Искры кальция - Calcium sparks

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

Активация

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. Искры кальция могут быть вызваны или спонтаны, как описано ниже.

Рисунок 1: Вызванная искра кальция в клетке сердечной мышцы.

Вызванный

Электрические импульсы, известные как потенциалы действия , проходят через клеточную мембрану (сарколемму) мышечных клеток . 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). Эти DHPR расположены прямо напротив рианодиновых рецепторов , расположенных на саркоплазматическом ретикулуме, и активация потенциалом действия вызывает изменение формы DHPR.

В сердечной и гладкой мышцах активация DHPR приводит к образованию ионного канала . 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 .

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.

Спонтанный

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 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 ). Аналогичным образом, снижение концентрации Ca ²⁺ в SR также снижает чувствительность RyR. Считается, что это происходит из-за того, что кальсеквестрин сильнее связывается с RyR, предотвращая его открытие и уменьшая вероятность самопроизвольной искры.

Кальций после выпуска

В одной сердечной клетке имеется примерно 10 000 кластеров рианодиновых рецепторов , причем каждый кластер содержит около 100 рианодиновых рецепторов. Во время одной спонтанной искры, когда Ca ²⁺ высвобождается из SR, Ca ²⁺ диффундирует по всей ячейке . 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 в одной искре обычно недостаточно Ca ^2+, чтобы достичь соседнего кластера рецепторов . Однако кальций может передавать сигнал обратно в DHPR, заставляя его закрыться и предотвращая дальнейший приток кальция. Это называется отрицательной обратной связью .

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

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.

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 ионы калия для выхода из клетки , в то время как другая позволяет хлорид - ионы покидать клетку . Результатом этого движения ионов является то, 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.

Прекращение

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

Локальное истощение SR Ca ²⁺

Эта теория предполагает, что во время кальциевой искры, когда кальций вытекает из SR, концентрация Ca ²⁺ в SR становится слишком низкой. Однако считалось, что это не относится к самопроизвольным искрам, поскольку общее высвобождение во время искры Ca ²⁺ невелико по сравнению с общим содержанием Ca ^{2+ в} SR, и исследователи получили искры продолжительностью более 200 миллисекунд, таким образом показывая, что все еще есть Достаточное количество Ca ²⁺ осталось в SR после «нормальной» (200 мс) искры. Однако местное истощение в соединительном SR может быть намного больше, чем считалось ранее (см.). Однако во время активации большого количества рианодиновых рецепторов, как и в случае электрически вызванного высвобождения Ca ²⁺ , весь SR примерно на 50% обеднен Ca ^2+, и этот механизм будет играть важную роль в предотвращении высвобождения.

Стохастическое истощение

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 предотвратило бы высвобождение кальция из SR, но также остановило бы стимул для высвобождения кальция (то есть поток кальция через DHPR). Однако из-за большого количества RyR и DHPR в одной ячейке эта теория кажется нереалистичной, поскольку существует очень малая вероятность того, что все они сойдутся вместе в одно и то же время.

Инактивация / адаптация

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.

Теория липких кластеров

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

Открытие

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

Из-за важности искр Ca ²⁺ в объяснении стробирующих свойств рианодиновых рецепторов in situ (внутри тела) многие исследования были сосредоточены на улучшении их обнаруживаемости в надежде, что путем точного и надежного обнаружения всех событий искры Ca ²⁺ их Истинные свойства могут, наконец, помочь нам разгадать неразгаданную загадку искры.

Смотрите также

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

использованная литература

внешние ссылки

Программное обеспечение

• SparkMaster - Автоматический анализ искр Ca ²⁺ с помощью ImageJ - Бесплатное программное обеспечение для анализа искр Ca ²⁺ на конфокальных изображениях с линейным сканированием