Кальциевые искры

— Кальциевая искра это микроскопическое высвобождение кальция ( Ca ²⁺ ) из хранилища, известного как саркоплазматическая сеть (СР) , расположенного внутри мышечных клеток . Это высвобождение происходит через ионный канал внутри мембраны SR , известный как рианодиновый рецептор (RyR) , который открывается при активации. Этот процесс важен, поскольку он помогает поддерживать Ca ²⁺ концентрация внутри клетки . Он также инициирует сокращение скелетных мышц и сердечных и расслабление гладких мышц . Калифорния ²⁺ искры важны в физиологии, поскольку они показывают, как Ca ²⁺ может использоваться на субклеточном уровне, чтобы сигнализировать как о локальных изменениях, известных как локальный контроль, так и о местных изменениях. а также изменения целых клеток.

Активация

Как упоминалось выше, Ca ²⁺ искры зависят от открытия рианодиновых рецепторов, которых существует три типа:

• Тип 1 – встречается главным образом в скелетных мышцах.
• Тип 2 – встречается преимущественно в сердце.
• Тип 3 – встречается главным образом в мозге.

Открытие канала позволяет Ca ²⁺ перейти из SR в ячейку. Это увеличивает локальный Ca ²⁺ концентрации вокруг RyR в 10 раз. Искры кальция могут быть вызванными или спонтанными, как описано ниже.

Рисунок 1: Вызванная кальциевая искра в клетке сердечной мышцы.

Вызванный

Электрические импульсы, известные как потенциалы действия , перемещаются по клеточной мембране (сарколемме) мышечных клеток . В сарколемме гладкомышечных клеток расположены рецепторы, называемые дигидропиридиновыми рецепторами (DHPR). Однако в клетках скелетных и сердечных мышц эти рецепторы расположены внутри структур, известных как Т-трубочки, которые представляют собой продолжения плазматической мембраны, проникающие глубоко в клетку (см. рисунок 1). Эти DHPR расположены прямо напротив рианодиновых рецепторов , расположенных на саркоплазматической сети. а активация потенциалом действия заставляет DHPR менять форму.

В сердечной и гладкой мышце активация DHPR приводит к образованию ионного канала . Это позволяет Са ²⁺ проникать в клетку , увеличивая местное содержание Са ²⁺ концентрация, вокруг RyR. Когда четыре Са ²⁺ Молекулы связываются с RyR, он открывается, что приводит к большему высвобождению Ca ²⁺ , из СР. Этот процесс использования Ca ²⁺ активировать высвобождение Ca ²⁺ из СР известен как кальций-индуцированное высвобождение кальция .

Однако в скелетных мышцах DHPR касается RyR. Следовательно, изменение формы DHPR напрямую активирует RyR, без необходимости использования Ca. ²⁺ сначала затопить клетку. Это приводит к открытию RyR, позволяя Ca ²⁺ быть освобожденным из СР.

Спонтанный

Что ²⁺ искры также могут возникать в покоящихся клетках (т. е. в клетках, которые не были стимулированы потенциалом действия). Это происходит примерно 100 раз в секунду в каждой ячейке. и является результатом Ca ²⁺ концентрация слишком высока. Увеличение Са ²⁺ Считается, что внутри SR связывается с Ca ²⁺ чувствительные сайты внутри RyR, вызывающие открытие канала. Кроме того, белок под названием кальсеквестрин (обнаруженный в SR) отделяется от RyR, когда концентрация кальция слишком высока, снова позволяя каналу открыться ( см. В саркоплазматическом ретикулуме подробнее ). Аналогичным образом, снижение Ca ²⁺ Также доказано, что концентрация в SR снижает чувствительность RyR. Считается, что это связано с тем, что кальсеквестрин более прочно связывается с RyR, предотвращая его открытие и снижая вероятность спонтанной искры.

Кальций после высвобождения

имеется около 10 000 кластеров рианодиновых рецепторов , причем каждый кластер содержит около 100 рианодиновых рецепторов. В одной сердечной клетке Во время одиночной самопроизвольной искры, когда Ca ²⁺ высвобождается из СР, Ca ²⁺ распространяется по всей клетке . Поскольку RyR в сердце активируются Ca ²⁺ , движение Ca ²⁺ высвобождаемый во время спонтанной искры, может активировать другие соседние RyR в том же кластере. Однако Ca обычно не хватает. ²⁺ присутствует в одной искре и достигает соседнего кластера рецепторов . Однако кальций может подавать обратный сигнал DHPR, заставляя его закрываться и предотвращая дальнейший приток кальция. Это известно как отрицательная обратная связь .

Увеличение Са ²⁺ концентрация внутри клетки или образование более крупной искры может привести к высвобождению достаточно большого количества кальция, чтобы соседний кластер мог быть активирован первым. Это известно как активация искры, вызванная искрой, и может привести к ²⁺ волна высвобождения кальция распространяется по клетке.

Во время вызванного Ca ²⁺ искры, все группы рианодиновых рецепторов по всей клетке активируются почти в одно и то же время. Это приводит к увеличению Ca ²⁺ концентрация во всей клетке (а не только локально) и известна как цельноклеточный Ca. ²⁺ преходящий. Это Калифорния ²⁺ затем связывается с белком, называемым тропонином , инициируя сокращение, через группу белков, известных как миофиламенты.

В гладкомышечных клетках Са ²⁺ высвобождаемый при разряде искры используется для расслабления мышц. Это потому, что Ca ²⁺ который поступает в клетку через DHPR в ответ на потенциал действия , стимулирует как сокращение мышц, так и высвобождение кальция из SR. Калифорния ²⁺ высвобождаемый во время искры, затем активирует два других ионных канала на мембране. Один канал позволяет ионам калия выходить из клетки , тогда как другой позволяет ионам хлорида покидать клетку . Результатом этого движения ионов является то, что мембранное напряжение становится более отрицательным. Это деактивирует DHPR (который был активирован положительным мембранным потенциалом, создаваемым потенциалом действия), заставляя его закрываться и останавливая поток Ca. ²⁺ в клетку, что приводит к расслаблению.

Прекращение действия

Механизм, посредством которого SR Ca ²⁺ релиз прекращается, до сих пор не до конца понятен. Текущие основные теории изложены ниже:

Локальное истощение SR Ca ²⁺

Эта теория предполагает, что во время кальциевой искры, когда кальций вытекает из СР, концентрация Ca ²⁺ внутри СР становится слишком низким. Однако считалось, что это не относится к спонтанным искрам, поскольку общее высвобождение во время Ca ²⁺ искра мала по сравнению с общим количеством SR Ca ²⁺ содержание и исследователи произвели искры длительностью более 200 миллисекунд, тем самым показывая, что кальция еще достаточно. ²⁺ остался внутри SR после «нормальной» (200 мс) искры. Однако локальное истощение соединительного SR может быть намного больше, чем считалось ранее (см. ). Однако во время активации большого количества рианодиновых рецепторов, как и в случае с электрически вызванным Ca ²⁺ выпуск, весь SR обеднен Ca примерно на 50%. ²⁺ и этот механизм будет играть важную роль в повторном выпуске.

Стохастическое истощение

Несмотря на сложное название, эта идея просто предполагает, что все рианодиновые рецепторы в кластере и связанные с ними дигидропиридиновые рецепторы случайно закрываются одновременно. Это не только предотвратит высвобождение кальция из SR, но также остановит стимул высвобождения кальция (т. е. поток кальция через DHPR). Однако из-за большого количества RyR и DHPR в одной клетке эта теория кажется нереалистичной, поскольку существует очень небольшая вероятность того, что все они сомкнутся одновременно.

Инактивация/адаптация

Эта теория предполагает, что после активации RyR и последующего высвобождения Ca ²⁺ , канал ненадолго закрывается для восстановления. В течение этого времени либо канал не может быть вновь открыт, даже если присутствует кальций (т. е. RyR инактивирован), либо канал может быть вновь открыт, однако для его активации требуется больше кальция, чем обычно (т. е. RyR находится в фазе адаптации). . Это будет означать, что RyR один за другим закроются, тем самым прекратив искру.

Теория липкого кластера

Эта теория предполагает, что все три вышеупомянутые теории играют роль в предотвращении высвобождения кальция.

Открытие

Спонтанный Ca ²⁺ искры были обнаружены в клетках сердечной мышцы крыс в 1992 году Писом Ченгом и Марком Б. Каннеллом в лаборатории Джона Ледерера в Университете Мэриленда, Балтимор, США.

Первоначально эта идея была отвергнута научным журналом Nature , который считал, что искры присутствуют только в лабораторных условиях (т.е. являются артефактами) и поэтому не могут возникать в организме естественным путем. Однако быстро было признано, что они имеют фундаментальное значение для физиологии мышц , играя огромную роль в сочетании возбуждения и сокращения.

Открытие стало возможным благодаря усовершенствованиям конфокальных микроскопов . Это позволило обнаружить выброс Ca ²⁺ , которые были выделены с помощью вещества, известного как флюо-3 , которое вызвало появление Ca ²⁺ светиться. Калифорния ²⁺ «искры» были названы так из-за спонтанного, локализованного характера Ca. ²⁺ освобождение, а также тот факт, что они являются инициирующим событием связи возбуждения-сокращения .

Обнаружение и анализ

Из-за важности Ca ²⁺ искры в объяснении воротных свойств рианодиновых рецепторов in situ (внутри тела), многие исследования были сосредоточены на улучшении их обнаруживаемости. в надежде, что путем точного и надежного обнаружения всех Ca ²⁺ искровые события, их истинные свойства могут, наконец, помочь нам ответить на неразгаданную загадку искрового прекращения.

См. также

• Высвобождение кальция, индуцированное кальцием
• Конфокальная микроскопия
• Рианодиновый рецептор

Внешние ссылки

Программное обеспечение

• SparkMaster - Автоматизированный расчет ²⁺ Искровой анализ с помощью ImageJ - Бесплатное программное обеспечение для Ca ²⁺ искровой анализ на конфокальных изображениях линейного сканирования