Muskariinireseptorit

Muskariinireseptorit eli mAChR:t ovat ryhmä G-proteiinikytkentäisiä reseptoreita, jotka ovat yleensä kiinni solukalvoissa tai joskus muissa kaksoislipidikalvoissa. mAChR:t ovat asetyylikoliinireseptoreita, sillä niiden luontainen agonisti on asetyylikoliini. Niillä on myös monia ulkosyntyisiä agonisteja ja antagonisteja. Eräs ulkosyntyisistä agonisteista on muskariini, jonka mukaan muskariinireseptorit on myös nimetty, sillä muskariinin tunnistettiin sitoutuvan asetyylikoliinireseptoreista lähinnä vain mAChR:iin asetyylikoliinireseptoritutkimuksen varhaisvaiheissa. Atropiini taas on eräs esimerkki mAChR:ien antagonistista eli antimuskariinista. mAChR:iin vaikuttavia aineita käytetään lääkkeinä ja delirianttityyppisinä päihteinä.
Ihmisillä ja muilla nisäkkäillä on 5 mAChR:ää, joiden nimet ovat M1-, M2-, M3-, M4- ja M5-reseptori. Muissa selkärankaisissa niitä voi olla enemmän tai vähemmän. Kunkin reseptorin toiminto riippuu reseptorityypistä ja sen sijainnista kudoksissa. Nisäkkäillä mAChR:iä on lähes kaikissa kudoksissa. Ihmisissä mAChR:t osallistuvat muun muassa sydämen syketiheyden säätelyyn, verisuonten laajentumiseen tai supistumiseen, kognitiivisiin toimintoihin aivoissa, sädelihasten supistumiseen ja syljen eritykseen.
Rakenne.
Muskariinireseptorit ovat tavallisia GPC-reseptoreita. N-terminaali on niissä siten solun ulkona ja C-terminaali on solun sisällä reseptorin ollessa solukalvossa. Niissä 7 solukalvon läpäisevää α-kierrettä, jotka on numeroitu N-terminaalista C-terminaaliin yhdestä seitsemään seuraavasti: TM1–7. N-terminaalista alkaen solun ulkopuolelle jäävän kolmen silmukan nimet ovat EL1–3 ja solun sisäpuolelle jäävän kolmen silmukan IL1–3.
C-terminaali ja IL3 (joka on TM5–6 välinen) vaikuttavat keskeisesti reseptorin sitoman G-proteiinin ja muiden reseptoriin suoralla kontaktilla vaikuttavien proteiinien, kuten G-proteiiniin kytkeytyvien reseptorikinaasien, kanssa. IL3:n pituus ja aminohapposekvenssi vaihtelee paljon eri muskariinireseptorityyppien välillä. Taas vaikkapa IL1–2 ovat usein sekvensseiltään samankaltaisia reseptorityyppien välillä. TM1–7 voivat vaikuttaa muiden GPC-reseptorien tai kalvoproteiinien kanssa. Asetyylikoliinin tai muun ortosteerisen ligandin sitova kohta on TM3–7 välisessä vettä hylkivässä syventymässä.
Nisäkkäiden muskariinireseptorit.
Ihmisillä ja muilla nisäkkäillä on 5 muskariinireseptoria, jotka ovat alla olevassa taulukossa. Muissa selkärankaisissa niitä voi olla enemmän tai vähemmän. Esimerkiksi kanat ja tiettävästi muutkin linnut omaavat muuten samat muskariinireseptorit kun nisäkkäät, mutta niiltä puuttuu M1-reseptori.
M1-, M3- ja M5-reseptorit aktivoivat Gq-proteiinivälitteisesti fosfolipaasi C beetan (PLCβ), joka lisää toisiolähetteihin lukeutuvan inositoli-1,4,5-trisfosfaatin (IP3) ja 1,2-diasyyliglyserolin (DAG) pitoisuutta solussa. Nämä taas aktivoivat proteiinikinaasi C:itä. Tämä prosessi johtaa lopulta lähinnä kalsiumin virtaukseen solun sisään ja sen sisäisen kalsiumpitoisuuden kasvuun. M2 ja M4-reseptorit estävät Gi-proteiinivälitteisesti adenylaattisyklaasien toimintaa estäen siten proteiinikinaasi A:ta aktivoivan cAMP:n tuottoa.
M1-reseptori.
M1-reseptoreita (M1R) on eliöissä eritoten aivoissa, eturauhasessa ja sylkirauhasissa. Aivoissa M1R:iä on ihmisillä ja monilla muilla nisäkkäillä eritoten hippokampuksen pyramidisoluissa, joissa M1R:illä on keskeinen rooli muun muassa muistin ylläpidossa. M1R:t osallistuvat myös muiden kognitiivisten toimintojen ylläpitoon. Ihmisissä M1R:ien toiminnan esto antagonistien avulla puolestaan aiheuttavat hallusinaatiot ja deliriumin, jotka ilmenevät delirianttityyppisten hallusinogeenien päihdekäytössä tai ylipäänsä tiettyjen antikolinergien yliannostuksessa.
Aivojen muskariini- ja nikotiinireseptorit toimivat osin yhdessä kognition eri toimintojen ylläpidossa. Näiden reseptorien vaikutukset hermosolujen viestintään ovat vastaavasti yleensä pitkäaikaisia (eng. "tonic") ja lyhytkestoisia (eng. "phasic"). Esimerkiksi erään mallin mukaan hippokampuksen pyramidisoluissa M1R:ien aktivaatio estää Kv7-tyypin jänniteohjattuja kaliumkanavia vapauttamasta kaliumia ulos solusta tuottamalla niiden vaatimasta inositoli-4,5-bisfosfaatista inositoli-1,4,5-trisfosfaattia (IP3). Tämä aiheuttaa solun depolarisaation. Sitten muodostuva IP3 aktivoi solulimakalvoston inositoli-1,4,5-trifosfaattireseptorin (IP3R), jonka kautta kalvostosta vapautuu kalsiumia solulimaan. Kalsiumpitoisuuden kasvu on palautuvaa, mutta verrattain pitkäaikaista. Soluliman kalsium aktivoi solukalvon SK-kanavat. Kanavat päästävät kaliumia solusta ulos aiheuttaen solun hyperpolarisaation, joka taas estää aktiopotentiaalin syntyä. Toistuva M1R-aktivaatio vähentäisi siten aktiopotentiaalin syntyä pyramidisoluissa pitkäaikaisen soluliman kalsiumpitoisuuden kasvun takia.
M2-reseptori.
M2-reseptoreita (M2R) on eliöissä eritoten sydämessä ja sappirakossa. Ihmissydämessä M2R:ien aktivaatio johtaa sydämen syketiheyden hidastumiseen suoraan ja epäsuoraan. Suorassa mekanismissa Gi-proteiinista irtoava βγ-alayksikkö sitoutuu GIRK-kanavaan, joka aukeaa ja lisää kaliumkationien virtausta soluun lävitseen. Tämä johtaa sydänsolun hyperpolarisaatioon, joka estää AV-solmuketta läpäisemästä sydämen supistumiseen johtavaa sähköimpulssia. Epäsuorassa mekanismissa M2R:t säätelevät cAMP-pitoisuuksien kautta β-adrenergisten reseptorien vastetta ligandeilleen. Nämä reseptorit taas vaikuttavat muun muassa syketiheyteen.
M2R:iä on verisuoniston endoteelisoluissa ainakin sepelvaltimoissa, joissa niiden aktivaatio laajentaa suonistoa. Endoteelissä reseptoriaktivaatio lisää solunsisäisen kalsiumpitoisuuden kasvun kautta tyypin III nitriittioksidisyntaasin toimintaa, joka tuottaa typpioksidia (NO). NO diffusoituu suoniston sileisiin lihassoluihin ja johtaa sen suonistoa laajentavaan rentoutumiseen.
M3-reseptori.
M3-reseptoreita (M3R) on eliöissä eritoten sylkirauhasissa. M3R:iä on myös verisuoniston sileissä lihassoluissa ja endoteelisoluissa. Jälkimmäisissä M3R:ien aktivaatio laajentaa suonistoa paikallisesti NO-välitteisesti M2-reseptorien tapaan. Sileiden lihassolujen M3R:ien aktivaatio taas supistaa lihasta ja siten suonistoa lisäämällä solun kalsiumpitoisuutta, mutta tämä tilanne on tämä vain jos endoteeli on vaurioitunut.
M3R:n aktivaatio supistaa silmän sädelihasta aiheuttaen pupillin supistumisen eli mioosin. M3R-antagonistit, kuten atropiini, halvaannuttavat sädelihaksen, aiheuttaen pupillin laajentumisen eli mydriaasin.
Ligandit.
Agonisteja ja PAM:iä.
Muutamia ihmisten muskarinireseptorien agonisteja ovat (suluissa ovat reseptorit, joille aineen EC50 on pienin eli aineen helpoiten aktivoimat reseptorit) karbakoliini (M3, M5), ksanomeliini (M1, M3), sabkomeliini (M4–5) ja milameliini (M3). Edeltävät aineet sitoutuvat kaikkiin muskariinireseptoreihin jossain määrin eli ne ovat epäselektiivisiä muskariinireseptorien suhteen. Luonnossa ilmeneviä agonisteja ovat (+)-muskariini (jota on punakärpässienissä), (+)-pilokarpiini (jota on jaborandien ("Pilocarpus") kasvisuvun eri lajeissa) ja arekoliini (jota on betelpalmussa). Nämäkin ovat varsin epäselektiivisiä. Epäselektiivisyys on tavallista muskariinireseptorien ortosteerisille agonisteille ja antagonisteille. Siksi on kehitetty selektiivisiä allosteerisiä säätelijöitä. Eräs hyvin selektiivinen M1-reseptorin positiivinen allosteerinen säätelijä eli PAM on 77-LH-28-1.
Agonistien vaikutuksia.
Epäselektiivisten muskariinireseptoriagonistien yliannostuksen mahdollisia oireita ovat uupumus, ärtymys, vatsakrampit ja muut lihaskrampit, kuolaaminen, syljen vaahtoaminen, näön sumeus, pupillien supistuminen (mioosi), riippuluomisuus, runsas yskösten tuotto eli kurkun limaisuus, yskä, hengityksen kiivaus (takypnea), keuhkoputkien supistuminen (bronkospasmi), sydämen harvalyöntisyys, matala verenpaine, oksentelu ja ripuli. Kyllin suuri yliannostus voi johtaa kuolemaan.
Agonistien käyttökohteita.
Alzheimerin tautiin ja skitsofreniaan liittyy muskariinireseptorien vähentymistä aivoissa – eritoten M1- ja M4-reseptorien. Siksi M1- ja M4-reseptorien agonisteja ja PAM:iä on tutkittu oireita lieventävänä hoitona näihin tauteihin. Tosin nykyään kolinergisistä aineista Alzheimerin tautiin käytetään vain koliiniesteraasin estäjiä, kuten galantamiinia ja donepetsiiliä. Koliiniesteraasi hajottaa asetyylikoliinia. Siksi nämä aineet lisäävät hermoston asetyylikoliinipitoisuuksia. M1- ja M3-reseptorien agonisteja, kuten pilokarpiinia, käytetään lisäämään syljen eritystä suun kuivuutta aiheuttavissa tilanteissa, kuten Sjögrenin oireyhtymässä. Pilokarpiinia ja joitain vastaavia aineita käytetään silmätippoina niiden M3-reseptoriagonismin takia avokulmaglaukooman hoitoon. Ne laskevat tässä taudissa kohonnutta silmänpainetta avaamalla tukkeutuneen Schlemmin kanavan siihen kiinnittyvää sädelihasta supistamalla.
Antagonisteja ja NAM:iä.
Muskariinireseptorien antagonisteja sanotaan myös antimuskariineiksi. Joskus niitä kutsutaan epätäsmällisemmin nimellä antikolinergi, joka voi viitata myös nikotiinireseptorien antagonisteihin. Muutamia ihmisten reseptorien antimuskariineja ovat (suluissa ovat reseptorit, joihin aine sitoutuu helpoiten eli sen affiniteetti reseptorille on suurin) 4-DAMP (M1, M3–5), atropiini (M1–5), darifenasiini (M3), himbasiini (M2, M4), mambatoksiini 3 (M4), metokramiini (M2, M4), muskariinitoksiini 7 (M1), oksibutyniini (M1, M3, M4), pirentsepiini (M1), tolterodiini (M1–5), tripitramiini (M2) ja zamifenasiini (M3). Edeltävät aineet sitoutuvat kaikkiin muskariinireseptoreihin jossain määrin eli ne ovat epäselektiivisiä muskariinireseptorien suhteen. Antimuskariinina toimivaa atropiinia ja (–)-skopolamiinia on monissa koisokasveissa, kuten "Atropa"- ja "Datura"-sukujen kasveissa. Muita luonnon antimuskariineja ovat (suluissa on esimerkki ainetta sisältävästä kasvista) kryptolepiini ("Cryptolepis sanguinolenta"), (+)-himbasiini ("Galbulimima baccata") ja ebeinoni (keisarinpikarililja). 
Toisin kuin vaikkapa atropiini, jotkin aineet sitoutuvat muskariinireseptorien lisäksi merkittävissä määrin muihinkin reseptoreihin. Esimerkkejä näistä ovat tietyt antihistamiinit, trisykliset masennuslääkkeet (TCA) ja antipsykootit. Esimerkkejä merkittävissä määrin antimuskariinisista antihistamiineista ovat ainakin syklitsiini ja difenhydramiini. Esimerkki tällaisesta TCA:sta on amitriptyliini. Esimerkki D2-dopamiinireseptorien antagonisteihin kuuluvasta ja osin antimuskariinisesta antipsykootista on levopromatsiini.
Antagonistien vaikutuksia.
Muskariinireseptorien yliannostus voi aiheuttaa hallusinaatioita, deliriumin, puheen sekavuutta, suun kuivuutta, nielemisvaikeuksia, näön sumeutta, sinustakykardiaa, matalaa verenpainetta ääreisverenkierron verisuoniston laajentumisen takia tai ahdistuksen aiheuttamaa korkeaa verenpainetta ja pupillien laajenemista (mydriaasin) sekä tästä johtuvaa valoherkkyyttä. Iho voi olla kuiva kainalot ja nivusalue mukaan lukien. Kuumetta voi ilmetä hikoilun vähäisyyden takia, sekavuuden aiheuttaman lihasliikkeen takia ja keskushermoston dopamiinivälitteisen lämmönsäätelyn häiriöiden takia. Suoliston liike voi hidastua ja virtsan eritys heikentyä – nämä vaikutukset voivat vastaavasti lisätä antimuskariinin imeytymistä kehoon ja hidastaa sen poistumista kehosta. Antimuskariinien kyllin suuri yliannostus voi johtaa kuolemaan.
Antagonistien käyttökohteita.
Antagonisteina toimivaa atropiinia ja skopolamiinia on paljon joissain kasveissa, kuten myrkkykoisossa. Ihmiset voivat saada yliannostuksen altistuttuaan tällaisille kasveille vahingossa, terapeuttisessa tarkoituksessa tai päihtymistarkoituksessa. Päihdekäytössä muskariinireseptorien antagonisteista käytetään nimeä deliriantti. Atropiinia, tropikamidia ja joitain muita vastaavia antimuskariineja käytetään silmätippoina silmätutkimuksissa niiden pupillia laajentavan vaikutuksen takia. M3-reseptoriantagonisteja käytetään estämään virtsan karkailua ja helpottamaan keuhkoahtaumataudin oireita. Koska isot annokset M1-muskariinireseptorien antagonisteja aiheuttavat hallusinaatioita ja muita deliriumin oireita, niitä on käytetty dementian ja deliriumin mallintamiseen koe-eläimissä.