Теплообменник натрий-кальций (часто обозначается Na + / Са 2+ обменник , белковый обмен , или NCX ) представляет собой антипортера мембранный белок , который удаляет кальция из клеток. Он использует энергию, которая хранится в электрохимическом градиенте натрия (Na + ), позволяя Na + течь по его градиенту через плазматическую мембрану в обмен на встречный перенос ионов кальция (Ca 2+ ). Один ион кальция экспортируется за импорт трех ионов натрия. [1]Обменник существует во многих различных типах клеток и видах животных. [2] NCX считается одним из наиболее важных клеточных механизмов удаления Ca 2+ . [2]
семейство носителей растворенных веществ 8 (обменник натрия / кальция), член 1 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||
Символ | SLC8A1 | |||||
Альт. символы | NCX1 | |||||
Ген NCBI | 6546 | |||||
HGNC | 11068 | |||||
OMIM | 182305 | |||||
RefSeq | NM_021097 | |||||
UniProt | P32418 | |||||
Прочие данные | ||||||
Locus | Chr. 2 п23-п21 | |||||
|
семейство носителей растворенных веществ 8 (натрий-кальциевый обменник), член 2 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||
Символ | SLC8A2 | |||||
Ген NCBI | 6543 | |||||
HGNC | 11069 | |||||
OMIM | 601901 | |||||
RefSeq | NM_015063 | |||||
UniProt | Q9UPR5 | |||||
Прочие данные | ||||||
Locus | Chr. 19 q13.2 | |||||
|
семейство носителей растворенных веществ 8 (натрий-кальциевый обменник), член 3 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||
Символ | SLC8A3 | |||||
Ген NCBI | 6547 | |||||
HGNC | 11070 | |||||
OMIM | 607991 | |||||
RefSeq | NM_033262 | |||||
UniProt | P57103 | |||||
Прочие данные | ||||||
Locus | Chr. 14 q24.1 | |||||
|
Обменник обычно находится в плазматических мембранах, митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме возбудимых клеток. [3] [4]
Функция
Обменник натрия-кальция - только одна из систем, с помощью которых цитоплазматическая концентрация ионов кальция в клетке поддерживается низкой. Обменник не очень прочно связывается с Ca 2+ (имеет низкое сродство), но он может быстро транспортировать ионы (имеет высокую емкость), транспортируя до пяти тысяч ионов Ca 2+ в секунду. [5] Следовательно, для его эффективности требуются большие концентрации Ca 2+ , но он полезен для избавления клетки от большого количества Ca 2+ за короткое время, как это необходимо в нейроне после потенциала действия . Таким образом, обменник также, вероятно, играет важную роль в восстановлении нормальной концентрации кальция в клетке после эксайтотоксического воздействия . [3] Такой первичный переносчик ионов кальция присутствует в плазматической мембране большинства клеток животных. Другой, более повсеместно трансмембранный насос , что экспорт кальций из клетки является плазматической мембраной Са 2+ АТФаз (PMCA), который имеет гораздо более высокое сродство , но гораздо меньшую емкость. Поскольку PMCA способен эффективно связываться с Ca 2+ даже при довольно низких его концентрациях, он лучше подходит для задачи поддержания очень низких концентраций кальция, которые обычно присутствуют в клетке. [6] НС + / Са 2+ обменник комплементы высокое сродство, низкая емкость Са 2+ -АТФазы и вместе, они участвуют в различных клеточных функций , в том числе:
- контроль нейросекреции
- активность фоторецепторных клеток
- расслабление сердечной мышцы
- поддержание концентрации Ca 2+ в саркоплазматическом ретикулуме в клетках сердца
- поддержание концентрации Ca 2+ в эндоплазматическом ретикулуме как возбудимых, так и невозбудимых клеток
- связь возбуждения-сжатия
- поддержание низкой концентрации Ca 2+ в митохондриях
Обменник также участвует в нарушении сердечной электрической проводимости, известном как задержка после деполяризации . [7] Считается, что внутриклеточное накопление Ca 2+ вызывает активацию обменника Na + / Ca 2+ . Результатом является кратковременный приток чистого положительного заряда (вспомните 3 Na + на входе, 1 Ca 2+ на выходе), вызывая деполяризацию клеток. [7] Эта аномальная клеточная деполяризация может привести к сердечной аритмии.
Обратимость
Поскольку транспорт является электрогенным (изменяет мембранный потенциал), деполяризация мембраны может изменить направление обменника, если клетка достаточно деполяризована, что может происходить при эксайтотоксичности . [1] Кроме того, как и в случае с другими транспортными белками, количество и направление транспорта зависят от градиентов трансмембранного субстрата. [1] Этот факт может быть защитным, поскольку увеличение внутриклеточной концентрации Ca 2+, которое происходит при эксайтотоксичности, может активировать обменник в прямом направлении даже в присутствии пониженной концентрации внеклеточного Na + . [1] Однако это также означает, что, когда внутриклеточные уровни Na + превышают критическую точку, NCX начинает импортировать Ca 2+ . [1] [8] [9] NCX может работать как в прямом, так и в обратном направлениях одновременно в разных областях ячейки, в зависимости от комбинированного воздействия градиентов Na + и Ca 2+ . [1] Этот эффект может продлить переходные процессы кальция после всплесков нейрональной активности, тем самым влияя на обработку нейрональной информации. [10] [11]
Обменник Na + / Ca 2+ в потенциале сердечного действия
Способность обменника Na + / Ca 2+ изменять направление потока проявляется во время сердечного потенциала действия . Из-за деликатной роли, которую Ca 2+ играет в сокращении сердечных мышц, клеточная концентрация Ca 2+ тщательно контролируется. Во время потенциала покоя обменник Na + / Ca 2+ использует преимущество большого внеклеточного градиента концентрации Na +, чтобы помочь выкачивать Ca 2+ из клетки. [12] Фактически, обменник Na + / Ca 2+ большую часть времени находится в положении оттока Ca 2+ . Однако во время подъема сердечного потенциала действия происходит большой приток ионов Na + . Это деполяризует клетку и сдвигает мембранный потенциал в положительном направлении. Результатом является большое увеличение внутриклеточного [Na + ]. Это вызывает реверсирование обменника Na + / Ca 2+, чтобы выкачать ионы Na + из ячейки, а ионы Ca 2+ - в ячейку. [12] Однако это изменение направления обменника длится только кратковременно из-за внутреннего повышения [Ca 2+ ] в результате притока Ca 2+ через кальциевый канал L-типа , и обменник возвращается в свое прямое направление. потока, откачивая Ca 2+ из ячейки. [12]
Хотя теплообменник обычно работает в положении отвода Ca 2+ (за исключением ранней стадии потенциала действия), определенные условия могут ненормально переключить теплообменник в обратное положение ( приток Ca 2+ , отток Na + ). Ниже перечислены некоторые клеточные и фармацевтические условия, при которых это происходит. [12]
- Внутренний [Na + ] выше, чем обычно (например, когда препараты гликозида наперстянки блокируют насос Na + / K + -АТФазы).
- Саркоплазматического ретикулума высвобождение Ca 2+ ингибируется.
- Другие каналы притока Ca 2+ ингибируются.
- Если продолжительность потенциала действия продлена.
Состав
Основываясь на прогнозах вторичной структуры и гидрофобности , изначально предполагалось, что NCX будет иметь 9 трансмембранных спиралей . [13] Считается, что это семейство возникло в результате дупликации гена из-за очевидной псевдосимметрии в первичной последовательности трансмембранного домена. [14] Между псевдосимметричными половинами вставлена цитоплазматическая петля, содержащая регуляторные домены. [15] Эти регуляторные домены имеют структуры, подобные домену C2, и отвечают за регуляцию кальция. [16] [17] В последнее время структура архейных NCX ортолог была решена с помощью рентгеновской кристаллографии . [18] Это ясно иллюстрирует димерный переносчик 10 трансмембранных спиралей с ромбовидным сайтом для связывания субстрата. На основе структуры и структурной симметрии была предложена модель чередования доступа с ионной конкуренцией на активном центре. Структуры трех родственных протонно-кальциевых обменников (CAX) были определены из дрожжей и бактерий . Будучи структурно и функционально гомологичными, эти структуры иллюстрируют новые олигомерные структуры, связывание с субстратом и регуляцию. [19] [20] [21]
История
В 1968 году Х. Рейтер и Н. Зейтц опубликовали данные о том, что при удалении Na + из среды, окружающей клетку, отток Ca 2+ подавляется, и они предположили, что может существовать механизм обмена двумя ионами. [2] [22] В 1969 году группа под руководством П.Ф. Бейкера, которая экспериментировала с аксонами кальмара, опубликовала открытие, в котором предполагалось, что существует другой способ выхода Na + из клеток, кроме натрий-калиевого насоса . [2] [23] Наперстянка, более известная как наперстянка, как известно, оказывает большое влияние на Na / K-АТФазу, в конечном итоге вызывая более сильное сокращение сердца. Растение содержит соединения, которые подавляют натрий-калиевый насос, который снижает электрохимический градиент натрия. Это делает выкачивание кальция из клетки менее эффективным, что приводит к более сильному сокращению сердца. Людям со слабым сердцем иногда предлагают перекачивать сердце с большей сократительной силой. Однако он также может вызвать гипертонию, поскольку увеличивает сократительную силу сердца.
Смотрите также
- Активный транспорт
- Сердечный потенциал действия
- Калийзависимый натрий-кальциевый обменник
Рекомендации
- ^ Б с д е е Ю. SP, Choi DW (Jun 1997). «Обменные токи Na (+) - Ca2 + в корковых нейронах: одновременное прямое и обратное действие и действие глутамата». Европейский журнал нейробиологии . 9 (6): 1273–81. DOI : 10.1111 / j.1460-9568.1997.tb01482.x . PMID 9215711 . S2CID 23146698 .
- ^ а б в г DiPolo R, Beaugé L (январь 2006 г.). «Обменник натрия / кальция: влияние регуляции метаболизма на взаимодействия ионных переносчиков» . Физиологические обзоры . 86 (1): 155–203. DOI : 10.1152 / Physrev.00018.2005 . PMID 16371597 .
- ^ а б Kiedrowski L, Brooker G, Costa E, Wroblewski JT (февраль 1994 г.). «Глутамат ухудшает экструзию кальция в нейронах, уменьшая градиент натрия». Нейрон . 12 (2): 295–300. DOI : 10.1016 / 0896-6273 (94) 90272-0 . PMID 7906528 . S2CID 38199890 .
- ^ Паттерсон М., Снейд Дж., Фрил Д.Д. (январь 2007 г.). «Деполяризационные кальциевые ответы в симпатических нейронах: относительные вклады от входа Ca2 +, экструзии, ER / митохондриального захвата и высвобождения Ca2 + и буферизации Ca2 +» . Журнал общей физиологии . 129 (1): 29–56. DOI : 10,1085 / jgp.200609660 . PMC 2151609 . PMID 17190902 .
- ^ Карафоли Е., Сантелла Л., Бранка Д., Брини М. (апрель 2001 г.). «Генерация, контроль и обработка сигналов клеточного кальция». Критические обзоры в биохимии и молекулярной биологии . 36 (2): 107–260. DOI : 10.1080 / 20014091074183 . PMID 11370791 . S2CID 43050133 .
- ^ Siegel, GJ; Agranoff, BW; Альберс, RW; Фишер, СК; Uhler, MD, редакторы (1999). Основы нейрохимии: молекулярные, клеточные и медицинские аспекты (6-е изд.). Филадельфия: Липпинкотт, Уильямс и Уилкинс. ISBN 0-7817-0104-X.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ a b Lilly, L: «Патофизиология сердечных заболеваний», глава 11: «Механизмы сердечных аритмий», Lippencott, Williams and Wilkens, 2007
- ^ Биндокас В.П., Миллер Р.Дж. (ноябрь 1995 г.). «Эксайтотоксическая дегенерация инициируется в неслучайных участках культивируемых нейронов мозжечка крысы» . Журнал неврологии . 15 (11): 6999–7011. DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.15-11-06999.1995 . PMC 6578035 . PMID 7472456 . S2CID 25625938 .
- ^ Вольф Дж.А., Стис П.К., Лусарди Т., Мини Д., Смит Д.Х. (март 2001 г.). «Травматическое повреждение аксонов вызывает приток кальция, модулируемый тетродотоксин-чувствительными натриевыми каналами» . Журнал неврологии . 21 (6): 1923–30. DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.21-06-01923.2001 . PMC 6762603 . PMID 11245677 . S2CID 13912728 .
- ^ Зильберталь, Асаф; Кахан, Анат; Бен-Шауль, Йорам; Яром, Йосеф; Вагнер, Шломо (16 декабря 2015 г.). «Длительная внутриклеточная динамика Na + регулирует электрическую активность в дополнительных митральных клетках обонятельной луковицы» . PLOS Биология . 13 (12): e1002319. DOI : 10.1371 / journal.pbio.1002319 . ISSN 1545-7885 . PMC 4684409 . PMID 26674618 .
- ^ Шойс, Фолькер; Ясуда, Рёхей; Собчик, Александр; Свобода, Карел (02.08.2006). «Нелинейная передача сигналов [Ca2 +] в дендритах и шипах, вызванная зависимой от активности депрессией экструзии Ca2 +» . Журнал неврологии . 26 (31): 8183–8194. DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.1962-06.2006 . ISSN 0270-6474 . PMC 6673787 . PMID 16885232 .
- ^ а б в г Bers DM (январь 2002 г.). «Связь возбуждения-сокращения сердца». Природа . 415 (6868): 198–205. Bibcode : 2002Natur.415..198B . DOI : 10.1038 / 415198a . PMID 11805843 . S2CID 4337201 .
- ^ Николл Д.А., Оттолия М., Филипсон К.Д. (ноябрь 2002 г.). «К топологической модели обменника NCX1». Летопись Нью-Йоркской академии наук . 976 (1): 11–8. Bibcode : 2002NYASA.976 ... 11N . DOI : 10.1111 / j.1749-6632.2002.tb04709.x . PMID 12502529 . S2CID 21425718 .
- ^ Cai X, Lytton J (сентябрь 2004 г.). «Суперсемейство катионов / Ca (2+): филогенетический анализ и структурные последствия» . Молекулярная биология и эволюция . 21 (9): 1692–703. DOI : 10.1093 / molbev / msh177 . PMID 15163769 .
- ^ Мацуока С., Николл Д.А., Рейли Р.Ф., Хильгеманн Д.В., Филипсон К.Д. (май 1993 г.). «Первоначальная локализация регуляторных областей Na (+) - Ca2 + обменника сердечной сарколеммы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 90 (9): 3870–4. Bibcode : 1993PNAS ... 90.3870M . DOI : 10.1073 / pnas.90.9.3870 . PMC 46407 . PMID 8483905 .
- ^ Besserer GM, Ottolia M, Nicoll DA, Chaptal V, Cascio D, Philipson KD, Abramson J (ноябрь 2007 г.). «Второй Са2 + -связывающий домен обменника Na + Ca2 + необходим для регуляции: кристаллических структур и мутационного анализа» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (47): 18467–72. Bibcode : 2007PNAS..10418467B . DOI : 10.1073 / pnas.0707417104 . PMC 2141800 . PMID 17962412 .
- ^ Николл Д.А., Савая М.Р., Квон С., Касио Д., Филипсон К.Д., Абрамсон Дж. (Август 2006 г.). «Кристаллическая структура первичного сенсора Ca2 + обменника Na + / Ca2 + обнаруживает новый мотив связывания Ca2 +» . Журнал биологической химии . 281 (31): 21577–81. DOI : 10.1074 / jbc.C600117200 . PMID 16774926 .
- ^ Ляо Дж., Ли Х., Цзэн В., Зауэр Д.Б., Белмарес Р., Цзян Й. (февраль 2012 г.). «Структурное понимание механизма ионного обмена натрий / кальциевого обменника». Наука . 335 (6069): 686–90. Bibcode : 2012Sci ... 335..686L . DOI : 10.1126 / science.1215759 . PMID 22323814 . S2CID 206538351 .
- ^ Уэйт А.Б., Педерсен Б.П., Шлессинджер А., Бономи М., Чау Б.Х., Роу-Цурц З., Рисенмей А.Дж., Сали А., Страуд Р.М. (июль 2013 г.). «Структурная основа альтернативного доступа кальций / протонного обменника эукариот» . Природа . 499 (7456): 107–10. Bibcode : 2013Natur.499..107W . DOI : 10,1038 / природа12233 . PMC 3702627 . PMID 23685453 .
- ^ Нисизава Т., Кита С., Матурана А.Д., Фуруя Н., Хирата К., Касуя Г., Огасавара С., Дохмае Н., Ивамото Т., Иситани Р., Нуреки О. (июль 2013 г.). «Структурная основа механизма встречного транспорта обменника H + / Ca2 +». Наука . 341 (6142): 168–72. Bibcode : 2013Sci ... 341..168N . DOI : 10.1126 / science.1239002 . PMID 23704374 . S2CID 206549290 .
- ^ Ву М., Тонг С., Вальтерспергер С., Дидерикс К., Ван М., Чжэн Л. (июль 2013 г.). «Кристаллическая структура Ca2 + / H + антипортерного белка YfkE раскрывает механизмы оттока Ca2 + и его регуляцию pH» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (28): 11367–72. Bibcode : 2013PNAS..11011367W . DOI : 10.1073 / pnas.1302515110 . PMC 3710832 . PMID 23798403 .
- ^ Reuter H, Seitz N (март 1968 г.). «Зависимость оттока кальция из сердечной мышцы от температуры и внешнего ионного состава» . Журнал физиологии . 195 (2): 451–70. DOI : 10.1113 / jphysiol.1968.sp008467 . PMC 1351672 . PMID 5647333 .
- ^ Бейкер П.Ф., Блауштайн М.П., Ходжкин А.Л., Стейнхардт Р.А. (февраль 1969 г.). «Влияние кальция на отток натрия в аксонах кальмаров» . Журнал физиологии . 200 (2): 431–58. DOI : 10.1113 / jphysiol.1969.sp008702 . PMC 1350476 . PMID 5764407 .
Внешние ссылки
- Натрий-кальций + обменник по медицинским предметным рубрикам Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)
- Диаграмма на cvphysiology.com
- Клабунде, РЭ. 2007. Концепции физиологии сердечно-сосудистой системы: Обмен кальция.