Кальциевые искры

Кальциевая искра — это микроскопическое высвобождение кальция ( Ca ²⁺ ) из хранилища, известного как саркоплазматический ретикулум (SR) , расположенного внутри мышечных клеток . ^[1] Это высвобождение происходит через ионный канал в мембране SR , известный как рианодиновый рецептор (RyR) , который открывается при активации. ^[2] Этот процесс важен, поскольку он помогает поддерживать концентрацию Ca ^{2+ внутри} клетки . Он также инициирует сокращение мышц в скелетных и сердечных мышцах и расслабление мышц в гладких мышцах . Ca 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, ^[3] , так и об изменениях всей клетки.

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

• Тип 1 – встречается в основном в скелетных мышцах.
• Тип 2 – встречается в основном в сердце
• Тип 3 – встречается в основном в мозге

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

Электрические импульсы, известные как потенциалы действия , перемещаются вдоль клеточной мембраны (сарколеммы) мышечных клеток . ^[5] В сарколемме гладкомышечных клеток расположены рецепторы, называемые дигидропиридиновыми рецепторами (DHPR). Однако в скелетных и сердечных мышечных клетках эти рецепторы расположены внутри структур, известных как Т-трубочки, которые являются расширениями плазматической мембраны, проникающими глубоко в клетку (см. рисунок 1). ^{[6] [7]} Эти DHPR расположены прямо напротив рианодиновых рецепторов , расположенных на саркоплазматическом ретикулуме ^[8], и активация потенциалом действия заставляет DHPR изменять форму. ^[9]

В сердечной и гладкой мышце активация DHPR приводит к формированию ионного канала . ^[10] Это позволяет Ca ²⁺ проникать 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 кальций-индуцированное высвобождение кальция . ^[11]

Однако в скелетных мышцах DHPR касается RyR. Поэтому изменение формы DHPR активирует RyR напрямую, без необходимости предварительного поступления Ca ²⁺ в клетку. Это заставляет RyR открываться, позволяя Ca ²⁺ высвобождаться из SR. ^[12]

Искры Ca ²⁺ также могут возникать в клетках в состоянии покоя (т. е. клетках, которые не были стимулированы потенциалом действия). Это происходит примерно 100 раз в секунду в каждой клетке ^[13] и является результатом слишком высокой концентрации Ca ²⁺ . Считается, что увеличение Ca ²⁺ в SR связывается с чувствительными к Ca ²⁺ участками внутри RyR, вызывая открытие канала. Кроме того, белок, называемый кальсеквестрин (находится в SR), отсоединяется от RyR, когда концентрация кальция слишком высока, снова позволяя каналу открыться (см. саркоплазматический ретикулум для получения более подробной информации). Аналогичным образом, снижение концентрации Ca ²⁺ в SR также, как было доказано, снижает чувствительность RyR. Считается, что это происходит из-за того, что кальсеквестрин сильнее связывается с RyR, предотвращая его открытие и уменьшая вероятность спонтанной искры. ^[14]

В одной сердечной клетке находится около 10 000 кластеров рианодиновых рецепторов , причем каждый кластер содержит около 100 рианодиновых рецепторов. ^[13] Во время одной спонтанной искры, когда Ca ²⁺ высвобождается из SR, Ca ²⁺ диффундирует по всей клетке . 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 обычно в одной искре недостаточно Ca ^{2+ , чтобы достичь соседнего кластера} рецепторов . ^[13] Однако кальций может подать обратный сигнал DHPR, заставляя его закрываться и предотвращая дальнейший приток кальция. Это известно как отрицательная обратная связь . ^[15]

Увеличение концентрации Ca ²⁺ внутри клетки или создание более крупной 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 волне высвобождения кальция Ca ²⁺ , распространяющейся 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⁺ по всей клетке (не только локально) и известно как транзиент Ca ²⁺ по всей клетке . Затем этот Ca ²⁺ связывается с белком, называемым тропонином , инициируя сокращение, через группу белков, известных как миофиламенты. ^[16]

В клетках гладких мышц Ca ^2+, высвобождаемый во время искры, используется для мышечной релаксации. Это происходит потому, что Ca ^2+, который попадает в клетку через DHPR в ответ на потенциал действия , стимулирует как сокращение мышц, так и высвобождение кальция из SR. Ca ^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 хлора выходить из клетки . Результатом этого движения ионов является то, что мембранное напряжение становится более отрицательным. Это дезактивирует DHPR (который был активирован положительным мембранным потенциалом, созданным потенциалом действия), заставляя его закрываться и останавливая поток Ca ²⁺ в клетку, что приводит к релаксации. ^[17]

Механизм, посредством которого прекращается высвобождение Ca ²⁺ SR , до сих пор не полностью изучен. Основные современные теории изложены ниже:

Эта теория предполагает, что во время кальциевой искры, когда кальций вытекает из SR, концентрация Ca ²⁺ внутри SR становится слишком низкой. Однако это не считалось случаем спонтанных искр, поскольку общий выброс во время искры Ca ²⁺ мал по сравнению с общим содержанием Ca ²⁺ в SR , и исследователи создавали искры, длящиеся более 200 миллисекунд, тем самым показывая, что после «нормальной» (200 мс) искры в SR все еще остается достаточно Ca ^{2+ . [18]} Однако локальное истощение в соединительном SR может быть намного больше, чем считалось ранее (см. ^[19] ). Однако во время активации большого количества рианодиновых рецепторов, как и в случае с электрически вызванным высвобождением Ca ²⁺ , весь SR примерно на 50% истощен Ca ²⁺ , и этот механизм будет играть важную роль в повторном запуске высвобождения.

Несмотря на сложное название, эта идея просто предполагает, что все рианодиновые рецепторы в кластере и связанные с ними дигидропиридиновые рецепторы случайно закрываются в одно и то же время. Это не только предотвратит высвобождение кальция из SR, но и остановит стимул для высвобождения кальция (т. е. поток кальция через DHPR). ^[20] Однако из-за большого количества RyR и DHPR в одной клетке эта теория кажется нереалистичной, поскольку существует очень малая вероятность того, что они все закроются одновременно в одно и то же время. ^[18]

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 открыт повторно, даже если присутствует кальций (т. е. RyR инактивируется), либо канал может быть открыт повторно, однако для его активации требуется больше кальция, чем обычно (т. е. RyR находится в фазе адаптации). Это означало бы, что RyR будут закрываться один за другим, тем самым прекращая искру. ^[20]

Эта теория предполагает, что все три вышеперечисленные теории играют роль в предотвращении высвобождения кальция. ^[21]

Спонтанные выбросы Ca ²⁺ были обнаружены в клетках сердечной мышцы крыс в 1992 году Писом Ченгом и Марком Б. Кэннеллом 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 возникнуть естественным образом в организме. Однако они быстро были признаны имеющими фундаментальное значение для мышечной физиологии , играющими огромную роль в сопряжении возбуждения и сокращения.

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

Из-за важности искр Ca ²⁺ для объяснения регулирующих свойств рецепторов рианодина in situ (внутри организма) многие исследования были сосредоточены на улучшении их обнаруживаемости ^{[22] [23]} в надежде, что благодаря точному и надежному обнаружению всех событий искр Ca ²⁺ их истинные свойства наконец-то помогут нам ответить на неразгаданную тайну прекращения искры.

• Выделение кальция, вызванное кальцием
• Конфокальная микроскопия
• Рианодиновый рецептор

Программное обеспечение

• SparkMaster - Автоматизированный анализ искры Ca2+ с помощью ImageJ - Бесплатное программное обеспечение для анализа искры Ca2 ⁺ на конфокальных линейных сканирующих изображениях