Искры кальция

Искра кальция является микроскопическим высвобождением кальция ( Са ²⁺ ) из магазина , известный как саркоплазматический ретикулум (SR) , расположенного в пределах мышечных клеток . ^[1] Этот выпуск происходит через ионный канал внутри мембраны от SR , известный как Рианодин рецептор (RyR) , который открывается при активации. ^[2] Этот процесс важен, поскольку он помогает поддерживать концентрацию Ca ²⁺ в клетке . Она также может инициировать сокращение мышц в скелетных и сердечных мышцахи расслабление мышц в гладких мышцах . Искры Ca ²⁺ важны в физиологии, поскольку они показывают, как Ca ²⁺ может использоваться на субклеточном уровне, чтобы сигнализировать как о локальных изменениях, известных как локальный контроль, ^[3], так и об изменениях в целых клетках.

Активация [ править ]

Как упоминалось выше, искры Ca ²⁺ зависят от открытия рианодиновых рецепторов, которые бывают трех типов:

• Тип 1 - обнаруживается в основном в скелетных мышцах.
• Тип 2 - находится в основном в сердце
• Тип 3 - обнаруживается в основном в головном мозге.

Открытие канала позволяет Ca ²⁺ проходить из SR в клетку. Это увеличивает локальную концентрацию Ca ²⁺ вокруг RyR в 10 раз. ^[4] Искры кальция могут быть вызваны или спонтаны, как описано ниже.

Рисунок 1: Вызванная искра кальция в клетке сердечной мышцы.

Вызвано [ править ]

Электрические импульсы, известные как потенциалы действия , проходят через клеточную мембрану (сарколемму) мышечных клеток . ^[5] В сарколемме гладкомышечных клеток расположены рецепторы, называемые дигидропиридиновыми рецепторами (DHPR). Однако в клетках скелетных и сердечных мышц эти рецепторы расположены в структурах, известных как Т-канальцы, которые являются расширениями плазматической мембраны, проникая глубоко в клетку (см. Рисунок 1). ^{[6] [7]} Эти DHPR расположены прямо напротив рианодиновых рецепторов , расположенных на саркоплазматическом ретикулуме ^[8], и активация потенциалом действия вызывает изменение формы DHPR. ^[9]

В сердечной и гладкой мышцах активация DHPR приводит к образованию ионного канала . ^[10] Это позволяет Ca ²⁺ проходить в клетку , увеличивая локальную концентрацию Ca ²⁺ вокруг RyR. Когда четыре молекулы Ca ²⁺ связываются с RyR, он открывается, что приводит к большему высвобождению Ca ²⁺ из SR. Этот процесс использования Ca 2+ для активации высвобождения Ca 2+ из SR известен как индуцированное кальцием высвобождение кальция . ^[11]

Однако в скелетных мышцах DHPR соприкасается с RyR. Следовательно, изменение формы DHPR активирует RyR напрямую, без необходимости в том, чтобы Ca ²⁺ сначала наводнял клетку. Это вызывает открытие RyR, позволяя Ca ²⁺ высвобождаться из SR. ^[12]

Спонтанный [ править ]

Искры Ca ²⁺ могут также возникать в клетках в состоянии покоя (т. Е. Клетках, которые не были стимулированы потенциалом действия). Это происходит примерно 100 раз в секунду в каждой ячейке ^[13] и является результатом слишком высокой концентрации Ca ²⁺ . Считается, что увеличение Ca ²⁺ в SR связывается с чувствительными к Ca ²⁺ сайтами внутри RyR, вызывая открытие канала. Кроме того, белок под названием кальсеквестрин (обнаруженный в SR) отделяется от RyR, когда концентрация кальция слишком высока, снова позволяя каналу открыться (подробнее см. Саркоплазматический ретикулум ). Точно так же снижение Ca ²⁺концентрация внутри SR также снижает чувствительность RyR. Считается, что это происходит из-за того, что кальсеквестрин сильнее связывается с RyR, предотвращая его открытие и снижая вероятность самопроизвольной искры. ^[14]

Кальций после выпуска [ править ]

В одной сердечной клетке имеется примерно 10 000 кластеров рианодиновых рецепторов , каждый из которых содержит около 100 рианодиновых рецепторов. ^[13] Во время одной спонтанной искры, когда Са 2+ высвобождается из SR, Са ²⁺ начинает перемещаться в клетке , таким же образом , что запах духов спредов по всей комнате при распылении (см диффузии более подробности). Поскольку RyR в сердце активируются Ca ²⁺ , движение Ca ^2+, высвобождаемого во время спонтанной искры, может активировать другие соседние RyR в том же кластере. Однако Ca ²⁺ обычно не хватает.присутствует в единственной искре, чтобы достичь соседнего кластера рецепторов . ^[13] Однако кальций может передавать сигнал обратно в DHPR, заставляя его закрыться и предотвращая дальнейший приток кальция. Это называется отрицательной обратной связью . ^[15]

Увеличение концентрации Ca ²⁺ в ячейке или образование большей искры может привести к высвобождению достаточно большого количества кальция, чтобы соседний кластер мог быть активирован первым. Это известно как искровая активация, вызванная искрой, и может привести к распространению волны высвобождения кальция Ca ²⁺ по клетке. ^[13]

Во время вызванных искр Ca ²⁺ все кластеры рианодиновых рецепторов по всей клетке активируются почти в одно и то же время. Это приводит к увеличению концентрации Ca ²⁺ во всей клетке (а не только локально) и известно как переходный процесс Ca ²⁺ во всей клетке . Этот Ca ²⁺ затем связывается с белком, называемым тропонином , инициируя сокращение, через группу белков, известных как миофиламенты. ^[16]

В гладкомышечных клетках Ca ^2+, высвобождаемый во время искры, используется для расслабления мышц. Это связано с тем, что Ca ^2+, который поступает в клетку через DHPR в ответ на потенциал действия , стимулирует сокращение мышц и высвобождение кальция из SR. Са ^2+, высвобождаемый во время искры, активирует два других ионных канала на мембране. Один канал позволяет ионам калия проникать в клетку , а другой позволяет ионам хлора покидать клетку . Результат этого движения ионов, заключается в том, что напряжение на мембране становится более отрицательным. Это деактивирует DHPR (который был активирован положительным мембранным потенциалом, создаваемым потенциалом действия), заставляя его закрыться и останавливая поток Ca ²⁺ в клетку, что приводит к релаксации. ^[17]

Прекращение действия [ править ]

Механизм прекращения высвобождения SR Ca ²⁺ до сих пор полностью не изучен. Текущие основные теории изложены ниже:

Локальное истощение SR Ca ²⁺ [ править ]

Эта теория предполагает, что во время кальциевой искры, когда кальций вытекает из SR, концентрация Ca ²⁺ в SR становится слишком низкой. Однако это не относится к самопроизвольным искрам. Это связано с тем, что средняя искра длится около 200 миллисекунд (одна пятая секунды), однако исследователи получили искры продолжительностью более 200 миллисекунд, таким образом показывая, что в SR остается достаточно Ca ²⁺ после `` нормального '' ( 200 мсек. ) Искра. ^{[18] Однако} во время активации большого количества рианодиновых рецепторов, как и в случае вызванных искр, весь SR обеднен Ca ^2+. и, следовательно, этот механизм все еще может играть роль в прекращении вызванных искр кальция.

Стохастическое истощение [ править ]

Несмотря на сложное название, эта идея просто предполагает, что все рецепторы рианодина в кластере и связанные с ними дигидропиридиновые рецепторы случайно закрываются одновременно. Это не только предотвратит высвобождение кальция из SR, но также остановит стимул для высвобождения кальция (то есть поток кальция через DHPR). ^[19] Однако из-за большого количества RyR и DHPR в одной ячейке эта теория кажется нереалистичной, так как существует очень малая вероятность того, что все они сблизятся в одно и то же время. ^[18]

Инактивация / адаптация [ править ]

Эта теория предполагает , что после активации RyR и последующего высвобождения Ca ²⁺ , то канал закрывается на короткое время для восстановления. В течение этого времени либо канал не может быть повторно открыт, даже если присутствует кальций (т.е. RyR инактивирован), либо канал может быть повторно открыт, однако для его активации требуется больше кальция, чем обычно (т.е. RyR находится в фазе адаптации). . Это будет означать, что один за другим RyR закроются, тем самым погасив искру. ^[19]

Теория липких кластеров [ править ]

Эта теория предполагает, что все три вышеупомянутые теории играют роль в предотвращении высвобождения кальция. ^[20]

Открытие [ править ]

Спонтанные искры Ca ²⁺ 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 возникают естественным образом в организме. Однако быстро было признано, что они имеют фундаментальное значение для физиологии мышц , играя огромную роль в связи возбуждения и сокращения.

Открытие стало возможным благодаря усовершенствованиям конфокальных микроскопов . Это позволило обнаружить высвобождение Ca ²⁺ , которое было выделено с помощью вещества, известного как fluo-3 , которое заставляло Ca ²⁺ светиться. «Искры» Ca ²⁺ были названы так из-за спонтанной, локализованной природы высвобождения Ca ^2+, а также из-за того факта, что они являются инициирующим событием взаимодействия возбуждения и сжатия .

Обнаружение и анализ [ править ]

Из-за важности искр Ca ²⁺ в объяснении стробирующих свойств рианодиновых рецепторов in situ (внутри тела) многие исследования были сосредоточены на улучшении их обнаруживаемости ^{[21] [22]} в надежде, что путем точного и надежного обнаружения всего Ca ²⁺ искровых события, их истинные свойства могут, наконец, помочь нам разгадать неразгаданную загадку искрового прекращения.

См. Также [ править ]

• Выделение кальция, вызванное кальцием
• Конфокальная микроскопия
• Рецептор рианодина

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Программное обеспечение

• SparkMaster - Автоматический анализ искр Ca 2+ с помощью ImageJ - Бесплатное программное обеспечение для анализа искр Ca ²⁺ на изображениях конфокального сканирования