Кальциевые искры - Википедия - Calcium sparks

А кальциевая искра микроскопическое высвобождение кальция (Ca²⁺ ) из магазина, известного как саркоплазматический ретикулум (SR), расположенный в мышечные клетки.^[1] Этот выпуск происходит через ионный канал в пределах мембрана из SR, известный как рецептор рианодина (RyR), который открывается при активации.^[2] Этот процесс важен, поскольку он помогает поддерживать Ca²⁺ концентрация внутри клетка. Он также инициирует сокращение мышц в скелетный и сердечные мышцы и расслабление мышц в гладкие мышцы. Ca²⁺ искры важны в физиологии, поскольку они показывают, как Са²⁺ может использоваться на субклеточном уровне, чтобы сигнализировать о локальных изменениях, известных как локальный контроль,^[3] а также изменения всей клетки.

Активация

Как упоминалось выше, Ca²⁺ Искры зависят от открытия рианодиновых рецепторов, которых существует три типа:

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

Открытие канала позволяет Ca²⁺ перейти от SR, в камеру. Это увеличивает местный Ca²⁺ концентрация вокруг RyR в 10 раз.^[4] Искры кальция могут быть вызванными или спонтанными, как описано ниже.

Рисунок 1: Вызванная искра кальция в клетке сердечной мышцы.

Вызванный

Электрические импульсы, известные как потенциалы действия, путешествуют по клеточной мембране (сарколемме) мышечные клетки.^[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, проникающими глубоко в клетку (см. Рисунок 1).^[6][7] Эти DHPR расположены прямо напротив рианодиновые рецепторы, расположенный на саркоплазматический ретикулум^[8] и активация потенциалом действия заставляет DHPR изменять форму.^[9]

В сердечный и гладкая мышца, активация DHPR приводит к формированию ионный канал.^[10] Это позволяет Ca²⁺ перейти в клетка, увеличивая локальный Ca²⁺ концентрация, вокруг RyR. Когда четыре Ca²⁺ молекулы связываются с RyR, он открывается, что приводит к большему высвобождению Ca²⁺, от SR. Этот процесс использования Ca²⁺ активировать выпуск Ca²⁺ от SR известен как кальций-индуцированное высвобождение кальция.^[11]

Однако в скелетных мышцах DHPR соприкасается с RyR. Следовательно, изменение формы DHPR активирует RyR напрямую, без необходимости в Ca²⁺ залить в камеру первым. Это вызывает открытие RyR, позволяя Ca²⁺ быть освобожденным от СР.^[12]

Спонтанный

Ca²⁺ искры 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 Ca²⁺ концентрация слишком высока. Повышение Ca²⁺ внутри SR связывается с Ca²⁺ чувствительные сайты внутри RyR, вызывающие открытие канала. Кроме того, белок под названием кальсеквестрин (находится внутри SR) отделяется от RyR, когда концентрация кальция слишком высока, снова позволяя каналу открыться (см. саркоплазматический ретикулум Больше подробностей). Точно так же снижение Ca²⁺ 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

Есть примерно 10 000 кластеров рианодиновые рецепторы в одной сердечной клетке, причем каждый кластер содержит около 100 рианодиновых рецепторов.^[13] Во время одиночной самопроизвольной искры, когда Ca²⁺ выпущен из SR, Ca²⁺ начинает двигаться вокруг клетка, точно так же, как запах духов распространяется по комнате при распылении (см. распространение Больше подробностей). Поскольку RyR в сердце активируются Ca²⁺, движение Ca²⁺ высвобожденный во время спонтанной искры, может активировать другие соседние RyR в том же кластере. Однако Ca обычно не хватает.²⁺ присутствует в единственной искре, чтобы достичь соседнего кластера рецепторы.^[13] Однако кальций может передавать сигнал обратно в DHPR, заставляя его закрыться и предотвращая дальнейший приток кальция. Это известно как негативный отзыв.^[15]

Повышение Ca²⁺ концентрация внутри клетка или возникновение большей искры, может привести к высвобождению достаточно большого количества кальция, чтобы соседний кластер мог быть активирован первым. Это называется искровой активацией искры и может привести к образованию Ca²⁺ волна выделения кальция распространяется по клетке.^[13]

Во время вызванного Ca²⁺ искры, все скопления рианодиновые рецепторы, на протяжении клетка активируются почти в одно и то же время. Это приводит к увеличению Ca²⁺ концентрация во всей клетке (а не только локально) и известна как целая клетка Ca²⁺ преходящий. Это Ca²⁺ затем связывается с белком, называемым тропонин, инициируя сокращение, через группу белков, известных как миофиламенты.^[16]

В гладкая мышца клетки, Ca²⁺ высвобождаемый во время искры используется для расслабления мышц. Это потому, что Ca²⁺ что входит в клетка через DHPR в ответ на потенциал действия, стимулирует сокращение мышц и высвобождение кальция из SR. CA²⁺ выпущен во время искры, затем активирует два других ионные каналы на мембране. Один канал позволяет ионы калия войти в клетка, а другой позволяет ионы хлорида оставить клетка. Результат этого движения ионы, 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 останавливать поток Ca²⁺в клетку, что приводит к расслаблению.^[17]

Прекращение

Механизм, с помощью которого SR Ca²⁺ окончание выпуска до сих пор полностью не изучено. Текущая основная теории описаны ниже:

Местное истощение SR Ca²⁺

Эта теория предполагает, что во время кальциевой искры, когда кальций вытекает из SR, концентрация Ca²⁺ внутри SR становится слишком низким. Однако считается, что 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, что показывает, что Ca все еще достаточно.²⁺ осталось в пределах SR после «нормальной» (200 мс) искры.^[18] Однако во время активации большого количества рианодиновых рецепторов, как и в случае вызванных искр, весь SR обеднен Ca²⁺ и поэтому этот механизм все еще может играть роль в прекращении вызванных искр кальция.

Стохастическое истощение

Несмотря на сложное название, эта идея просто предполагает, что все рецепторы рианодина в кластере и связанные с ними дигидропиридиновые рецепторы случайно закрываются в одно и то же время. Это не только предотвратило бы высвобождение кальция из SR, но также остановило бы стимул для высвобождения кальция (т.е. 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 сойдутся вместе в одно и то же время.^[18]

Инактивация / адаптация

Эта теория предполагает, что после активации RyR и последующего высвобождения Ca²⁺, то канал ненадолго закрывается 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 означало бы, что один за другим RyR закрывались, тем самым прекращая искру.^[19]

Теория липких кластеров

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

Открытие

Спонтанный Ca²⁺ искры были обнаружены в клетки сердечной мышцы крыс, в 1992 году Пис Ченг и Марк Б. Каннелл в лаборатории Джона Ледерера в Университете Мэриленда, Балтимор, США.

Изначально идея была отвергнута научным журналом, Природа, которые считали, что искры присутствовали только в лабораторных условиях (т.е.они были артефактами) и поэтому не могли возникнуть в организме естественным образом. Однако быстро было признано, что они имеют фундаментальное значение для мышц. физиология, играющая огромную роль в связи возбуждения-сжатия.

Открытие стало возможным благодаря улучшениям в конфокальные микроскопы. Это позволило обнаружить высвобождение Ca²⁺, которые были выделены с помощью вещества, известного как флюо-3, что вызвало Ca²⁺ светиться. Ca²⁺ «Искры» были названы так из-за спонтанной, локализованной природы Ca²⁺ релиз, а также тот факт, что они являются инициирующим событием связь возбуждения-сжатия.

Обнаружение и анализ

Из-за важности Ca²⁺ искры в объяснении стробирующих свойств рианодиновые рецепторы in situ (внутри тела), многие исследования были сосредоточены на улучшении их обнаруживаемости ^[21][22] в надежде, что путем точного и надежного обнаружения всего Ca²⁺ искры, их истинные свойства могут, наконец, помочь нам разгадать неразгаданную загадку искры.

Смотрите также

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

Рекомендации

внешняя ссылка

Программного обеспечения

• SparkMaster - автоматизированное управление²⁺ Анализ искры с ImageJ - Бесплатное программное обеспечение для Ca²⁺ искровой анализ в конфокальных изображениях