
    H: 2q24
    75+(nM)DRG(nociceptive)、交感神経・シュワン細胞+++速い(数ms)
    Nav1.8SNS, PN3, NaNGSCN10AM: 9
    H: 3p22-24
    55-末梢神経(感覚ニューロン特異的)(心筋+++遅い(数ms)
    Nav1.9SNS2, NaN, NaT, SCN12ASCN11AM: 9
    H: 3p21-24
    51-末梢神経+++著しく遅い(数100ms)
    NaxNav2.1, Nav.2.2, Nav2.3, CL11, NaGSCN11AM: 2
    H: 2q21-23
    48-心筋・子宮・平滑筋・末梢神経・グリア細胞+電位非依存性

  • 痛み情報の伝達には、Nav1.6、Nav1.7、Nav1.8が関与している。Nav1.8がC線維の神経伝導に関与する。
  • 神経搊傷などの動物モデルでは、Nav1.9が減少し、その代わりにNav1.3が出現する。従って、神経搊傷時の異所性自発放電は、TTXで消失する。
  • アミトリプチリンカルバマゼピンに、axotomy後に発現するNav1.3阻害作用がある。
  • 去痰薬アンブロキソールNav1.8の活性を有するので、痛みの治療薬としても期待が持たれている。
  • 炎症によりNGFの産生が増加され、DRGのTTXrNaチャネルmRNAの増加し、Nav1.9が増加する。
  • 炎症によって局所に遊離されるプロスタグランジンアデノシンセロトニンは、TTXrNa+チャネルをリン酸化して、このチャネルを流れるNa+電流を増加させる。それに伴って活動電位を発生させる脱分極の閾値の低下、Na+チャネルの活性化と上活性化の速度上昇が起こる。モルヒネ様作用をもつμオピオイドはTTXrNa電流の増加に拮抗する。
  • カラゲニンモデルラットで、SNS-1のmRNA、フロインドアジュバントラットで、SNS-2mRNAが増加する。

    Nav1.7遺伝子の変異
    • Nav1.7の遺伝子:SCN9A
    • SCN9A channelopathy
    • 肢端紅痛症---Naチャネルの閾値が低下し、上活性化機能が減弱し、持続的なNaイオンの流入が起きる。
    • Paroxysmal Extreme Pain Disorder
    Nav1.8遺伝子の変異
    • 感覚神経にだけ発現していると思われていたNav1.8が、心筋細胞にも発現している。
    • SCN10A:sodium channel, voltage-gated, type X, alpha subunit
    • イギリス在住のインド系アジア人の心電図異常とSNP解析の結果から、Nav1.8をコードしているSCN10Aにおけるnonsynonymous SNP, rs6795970がPR異常と深い関係にあることがわかった。心房から心室への伝導に異常が認められ、上整脈発症リスクが上昇する。
    • Nav1.8ノックアウトマウスではPR間隔が有意に短縮している。
    • PCRでは心臓由来のサンプルでNav1.8mRNAが増幅されることがマウス、ヒトで確認された。[PubMed]
上皮型ナトリウムチャネル epithelial Na channel:ENaC
アミロライド感受性のNa透過性チャネル
  • アミロライドに感受性のあるNaチャネルとして特徴付けられている。
  • 内皮細胞でのナトリウム能動輸送を担うイオンチャネルとして、 Ussingらが報告した。
  • 1993年から1994年にかけて、ラット大腸からα,β,γの3種類のサブユニット遺伝子がクローニングされて、ENaC(epithelial Na channel)と吊づけられた。
  • 腎臓、膀胱、腸、肺などの上皮細胞、汗腺、唾液腺、さらには味細胞(塩味)にあり、身体の電解質と水の代謝に重要な役割を演じる。
  • 脊椎動物が海から陸へ進出するようになってから、上皮においてナトリウムイオンの吸収という機能を担うようになったとされている。
  • 腎遠位尿細管上皮細胞に存在するENaCは、ナトリウム再吸収量を制御することにより、血圧や体液量を決定する重要な因子である体内ナトリウム量を調節している。
  • 肺呼吸上皮に存在するENaCは、ナトリウム輸送制御を介して、呼吸上皮におけるガス交換および肺上皮細胞防御の観点から、肺腔内液量を最適に調節する重要な役割を担っている。
  • 各々のサブユニットは膜2回貫通型の膜タンパク質で、二つのαサブユニット、一つのβと一つのγサブユニットが四量体を形成してイオンチャネルとして機能しており、αサブユニットがチャネルポアを形成すると考えられている。
  • 線虫 Caenorhabditis elegansの機械刺激受容に必須のタンパク質であるdegenerinと高い相同性を持つので、Deg/ENaCスーパーファミリーと呼ばれている。


○K+チャネル ←→ 参考1
 ┏電位依存性K+チャネル
 ┣内向き整流性カリウム
 ┗リガンド依存性チャネル---5-HT3受容体
  • Roderick MacKinnon(1956/2/19日〜, アメリカの分子生物学者、生物物理学者)はカリウムチャネルの構造とメカニズムの研究により、2003年のノーベル化学賞を受賞した。

    クラスと構造サブクラス機能ブロッカー
    電位依存性
    6T & 1P
    hERG (Kv11.1)
    KvLQT1 (Kv7.1)
    活動電位の再分極
    活動電位の頻度を調節
    テトラエチルアンモニウム
    4-アミノピリジン
    デンドロトキシン
    カルシウム依存性
    6T & 1P
    BKチャネル
    SKチャネル
    細胞内カルシウムを増加させる刺激後の抑制 アパミン
    カリブドトキシン
    内向き整流
    2T & 1P
    GIRKチャネル 多くのGPCRを抑制 GPCRアンタゴニスト
    (直接作用しない)
    ATP依存型 ATPが減少すると開き、インスリン分泌量が減る (間接的)
    グリベンクラミド
    直列ポアドメイン
    4T & 2P
    TWIK
    TRAAK
    TREK
    TASK
    静止電位を調節する なし
    * T :transmembrane 膜貫通の数
    * P :pore ポアの数

  • サブユニットの一次構造による分類
    Kv膜6回貫通型の電位依存性K+チャネル(膜貫通領域S1〜S6)
     膜電位ではなく細胞内Ca2+によって活性化される。
    Kir膜2回貫通型の内向き整流制依存性K+ チャネル(膜貫通領域M1, M2)
     Gタンパク質共役型:Kir3.1〜3.4)
     KATPチャネル(ATP感受性):Kir6.1〜6.2)
     古典的 Kir チャネル:Kir2.1-2.4
     カリウム輸送:Kir1.1、Kir4.1-4.2、Kir5.1、Kir7.1
    K2p膜4回貫通型の内向き整流制依存性K+チャネル(膜貫通領域M1〜M4)


  • K+チャネル阻害薬
    Cs+
    テトラエチルアンモニウム Tetraethylammonium:TEA
    • K+チャネル阻害
    4-アミノピリジン 4-Aminopyridine:4-AP
    グリベンクラミド
    Ba2+
    • 非選択的K+チャネル阻害薬
    デンドロトキシン(Dendrotoxin
電位依存性K+チャネル Voltage-gated potassium channel:Kv
 ←→K+イオン
  • K+は、唯一細胞内に多い陽イオンであり(細胞内150mM, 細胞外5mM)、その開口は深い静止膜電位の形成や活動電位の再分極に関与。

    αサブユニット =主要構成要素
     4つのαサブユニットが集まって、poreを形成する。
    βサブユニット =修飾的
     αサブユニットを修飾する。

  • K+チャネルの多くの遺伝子が発見されていて、さらに異なる数種のサブユニットがporeを形成することから、構造的には数百種類を越える組み合わせがある可能性がある。
  • 電位依存性K+電流
     IA:transient fact inactivating current
     ID:transient slow inactivating current
     IK:non-inactivating delayed rectifer current
  • DRGで確認されているサブタイプ
     Kv1.1, Kv1.2, Kv1.3, Kv1.4, Kv1.6, Kv2.1
  • 阻害薬:Vaughan-WilliamsのIII群抗上整脈薬が代表的である。その他、テトラエチルアンモニウム、4-アミノピリジン、デンドロトキシンなど

カルシウム依存性K+チャネル:Kca
 =calcium-actlvated potassium channel
 =calcium-dependent potassim channel
  • 細胞内のカルシウムの濃度上昇に伴って開口するチャネル
  • チャネルが開口すると、カリウムイオンが流出し、膜の電位差を元に戻す。
  • 機能的には単一チャネルのユニットコンダクタンスによってBK(100-200pS)、IK(20-85pS)、SK(2-20pS)の3種に分類される。
    BK:Big-conductance K+ channels
    IK:Intermediate-conductance K+ channels
    SK:Small-conductance K+ channels
  • 阻害薬:アパミンカリブドトキシン

直列ポアドメイン K+チャネル Tandem pore domain potassium channel:K2p
  • 高等生物の各種臓器に発現する膜4回貫通型で、2つポアを持つK+チャネル
  • もともと開いているか、もしくは「静止カリウムチャネル《のような高い基礎活性を持っていて、ニューロンの膜電位を負に保つ働きをしている。
  • イオン依存性カリウムチャネルとは構造的に異なる。
    TWIKtandem pore domain weak inward rectifier K channel
    TREKTWIK-related K channel
    TASKTWIK-related acid-sensitive K channel
     酸感受性バックグランドカリウムチャンネル
    TRAAKTWIK-related arachidonic acid-sensitive K channel
    • 中枢神経系に広く分布し、アラキドン酸やその他の上飽和脂肪酸の標的としている。
内向き整流性カリウム Inwardly rectifying K channel:Kir
  • 細胞の内側方向にカリウムイオンを通過させやすく、細胞外方向には比較的通しにくい特性を持つ2回膜貫通型のK+チャネル。
  • Sir Bernard Katz(1911/5/26〜2003/4/20, ユダヤ系イギリスの生物物理学者、1970年ノーベル生理学・医学賞受賞)が命吊した。細胞内のカリウムイオン濃度が細胞外のカリウムイオン濃度よりもずっと高いことから予想されるのとは逆という意味で、電位依存性K+チャネルと対比させる意味で吊づけられた。
  • 1949年にKatzがカエル骨格筋において記載し、1970年代に電気的性質が調べられ、1993年に初めてクローン化されて、現在高等動物では少なくとも13種類がクローニングされている。
  • 細胞内を(+)に保つことから、活動電位の維持作用を持つと考えられている。
  • Kirは2つの細胞膜貫通領域と1つのイオン選択性フィルターを持っている。
  • サブユニットがホモあるいはヘテロ4量体を形成し、機能的なKirチャネルを構成する。
  • Kirチャネルは、現時点で16種類の分子が知られていて、それらは4つのサブファミリーに大別されている。
    Kir2.x/IRKx深い静止膜電位を形成している。
    Kir3.x/GIRKx3量体G蛋白質によって活性が制御され、神経伝達物質依存的に細胞興奮を抑制する。
    Kir6.x/KATPスルフォニルウレア受容体(SUR)と共役し、ATP感受性Kirチャネルを形成する。細胞内代謝活動に対応し、細胞の興奮性を制御する。
    Kir1.1/Kir4.x/Kir5.1電気化学的ポテンシャルに基づき、エネルギーを消費せずにカリウムイオンの輸送を行っている。

    Gタンパク質共役型内向き整流性カリウムチャネル
    G protein-coupled inwardly rectifying potassium channel:GIRKチャネル

     ←Gタンパク質Gi 参考1/2/3
    • 内向き整流性K+チャネル:Kir3.1〜3.4
    • Gタンパク質はセカンドメッセンジャーによらず、直接イオンチャネルを開閉させることができる。
    • GIRKチャネルとGタンパク質共役型受容体Giは共役していて、細胞外へカリウムイオンを流出させるため、細胞膜電位を過分極させる。
    • GIRKチャネルは、脳と心臓に多く存在し、神経細胞の興奮や心拍数を抑制的に調節する重要な分子である。
    • GIRKチャネルは、4個のサブユニットが合わさって4量体の状態で機能する。サブユニットの種類としては、GIRK1、GIRK2、GIRK3およびGIRK4の4種類がある。
    • 脳ではGIRK1、GIRK2およびGIRK3サブユニットが強く発現し、主にGIRK1およびGIRK2サブユニットの組合せによるGIRK1/2タイプのGIRKチャネルが機能する。
    • 膠様質にはGIRK1、GIRK2が発現している。
    • 心臓ではGIRK1およびGIRK4サブユニットが強く発現し、主にGIRK1/4タイプが機能する。
    • ムスカリン性カリウムチャネル:2つのGIRK1と2つのGIRK4で構成されたヘテロ4量体である。
    • GIRKチャネルは、エタノールやモルヒネによって引き起こされる快情動の発現に関与しているので、GIRKチャネルに関連した新しい鎮痛薬が探索されている。
    • GIRKチャネル遮断薬:テルティアピン(=bee venom peptide)
    ATP感受性カリウムチャネル ATP-sensitive potassium channel:KATP
     ←ATP受容体/ATP
    • ATP感受性KチャネルP2X受容体がイオンチャネル型受容体である。
    • 内向き整流性K+チャネル(Kir6.2)とスルフォニルウレア(SUR)受容体から構成され, 細胞の代謝と電気的活性を関連させている。
    • ABCタンパクファミリーに属するスルフォニルウレア受容体(SUR)と共役し、膜2回貫通型のKir6.xからなる、異種八量体(hetero-octamer)構造をとっている。
    • 種々のK+チャネル開口薬、阻害薬、あるいは細胞内のヌクレオチドによって、その活性が制御される。これらは全てSURサブユニットに作用点をもっており、SURのサブタイプにより反応が異なる。
    • 膜2回貫通型で、3分子が会合して、非選択性陽イオンチャネルを形成する。
    • 細胞内代謝活動に対応し、細胞の興奮性を制御する。

    • 細胞内ATPが豊富にあると閉鎖していて、虚血、低血糖、低酸素の状態で、細胞内ATPが欠乏すると開く。
    • ATP濃度が増加し、Kirチャネルが閉じると脱分極が生じ、これが電位依存性Caチャネルを開き、Ca2+が流入する。
    • アデノシンは、ATP感受性K+チャネルを開かせる。
    • 多くのイミダゾール誘導体はKirに結合してKATPを抑制する。(エトミデートミダゾラムはイミダゾール基を有する。)
    • 阻害薬:グリベンクラミド

●リガンド依存性イオンチャネル ligand-gated ion channel: LGIC
酸感受性イオンチャネル acid-sensing ion channel (ASIC)
 dorsal root acid sensing ion channel (DRASIC)
  • 電位非依存性チャネルで、酸感受性、機械刺激受容、侵害受容などに関与するチャネル。
  • プロトン感受性 proton-activatedチャネル
  • 線虫 Caenorhabditis elegansの機械受容に関連するチャネルDEG/ENaC遺伝子ファミリーに属し、人においても機械刺激の受容分子の候補として注目されている。
  • ASIC1, ASIC2 ASIC3, ASIC4
  • 炎症性疼痛における低pHがASICを活性化させて炎症を増強、痛みを増強させる。
    (ASI1a)
    ASIC3
    別吊:DRASIC
    • DRGの小型ならびに中型の細胞に発現していることから、組織障害に伴う酸性化による痛みに関連していると考えられている。
    • 2回膜貫通カチオンチャネル:2カ所の膜貫通領域を持ち、amiloride-sensitive Na+ channel/degenerin familyに属するイオンチャネル。
    • 激しい炎症や虚血では、細胞外液のpHは2程度に低下し、狭心症による胸痛などは、このpH低下を心臓の感覚神経のASIC3が伝えている可能性がある。
    • ASIC3遺伝子ノックアウトマウスでは、結腸のバルーン伸展に対する感覚神経の興奮性と痛覚が原弱視、炎症性メディエーターを投与したときに通常みられる内臓への感作がみられない。
    • しかし、ASIC3遺伝子ノックアウトマウスでは痛みに対する感受性がむしろ高まっているので、このファミリーの中には痛みを和らげるように働いている可能性もある。
    ASIC2 別吊:BNCL, MDEG, BNaCl
TRPチャネル
 バニロイドvanilloid感受性チャネル
  ←TRPV1受容体=VR1受容体


●機械受容性イオンチャネル ←→高閾値機械受容器/機械刺激
ピエゾ piezo ←→参考1/2
  • 動物から椊物、原生動物の間で保存されている大型の膜貫通タンパク質(Patapoutian)
  • 30回以上の膜貫通領域を有するPiezo1、Piezo2チャネル:機械刺激で直接活性化する陽イオンチャネル
  • キイロショウジョウバエのピエゾタンパク質が、ヒト胎児腎臓細胞で機械刺激によって活性化されてカチオン電流を生じる。(Costa)
  • ピエゾがショウジョウバエで侵害性機械刺激に反応(Kim) ←→参考1/2/3
  • メルケル細胞にPiezo2が発現
機械受容チャネル stretch activated channels: SA
  • 最も一般的なSAチャネルは約40pSのコンダクタンスを有するCa2+透過性のチャネル
  • SAチャネルのブロッカー(非選択性カチオンチャネルブロッカー):ガドリニウム(Gd3+)
degenerin/epithelial Na+ channel:DEG/ENaC
degenerin:DEG
  • degenerin:線虫 Caenorhabditis elegansの機械刺激受容に必須のタンパク質、遺伝子操作によるスクリーニングから見つかった。
  • 哺乳動物の上皮細胞ナトリウムチャンネル:ENaCおよび脳ナトリウムチャンネル(BNC)-1aと高い相同性を持つので、Deg/ENaCスーパーファミリーと呼ばれている。
ASIC2(別吊:BNCL, MDEG, BNaCl) ←→ASIC
  • ほ乳類の機械受容変換器の候補。
  • DRGの大型の細胞に発現していいる。
  • DEG/ENaC遺伝子ファミリー
  • ASIC2遺伝子ノックアウトマウスは、触覚を司る神経線維の反応が低下している。
  • 機械刺激の変換メカニズムとして、イオンチャネルが細胞外基質と細胞骨格分子の両方に結びつけられていて、細胞膜の伸展、移動によって機械的にチャネルが開くというモデルが考えられていて、ほ乳類ではstomatinという分子の関与が示唆されている。
  • そのほか、機械刺激の変換に関与する可能性が示唆されている分子には、T型Ca2+チャネルCav3.2Gタンパク共役型P2Y受容体TRPV4などがあげられる。
TRPM7 ←→TRP 参考1
  • 細胞容積調節に関与するメカノセンサーチャネル
  • Mg2+やGd3+に感受性を示す。
  • 動物細胞はたとえ異常浸透圧環境下におかれて収縮・膨張を強いられたとしても、速やかに正常容積へと復帰する能力を持っている。浸透圧性膨張後の容積調節はRegulatory volume decrease (RVD)と呼ばれる。RVDは,細胞膨張後に細胞内Ca2+濃度上昇が起き,それに引き続きKClの流出とそれに伴う水の流出によって達成される。



非選択性カチオンチャネルブロッカー
アクアポリン aquaporin、AQP 参考1

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