Т-трубочка - T-tubule
| Т-трубочка | |
|---|---|
Волокно скелетных мышц с Т-трубочкой, отмеченной в увеличенном масштабе.
| |
 Структура Т-канальца и связь с саркоплазматическим ретикулумом в скелетных мышцах
| |
| Подробности | |
| Часть | Клеточная мембрана из скелетных и сердечных мышечных клеток . |
| Идентификаторы | |
| латинский | поперечные канальцы |
| TH | H2.00.05.2.01018, H2.00.05.2.02013 |
| Анатомическая терминология | |
Т-канальцы ( поперечные канальцы ) представляют собой продолжения клеточной мембраны, которые проникают в центр клеток скелетных и сердечных мышц . Благодаря мембранам, которые содержат большие концентрации ионных каналов , переносчиков и насосов, Т-канальцы обеспечивают быструю передачу потенциала действия в клетку, а также играют важную роль в регулировании клеточной концентрации кальция.
Благодаря этим механизмам Т-канальцы позволяют клеткам сердечной мышцы сокращаться более сильно, синхронизируя высвобождение кальция во всей клетке. На структуру и функцию Т-канальцев влияет сокращение кардиомиоцитов, а также заболевания, потенциально способствующие сердечной недостаточности и аритмиям . Хотя эти структуры были впервые замечены в 1897 году, исследования биологии Т-канальцев продолжаются.
Состав
Т-канальцы представляют собой канальцы, образованные из того же фосфолипидного бислоя, что и поверхностная мембрана или сарколемма клеток скелетных или сердечных мышц. Они соединяются непосредственно с сарколеммой на одном конце, прежде чем продвинуться вглубь клетки, образуя сеть канальцев, секции которых проходят как перпендикулярно (поперечно), так и параллельно (в осевом направлении) сарколемме. Из-за такой сложной ориентации некоторые называют Т-канальцы поперечно-осевой трубчатой системой. Внутренняя часть или просвет Т-канальца открыта на поверхности клетки, что означает, что Т-канальец заполнен жидкостью, содержащей те же компоненты, что и раствор, окружающий клетку (внеклеточная жидкость). Мембрана, образующая Т-канальцы, не является просто пассивной соединительной трубкой, она очень активна, усеяна белками, включая кальциевые каналы L-типа , обменники натрия и кальция , кальциевые АТФазы и бета-адренорецепторы .
Т-канальцы обнаруживаются как в клетках предсердной, так и в желудочковой сердечной мышце ( кардиомиоцитах ), в которых они развиваются в первые несколько недель жизни. Они обнаруживаются в мышечных клетках желудочков у большинства видов и в мышечных клетках предсердий крупных млекопитающих. В клетках сердечной мышцы у разных видов Т-канальцы имеют диаметр от 20 до 450 нанометров и обычно расположены в областях, называемых Z-дисками, где актиновые миофиламенты закрепляются внутри клетки. Т-канальцы в сердце тесно связаны с внутриклеточным хранилищем кальция, известным как саркоплазматический ретикулум, в определенных областях, называемых терминальными цистернами. Связь Т-канальца с терминальной цистерной известна как диада .
В клетках скелетных мышц Т-канальцы в три-четыре раза уже, чем в клетках сердечной мышцы, и имеют диаметр от 20 до 40 нм. Обычно они расположены по обе стороны от миозиновой полоски, на стыке перекрытия (соединение AI) между полосами A и I. Т-канальцы в скелетных мышцах связаны с двумя терминальными цистернами, известными как триада .
Регуляторы
Форма системы Т-канальцев создается и поддерживается множеством белков. Белок амфифизин-2 кодируется геном BIN1 и отвечает за формирование структуры Т-канальца и обеспечение того, чтобы соответствующие белки (в частности, кальциевые каналы L-типа) располагались внутри мембраны Т-канальца. Юнктофилин-2 кодируется геном JPH2 и помогает формировать соединение между мембраной Т-канальца и саркоплазматическим ретикулумом, жизненно важным для взаимодействия возбуждения и сокращения . Белок, закрывающий титин, известный как телетонин , кодируется геном TCAP и помогает в развитии Т-канальцев и потенциально отвечает за увеличение количества Т-канальцев, наблюдаемых по мере роста мышц.
Функция
Муфта возбуждения-сжатия
Т-канальцы являются важным звеном в цепи от электрического возбуждения клетки до ее последующего сокращения (сцепление возбуждения-сокращения). Когда необходимо сокращение мышцы, стимуляция нерва или соседней мышечной клетки вызывает характерный поток заряженных частиц через клеточную мембрану, известный как потенциал действия . В состоянии покоя на внутренней стороне мембраны меньше положительно заряженных частиц по сравнению с внешней стороной, и мембрана описывается как поляризованная. Во время потенциала действия положительно заряженные частицы (преимущественно ионы натрия и кальция) проходят через мембрану снаружи внутрь. Это меняет нормальный дисбаланс заряженных частиц и называется деполяризацией . Одна область мембраны деполяризует соседние области, и результирующая волна деполяризации затем распространяется вдоль клеточной мембраны. Поляризация мембраны восстанавливается, когда ионы калия проходят через мембрану изнутри наружу клетки.
В клетках сердечной мышцы, когда потенциал действия проходит по Т-канальцам, он активирует кальциевые каналы L-типа в мембране Т-канальцев. Активация кальциевого канала L-типа позволяет кальцию проникать в клетку. Т-канальцы содержат более высокую концентрацию кальциевых каналов L-типа, чем остальная часть сарколеммы, и поэтому большая часть кальция, поступающего в клетку, происходит через Т-канальцы. Этот кальций связывается и активирует рецептор, известный как рецептор рианодина , расположенный в собственном внутреннем хранилище кальция клетки, саркоплазматическом ретикулуме. Активация рецептора рианодина вызывает высвобождение кальция из саркоплазматической сети, вызывая сокращение мышечной клетки. Однако в клетках скелетных мышц кальциевый канал L-типа непосредственно прикреплен к рецептору рианодина на саркоплазматическом ретикулуме, что позволяет активировать рецептор рианодина напрямую без необходимости притока кальция.
Важность Т-канальцев не только из-за их концентрации кальциевых каналов L-типа, но также заключается в их способности синхронизировать высвобождение кальция внутри клетки. Быстрое распространение потенциала действия по сети Т-канальцев активирует все кальциевые каналы L-типа почти одновременно. Поскольку Т-канальцы приближают сарколемму к саркоплазматическому ретикулуму во всех областях клетки, тогда кальций может высвобождаться из саркоплазматического ретикулума по всей клетке одновременно. Эта синхронизация высвобождения кальция позволяет мышечным клеткам сокращаться более сильно. В клетках, лишенных Т-канальцев, таких как гладкомышечные клетки , больные кардиомиоциты или мышечные клетки, в которых Т-канальцы были искусственно удалены, кальций, который попадает в сарколемму, должен постепенно диффундировать по клетке, активируя рецепторы рианодина гораздо медленнее. как волна кальция, ведущая к менее сильному сокращению.
Поскольку Т-канальцы являются основным местом взаимодействия возбуждения и сокращения, ионные каналы и белки, участвующие в этом процессе, сосредоточены здесь - внутри мембраны Т-канальцев расположено в 3 раза больше кальциевых каналов L-типа по сравнению с остальными. сарколеммы. Кроме того, бета-адренорецепторы также сильно сконцентрированы в мембране Т-канальцев, и их стимуляция увеличивает высвобождение кальция из саркоплазматического ретикулума.
Контроль кальция
Поскольку пространство внутри просвета Т-канальца непрерывно с пространством, окружающим клетку (внеклеточное пространство), концентрации ионов между ними очень похожи. Однако из-за важности ионов в Т-канальцах (особенно кальция в сердечной мышце) очень важно, чтобы эти концентрации оставались относительно постоянными. Поскольку Т-канальцы очень тонкие, они по существу задерживают ионы. Это важно, поскольку, независимо от концентрации ионов в другом месте клетки, Т-канальцы все еще содержат достаточно ионов кальция, чтобы обеспечить сокращение мышц. Следовательно, даже если концентрация кальция вне клетки падает ( гипокальциемия ), концентрация кальция в Т-канальце остается относительно постоянной, позволяя сердечному сокращению продолжаться.
Помимо того, что Т-канальцы являются местом входа кальция в клетку, они также являются местом удаления кальция. Это важно, поскольку это означает, что уровень кальция в клетке можно строго контролировать на небольшой площади (например, между Т-канальцем и саркоплазматической сетью, известной как местный контроль). Такие белки, как натрий-кальциевый обменник и сарколеммальная АТФаза, расположены в основном в мембране Т-канальца. Обменник натрия-кальция пассивно удаляет один ион кальция из клетки в обмен на три иона натрия. Таким образом, в качестве пассивного процесса он может позволить кальцию течь в клетку или из клетки в зависимости от комбинации относительных концентраций этих ионов и напряжения на клеточной мембране ( электрохимический градиент ). Кальциевая АТФаза активно удаляет кальций из клетки, используя энергию, полученную из аденозинтрифосфата (АТФ).
Детубуляция
Чтобы изучить функцию Т-канальцев, Т-канальцы можно искусственно отделить от поверхностной мембраны с помощью техники, известной как детубуляция . Во внеклеточный раствор, окружающий клетки, можно добавлять химические вещества, такие как глицерин или формамид (для скелетных и сердечных мышц соответственно). Эти агенты увеличивают осмолярность внеклеточного раствора, вызывая сокращение клеток. Когда эти агенты удаляются, клетки быстро расширяются и возвращаются к своему нормальному размеру. Это сжатие и повторное расширение клетки заставляет Т-канальцы отделяться от поверхностной мембраны. Альтернативно, осмолярность внеклеточного раствора может быть уменьшена, например, с использованием гипотонического физиологического раствора, вызывая временное набухание клеток. Возвращение внеклеточного раствора к нормальной осмолярности позволяет клеткам вернуться к своему прежнему размеру, что снова приводит к детубуляции.
История
Идея клеточной структуры, которая позже стала известна как Т-трубочка, была впервые предложена в 1881 году. Очень короткий промежуток времени между стимуляцией поперечно-полосатой мышечной клетки и ее последующим сокращением был слишком коротким, чтобы быть вызванным сигнальным химическим веществом, перемещающимся на расстояние. между сарколеммой и саркоплазматической сетью. Поэтому было высказано предположение, что мешочки мембраны, проникающие в клетку, могут объяснить очень быстрое начало сокращения, которое наблюдалось. Только в 1897 году были замечены первые Т-канальцы с использованием световой микроскопии для изучения сердечной мышцы, в которую были введены туши . Технологии визуализации продвинулись вперед, и с появлением просвечивающей электронной микроскопии структура Т-канальцев стала более очевидной, что привело к описанию продольного компонента сети Т-канальцев в 1971 году. В 1990-х и 2000-х годах конфокальная микроскопия позволила осуществить трехмерную реконструкцию. сети Т-канальцев и количественной оценки размера и распределения Т-канальцев, а также важные взаимосвязи между Т-канальцами и высвобождением кальция начали выясняться с открытием искр кальция . В то время как ранние исследования были сосредоточены на желудочковой сердечной мышце и скелетных мышцах, в 2009 году наблюдалась обширная сеть Т-канальцев в клетках предсердной сердечной мышцы. Текущие исследования сосредоточены на регуляции структуры Т-канальцев и на том, как на Т-канальцы влияют сердечно-сосудистые заболевания и как они способствуют их развитию.
Клиническое значение
Структура Т-канальцев может быть изменена болезнью, которая в сердце может способствовать слабости сердечной мышцы или нарушениям сердечного ритма. Изменения, наблюдаемые при заболевании, варьируются от полной потери Т-канальцев до более тонких изменений их ориентации или паттернов ветвления. Т-канальцы могут быть потеряны или повреждены после инфаркта миокарда , а также нарушены в желудочках у пациентов с сердечной недостаточностью , что способствует снижению силы сокращения и потенциально снижает шансы на выздоровление. Сердечная недостаточность также может вызывать почти полную потерю Т-канальцев кардиомиоцитами предсердий, снижая сократимость предсердий и потенциально способствуя фибрилляции предсердий .
Структурные изменения в Т-канальцах могут привести к тому, что кальциевые каналы L-типа отойдут от рецепторов рианодина. Это может увеличить время, необходимое для повышения уровня кальция в клетке, что приведет к более слабым сокращениям и аритмиям . Однако неупорядоченная структура Т-канальца не может быть постоянной, поскольку некоторые предполагают, что ремоделирование Т-канальца может быть обращено вспять с помощью интервальных тренировок .