AMPA-reseptori

AMPA-reseptorit (AMPAR) ovat tetrameerisiä ionikanaviin kuuluvia eli ionotrooppisia glutamaattireseptoreita (iGluR), jotka läpäisevät yhdenarvoisia kationeja kuten K⁺ ja Na⁺, ja jotkin myös Ca²⁺-kationeja. AMPAR:ien luonnollinen aktivoiva eli agonistinen välittäjäaine on L-glutamaatti. iGluR-ryhmään kuuluvat NMDAR:ät, kainaattireseptorit, ja delta-reseptorit.
Ampakiinit ovat AMPAR:ien toimintaa tehostavia positiivisia allosteerisia säätelijöitä.
1970-luvun lopulla löydettyjä AMPAR:iä kutsuttiin aluksi kviskualaattireseptoreiksi, sillä ne havaittiin omaksi iGluR-ryhmäkseen kviskuaalihapon (eng. quisqualic acid) avulla. Happo on valikoiva AMPAR-agonisti, ja sen hermostovaikutukset havaittiin ensi kerran 1974. 1980-luvulla reseptorit nimettiin jälleen happoakin valikoivamman AMPA:n mukaan, jonka aktiivinen enantiomeeri on (S)-AMPA. Aine kehitettiin rasemaattina ensi kerran 1981 iboteenihaposta. AMPA:n lyhenne tulee sen englanninkielisestä nimestä: α-Amino-3-hydroxy-5-Methyl-4-isoxazolePropionic Acid – suomeksi tämä on α-amino-3-hydroksi-5-metyyli-isoksatsoli-4-propionihappo.

Alayksikköyhdistelmät

GluA2 on aikuisilla ihmisillä yleisin yksikkö. Valtaosa AMPAR:istä on heteromeerisiä eli niissä on keskenään erilaisia alayksikkötyyppejä. Hermoston yleisin heteromeeri on GluA1/2-AMPAR, jossa on 2 kpl GluA1-yksikköjä ja 2 kpl GluA2-yksikköjä. Eri yksikköyhdistelmien ilmeneminen vaihtelee riippuen solutyypistä ja eliön elämänvaiheesta.

mRNA

Ihmisillä kaikkien AMPAR-alayksikköjen mRNA:n vaihtoehtoinen silmukointi voi tuottaa kustakin flip- tai flop-muodon. Näissä on eriävä 38. aminohapon pätkä TMD:n M4-osan jälkeen solun ulkopuolella. Suurin toiminnallinen ero on se, että flip-yksiköt reagoivat glutamaattiin hitaammin ja heikommin kuin flopit.
Vaihtoehtoinen silmukointi CTD:n sekvenssialueelta mRNA:ssa voi ihmisillä tuottaa GluA2- ja GluA4-yksiköistä pitkän (eng. long) tai lyhyen (eng. short) muodon. Lyhyitä muotoja kutsutaan vastaavasti nimin GluA2C ja GluA4C.
GluA2:ien mRNA:t voivat ihmisillä läpikäydä tumassa ADAR2-entsyymin toimesta Q/R-muutoksen, joka ilmenee TMD:n M2-osassa. Adenosiini muuntuu entsyymillä oksidatiivisella deaminaatiolla inosiiniksi, joka lukeutuu translaatiossa väärin guanosiinina. Muutos riippuu vain GluA2-mRNA:issa olevasta 10 komplementaarisesta nukleotidisekvenssistä, jonka geneettinen puutos on kuolettavaa. Muutoksessa koodattu glutamiini (Q) muuntuu arginiiniksi (R). Q/R-muutos on mm. aikuisten ihmisten aivosoluissa hyvin yleinen.
Ihmisillä on flip/flop-pätkän lähellä R/G-kohta. ADAR2 voi muuntaa mRNA:ta siten että muodostuvan proteiiniyksikön 764. argiiniini (R) onkin glysiini (G). Muutos voi tapahtua kaikille paitsi GluA1-yksiköille. Mekanismi on sama kuin Q/R-muutoksessa. G-alayksikköiset AMPAR:ät turtuvat ärsykkeille herkemmin, mutta myös palaavat nopeammin ärsykeherkiksi.

Post-translaatio

Translaation jälkeen alayksikköproteiinit voivat läpikäydä väliaikaisempia rakennemuutoksia. Yksikköjen C-terminaalialueiden tietyt seriini-, treoniini- ja tyrosiinitähteet voivat fosforyloitua. GluA1:n S831 voi fosforyloitua proteiinikinaasi C- ja CaMKII-välitteisesti. S845 voi fosforyloitua proteiinikinaasi A:n toimesta. Fosforylaation vaikutukset vaihtelevat. Esimerkiksi NMDAR:ät pystyvät tehostamaan tai heikentämään AMPAR:ien toimintaa pitkäaikaisesti. Viime kädessä ionivirran lisäys tapahtuu mm. GluA1:n S831 fosforylaation kautta, ja heikennys reseptorin solun sisään ottoon johtavan GluA1:n S845 defosfosrylaation kautta.
Kaikkien ihmisten alayksiköiden M2- ja M4-osien solunsisäisillä alueilla on konservoituneet kysteiinitähteet, joihin voi liittyä palmitaatti. M2:n palmitylaation saa aikaan GODZ-entsyymi (eng. Golgi-associated palmitoyl transferase). Kaikissa alayksiköissä on 4–6 solun ulkoista aluetta, joissa olevat aminohapot voivat N-glykosyloitua. Alueet ovat solun ulkopuolella LBD:n S1-alueella ja ATD:ssä.

Aktivointi ja säätely

AMPAR:ien luonnollinen agonisti on L-glutamaatti, jonka sitoutumisherkkyys näihin on pienempi kuin esimerkiksi NMDAR:iin. AMPAR:ät aktivoivat ja turtuvat nopeasti agonistien ärsykkeille suhteessa muihin iGluR:iin. Aktivoituessaan AMPAR päästää lävitseen Na⁺- ja K⁺-ioneita aiheuttaen depolarisaation. Usein nämä ionit virtaavat vastaavasti sisään ja ulos solusta. Synapsien depolarisaatio kasvaa huippuunsa muutamassa mikrosekunnissa, ja palaa perustilaan millisekunneissa. Kanavat läpäisevät muitakin yksiarvoisia kationeja. Esim. GluA1:n läpäisyherkkyys on K⁺ ≈ Rb⁺ > Cs⁺ > Na⁺ ≈ Li⁺.
GluA2-yksiköt määräävät pitkälti AMPAR:än ominaisuudet. Niitä sisältävät AMPAR:ät eivät mm. läpäise Ca²⁺-ioneita ja niiden kanavavirtaus on suoraan verrannollinen solukalvon jännitteeseen. Taas GluA2-yksikköjä sisältämätön AMPAR läpäisee Ca²⁺-ioneita – tällaisen kanavan ionivirtaus heikkenee ylitettäessä tietty kalvojännite, sillä tietyt sisäsyntyiset polyamiinit salpaavat kanavaa jänniteriippuvaisesti. pH-arvon kasvu vähentää AMPAR:ien ärsykeherkkyyttä – vaikutus on suurin flop-GluA1-yksiköiden kohdalla.
AMPAR:ien kanssa vuorovaikuttavat eri proteiinit, mutta eivät välttämättä suoraan aktivaatiossa. AMPAR:ien säätelyyn osallistuvat monet PDZ-motiivin sisältävät proteiinit kuten GRIP (glutamate receptor interacting protein) ja PICK1 (protein interacting with C-kinase-1). Muita proteiineja ovat mm. NSF (N-ethylamide-sensitive fusion protein), AP2 (adaptor protein 2), SAP97 (synapse-associated protein 97), NARP (neuronal activity-regulated pentraxin) ja TARP:it (transmembrane AMPA receptor regulatory proteins).

Sijainti ja roolit

AMPAR:ät ovat mm. nisäkkäiden aivoissa välttämättömiä ja pääasiallisia nopeiden solutoimintaa kiihdyttävien hermoviestien välittäjiä. AMPAR:iä löytyy kaikista tunnetuista hermosoluista ja hermotukisoluista, joista ensiksi mainituissa AMPAR:illä on monia postsynaptisia rooleja. Taas presynaptisesti AMPAR:ät mm. säätelevät GABA:n vapautumista korisolujen terminaaleista pikkuaivojen Purkinjen soluille. Hermotukisoluissa AMPAR:ät osallistuvat mm. astrosyyttien glutamaatin välityksen säätelyyn, solun sisäisten kalsiumpitoisuuserojen luomiseen, hermotukisolujen muotoutuvuuteen ja solun ulkoisten ionikoostumuksien säätelyyn.
GluA1:n poisto poistogeenisillä (knockout) hiirillä johtaa niiden työmuistin ja oppimiskyvyn heikkenemiseen, muttei vaikuta niiden elinikään. GLuA2:n poisto aiheuttaa homotsygooteilla hiirillä mm. vajaakasvuisuutta, fyysistä heikkoutta, koordinaatiokyvyn heikkoutta ja varhaisen kuoleman. GluA3:ien poiston vaikutukset ovat vähäiset. GluA2:ien Q/R-muutoskyvyn poistavat mutaatiot aiheuttavat hiirillä epilepsiaa ja kuoleman alle 3:ssa viikossa.