Т-трубочка - T-tubule

Т-трубочка
Blausen 0801 SkeletalMuscle.png
Скелетные мышцы, с Т-трубочкой, отмеченной в увеличенном масштабе.
1023 T-tubule.jpg
Строение Т-канальца и отношение к саркоплазматический ретикулум в скелетных мышцах
Подробности
ЧастьКлеточная мембрана из Скелетные мышцы и сердечная мышца клетки.
Идентификаторы
латинскийпоперечный каналец
THH2.00.05.2.01018, H2.00.05.2.02013
Анатомическая терминология

Т-канальцы (поперечные канальцы) являются продолжениями клеточной мембраны, проникающими в центр скелетный и сердечная мышца клетки. С мембранами, содержащими большие концентрации ионные каналы, транспортеры и насосы, Т-канальцы обеспечивают быструю передачу потенциал 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.[1] На структуру Т-канальца может влиять болезнь, что потенциально способствует сердечная недостаточность и аритмии. Хотя эти структуры были впервые замечены в 1897 году, исследования биологии Т-канальцев продолжаются.

Структура

Т-трубочки - это трубочки, образованные из одного и того же фосфолипидный бислой как поверхностная мембрана или сарколемма клеток скелета или сердечной мышцы.[1] Они соединяются непосредственно с сарколеммой на одном конце перед тем, как продвигаться вглубь клетки, образуя сеть канальцев, секции которых проходят как перпендикулярно (поперечно), так и параллельно (в осевом направлении) сарколемме.[1] Из-за такой сложной ориентации некоторые называют Т-канальцы поперечно-осевой трубчатой ​​системой.[2] 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, является не просто пассивной соединительной трубкой, она очень активна и усеяна белками, включая Кальциевые каналы L-типа, натрий-кальциевые обменники, кальциевые АТФазы и Бета-адренорецепторы.[1]

Т-канальцы находятся в обоих предсердный и желудочковый клетки сердечной мышцы (кардиомиоциты ), у которых они развиваются в первые несколько недель жизни.[3] Они обнаруживаются в мышечных клетках желудочков у большинства видов и в мышечных клетках предсердий крупных млекопитающих.[4] В клетках сердечной мышцы Т-канальцы имеют диаметр от 20 до 450 нанометров и обычно расположены в областях, называемых Z-диски где актиновые филаменты закрепляются внутри клетки.[1] Т-канальцы в сердце тесно связаны с внутриклеточным запасом кальция, известным как саркоплазматический ретикулум в определенных областях, называемых терминальными цистернами. Связь Т-канальца с терминальной цистерной известна как диада.[5]

В клетках скелетных мышц Т-канальцы имеют диаметр от 20 до 40 нм и обычно располагаются по обе стороны от миозиновой полоски, на стыке перекрытия между полосами А и I. Т-канальцы в скелетных мышцах связаны с двумя терминальными цистернами, известными как триада.[1][6]

Регуляторы

Форма системы Т-канальцев создается и поддерживается множеством белков. Протеин 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.[7] Юнктофилин-2 кодируется геном JPH2 и помогает сформировать соединение между мембраной Т-канальца и саркоплазматическим ретикулумом, жизненно важным для связь возбуждения-сжатия.[5] Кепирующий белок титин или телетонин кодируется геном TCAP и помогает в развитии Т-канальцев и потенциально отвечает за увеличение количества Т-канальцев, наблюдаемых по мере роста мышц.[5]

Функция

Муфта возбуждения-сжатия

Смотрите также: 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 заряженные частицы через клеточную мембрану, известную 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.[8] Поляризация мембраны восстанавливается, когда ионы калия проходят через мембрану изнутри наружу клетки.

В клетках сердечной мышцы, когда потенциал действия передается 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.[9] Этот кальций связывается и активирует рецептор, известный как рецептор рианодина, расположенный на собственном внутреннем хранилище кальция клетки, саркоплазматическом ретикулуме. Активация рецептора рианодина вызывает высвобождение кальция из саркоплазматической сети, вызывая сокращение мышечной клетки.[10] В скелетные мышцы Однако в клетках кальциевый канал L-типа непосредственно прикреплен к рецептору рианодина на саркоплазматическом ретикулуме, что позволяет активировать рецептор рианодина напрямую, без необходимости притока кальция.[11]

Важность Т-канальцев обусловлена ​​не только концентрацией в них кальциевых каналов L-типа, но также их способностью 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.[12] В клетках без Т-канальцев, таких как гладкомышечные клетки, больных кардиомиоцитов или мышечных клеток, 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.[12]

Поскольку Т-канальцы являются основным местом взаимодействия возбуждения и сокращения, ионные каналы и белки, участвующие в этом процессе, сосредоточены здесь - в мембране 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,[13] и их стимуляция увеличивает высвобождение кальция из саркоплазматического ретикулума.[14]

Контроль кальция

Поскольку пространство в просвете 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 других частях клетки, Т-канальцы все еще содержат достаточно ионов кальция для сокращения мышц. Следовательно, даже если концентрация кальция вне клетки падает (гипокальциемия ), концентрация кальция в Т-канальце остается относительно постоянной, позволяя сердечному сокращению продолжаться.[5]

Помимо того, что Т-канальцы являются местом поступления 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 (то есть между Т-канальцем и саркоплазматической сетью, известной как местный контроль).[15] Такие белки, как натрий-кальциевый обменник и сарколеммальная АТФаза, расположены в основном в мембране Т-канальца.[5] 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 нее в зависимости от комбинации относительных концентраций этих ионов и напряжения на клеточной мембране ( электрохимический градиент ).[8] Кальциевая АТФаза активно удаляет кальций из клетки, используя энергию, полученную из аденозинтрифосфат (АТФ).[8]

Детубуляция

Чтобы изучить функцию Т-канальцев, Т-канальцы можно искусственно отделить от поверхностной мембраны с помощью метода, известного как детубуляция. Химические вещества, такие как глицерин[16] или же формамид[12] (для скелетных и сердечных мышц соответственно) могут быть добавлены к внеклеточному раствору, окружающему клетки. 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.[17] В качестве альтернативы, 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.[18]

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.[19][20] Первые Т-канальцы были замечены только в 1897 году. световая микроскопия для исследования сердечной мышцы, в которую вводят Тушь. Технологии визуализации продвинуты, и с появлением просвечивающая электронная микроскопия структура Т-канальцев стала более очевидной[21] привело к описанию продольного компонента сети Т-канальцев в 1971 г.[22] В 1990-е и 2000-е годы конфокальная микроскопия позволил трехмерную реконструкцию сети Т-канальцев и количественную оценку размера и распределения Т-канальцев,[23] и важные взаимоотношения между Т-канальцами и высвобождение кальция начали распутываться с открытием искры кальция.[24] 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.[25] 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.[26]

Клиническое значение

Структура Т-канальцев может быть изменена в результате заболевания, которое в сердце может способствовать слабости сердечной мышцы или нарушению сердечного ритма. Изменения, наблюдаемые при заболевании, варьируются от полной потери Т-канальцев до более тонких изменений их ориентации или паттернов ветвления.[27] Т-канальцы могут быть потеряны или повреждены после инфаркт миокарда,[27] а также нарушаются в желудочках пациентов с сердечная недостаточность, что способствует снижению силы сжатия и потенциально снижает шансы на восстановление.[28] Сердечная недостаточность также может вызывать почти полную потерю Т-канальцев кардиомиоцитами предсердий, снижая сократимость предсердий и потенциально способствуя мерцательная аритмия.[25]

Структурные изменения в Т-канальцах могут привести к тому, что кальциевые каналы L-типа отходят от рецепторов рианодина. Это может увеличить время, необходимое для повышения уровня кальция в клетке, что приведет к более слабым сокращениям и аритмии.[5][25] Однако неупорядоченная структура Т-канальца может быть непостоянной, поскольку некоторые предполагают, что ремоделирование Т-канальца может быть обращено вспять с помощью интервальная тренировка.[5]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж Хонг, Тингтин; Шоу, Робин М. (01.01.2017). «Микроанатомия и функция сердечных Т-канальцев». Физиологические обзоры. 97 (1): 227–252. Дои:10.1152 / Physrev.00037.2015. ISSN  0031-9333. ЧВК  6151489. PMID  27881552.
  2. ^ Феррантини, Сесилия; Коппини, Раффаэле; Саккони, Леонардо; Този, Бенедетта; Чжан, Мэй Ло; Ван, Го Лян; Vries, Ewout de; Хоппенбрауэрс, Эрнст; Павоне, Франческо (2014-06-01). «Влияние детубуляции на силу и кинетику сокращения сердечной мышцы». Журнал общей физиологии. 143 (6): 783–797. Дои:10.1085 / jgp.201311125. ЧВК  4035744. PMID  24863933.
  3. ^ Хэддок, Питер С .; Coetzee, William A .; Чо, Эмили; Портер, Лиза; Като, Хидеки; Берс, Дональд М .; Джафри, М. Салит; Артман, Майкл (1999-09-03). «Субклеточные градиенты [Ca2 +] i при взаимодействии возбуждения и сокращения в желудочковых миоцитах новорожденных кроликов». Циркуляционные исследования. 85 (5): 415–427. Дои:10.1161 / 01.RES.85.5.415. ISSN  0009-7330. PMID  10473671.
  4. ^ Richards, M. A .; Clarke, J.D .; Сараванан, П .; Voigt, N .; Добрев, Д .; Эйснер, Д. А .; Траффорд, А. В .; Дибб, К. М. (ноябрь 2011 г.). «Поперечные канальцы являются обычным явлением в миоцитах предсердий крупных млекопитающих, включая человека». Американский журнал физиологии. Сердце и физиология кровообращения. 301 (5): H1996–2005. Дои:10.1152 / ajpheart.00284.2011. ISSN  1522-1539. ЧВК  3213978. PMID  21841013.
  5. ^ а б c d е ж грамм Ибрагим, М .; Горелик, Дж .; Yacoub, M. H .; Терраччано, К. М. (22 сентября 2011 г.). «Структура и функция сердечных t-канальцев при здоровье и болезни». Труды Королевского общества B: биологические науки. 278 (1719): 2714–2723. Дои:10.1098 / rspb.2011.0624. ЧВК  3145195. PMID  21697171.
  6. ^ «4. Обратный захват и расслабление кальция». www.bristol.ac.uk. Получено 2017-02-21.
  7. ^ Колдуэлл, Джессика Л .; Смит, Шарлотта Э. Р .; Тейлор, Ребекка Ф .; Китмитто, Ашраф; Эйснер, Дэвид А .; Дибб, Кэтрин М .; Траффорд, Эндрю В. (05.12.2014). «Зависимость поперечных канальцев сердца от BAR домена, белка амфифизина II (BIN-1)». Циркуляционные исследования. 115 (12): 986–996. Дои:10.1161 / CIRCRESAHA.116.303448. ISSN  1524-4571. ЧВК  4274343. PMID  25332206.
  8. ^ а б c М., Берс Д. (2001). Связь между возбуждением и сокращением и сократительная сила сердца (2-е изд.). Дордрехт: Kluwer Academic Publishers. ISBN  9780792371588. OCLC  47659382.
  9. ^ Scriven, D. R .; Dan, P .; Мур, Э. Д. (ноябрь 2000 г.). «Распределение белков, участвующих в сопряжении возбуждения и сокращения в миоцитах желудочков крыс». Биофизический журнал. 79 (5): 2682–2691. Bibcode:2000BpJ .... 79.2682S. Дои:10.1016 / S0006-3495 (00) 76506-4. ISSN  0006-3495. ЧВК  1301148. PMID  11053140.
  10. ^ Берс, Дональд М. (10 января 2002 г.). «Связь возбуждения-сокращения сердца». Природа. 415 (6868): 198–205. Bibcode:2002Натура.415..198Б. Дои:10.1038 / 415198a. ISSN  0028-0836. PMID  11805843.
  11. ^ Реббек, Робин Т .; Карунасекара, Ямуна; Правление, Philip G .; Борода, Николь А .; Casarotto, Marco G .; Дулханти, Анджела Ф. (01.03.2014). «Сопряжение возбуждения-сокращения скелетных мышц: кто партнеры в танце?». Международный журнал биохимии и клеточной биологии. 48: 28–38. Дои:10.1016 / j.biocel.2013.12.001. ISSN  1878-5875. PMID  24374102.
  12. ^ а б c Феррантини, Сесилия; Коппини, Раффаэле; Саккони, Леонардо; Този, Бенедетта; Чжан, Мэй Ло; Ван, Го Лян; де Вриз, Эуут; Хоппенбрауэрс, Эрнст; Павоне, Франческо (2014-06-01). «Влияние детубуляции на силу и кинетику сокращения сердечной мышцы». Журнал общей физиологии. 143 (6): 783–797. Дои:10.1085 / jgp.201311125. ISSN  1540-7748. ЧВК  4035744. PMID  24863933.
  13. ^ Laflamme, M.A .; Беккер, П. Л. (1999-11-01). «G (s) и аденилилциклаза в поперечных канальцах сердца: значение для цАМФ-зависимой передачи сигналов». Американский журнал физиологии. 277 (5, часть 2): H1841–1848. Дои:10.1152 / ajpheart.1999.277.5.H1841. ISSN  0002-9513. PMID  10564138.
  14. ^ Берс, Дональд М. (15 мая 2006 г.). «Фосфорилирование сердечных рианодиновых рецепторов: сайты-мишени и функциональные последствия». Биохимический журнал. 396 (Pt 1): e1–3. Дои:10.1042 / BJ20060377. ISSN  0264-6021. ЧВК  1450001. PMID  16626281.
  15. ^ Hinch, R., Greenstein, J.L., Tanskanen, A.J., Xu, L. и Winslow, R.L. (2004) «Упрощенная модель локального контроля индуцированного кальцием высвобождения кальция в миоцитах желудочков сердца», 87 (6).
  16. ^ Фрейзер, Джеймс А .; Скеппер, Джереми Н .; Hockaday, Austin R .; Хуан1, Кристофер Л.-Х. (1998-08-01). «Процесс тубулярной вакуолизации в скелетных мышцах земноводных». Журнал исследований мышц и подвижности клеток. 19 (6): 613–629. Дои:10.1023 / А: 1005325013355. ISSN  0142-4319. PMID  9742446.
  17. ^ Каваи М., Хусейн М., Орчард СН (1999). «Связь возбуждения-сокращения в миоцитах желудочков крыс после детубуляции, вызванной формамидом». Am J Physiol. 277 (2): H603-9. Дои:10.1152 / ajpheart.1999.277.2.H603. PMID  10444485.
  18. ^ Moench, I .; Meekhof, K. E .; Cheng, L. F .; Лопатин, А. Н. (июль 2013 г.). «Разрешение гипосмотического стресса в изолированных миоцитах желудочков мышей вызывает герметизацию t-канальцев». Экспериментальная физиология. 98 (7): 1164–1177. Дои:10.1113 / expphysiol.2013.072470. ISSN  1469-445X. ЧВК  3746342. PMID  23585327.
  19. ^ Хаксли, А. Ф. (1971-06-15). «Активация поперечно-полосатой мышцы и ее механический ответ». Труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки. 178 (1050): 1–27. Дои:10.1098 / rspb.1971.0049. ISSN  0950-1193. PMID  4397265.
  20. ^ Хилл, А. В. (октябрь 1949 г.). «Резкий переход от покоя к активности мышц». Труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки. 136 (884): 399–420. Bibcode:1949RSPSB.136..399H. Дои:10.1098 / rspb.1949.0033. ISSN  0950-1193. PMID  18143369.
  21. ^ Линднер, Э. (1957). «[Субмикроскопическая морфология сердечной мышцы]». Zeitschrift für Zellforschung und Mikroskopische Anatomie. 45 (6): 702–746. ISSN  0340-0336. PMID  13456982.
  22. ^ Sperelakis, N .; Рубио, Р. (август 1971 г.). «Упорядоченная решетка осевых канальцев, которые соединяют смежные поперечные канальцы в миокарде желудочков морских свинок». Журнал молекулярной и клеточной кардиологии. 2 (3): 211–220. Дои:10.1016 / 0022-2828 (71) 90054-х. ISSN  0022-2828. PMID  5117216.
  23. ^ Савио-Галимберти, Элеонора; Фрэнк, Джой; Иноуэ, Масаси; Голдхабер, Джошуа I .; Каннелл, Марк Б .; Бридж, Джон Х. Б.; Сакс, Франк Б. (август 2008 г.). «Новые особенности поперечной трубчатой ​​системы кролика, выявленные путем количественного анализа трехмерных реконструкций по конфокальным изображениям». Биофизический журнал. 95 (4): 2053–2062. Bibcode:2008BpJ .... 95.2053S. Дои:10.1529 / biophysj.108.130617. ISSN  1542-0086. ЧВК  2483780. PMID  18487298.
  24. ^ Cheng, H .; Lederer, W. J .; Каннелл, М. Б. (1993-10-29). «Кальциевые искры: элементарные события, лежащие в основе связи возбуждения и сокращения в сердечной мышце». Наука. 262 (5134): 740–744. Bibcode:1993Наука ... 262..740C. Дои:10.1126 / science.8235594. ISSN  0036-8075. PMID  8235594.
  25. ^ а б c Дибб, Кэтрин М .; Кларк, Джессика Д .; Хорн, Марго А .; Richards, Mark A .; Грэм, Хелен К .; Эйснер, Дэвид А .; Траффорд, Эндрю В. (сентябрь 2009 г.). «Характеристика обширной сети поперечных канальцев в миоцитах предсердий овец и их истощение при сердечной недостаточности». Циркуляция: сердечная недостаточность. 2 (5): 482–489. Дои:10.1161 / CIRCHEARTFAILURE.109.852228. ISSN  1941-3297. PMID  19808379.
  26. ^ Эйснер, Дэвид А .; Колдуэлл, Джессика Л .; Кистамаш, Корнел; Траффорд, Эндрю В. (07.07.2017). "Кальций и взаимодействие возбуждения-сокращения в сердце". Циркуляционные исследования. 121 (2): 181–195. Дои:10.1161 / CIRCRESAHA.117.310230. ISSN  1524-4571. ЧВК  5497788. PMID  28684623.
  27. ^ а б Пинали, Кристиан; Малик, Надим; Давенпорт, Дж. Бернар; Аллан, Лоуренс Дж .; Мерфитт, Люси; Iqbal, Mohammad M .; Boyett, Mark R .; Райт, Элизабет Дж .; Уокер, Рэйчел (2017-05-04). «Постинфарктные Т-канальцы образуют расширенные разветвленные структуры с нарушением регуляции юнктофилина-2 и мостикового интегратора 1 (BIN-1)». Журнал Американской кардиологической ассоциации. 6 (5). Дои:10.1161 / JAHA.116.004834. ISSN  2047-9980. ЧВК  5524063. PMID  28473402.
  28. ^ Зайдель, Томас; Наванкасаттусы, Сутип; Ахмад, Азми; Diakos, Nikolaos A .; Сюй, Вейнинг Давид; Тристани-Фирузи, Мартин; Бониос, Майкл Дж .; Талеб, Иосиф; Ли, Дин Ю. (2017-04-25). «Пластинчатое ремоделирование поперечной трубчатой ​​системы при сердечной недостаточности человека ухудшает связь возбуждения и сокращения и функциональное восстановление за счет механической разгрузки». Тираж. 135 (17): 1632–1645. Дои:10.1161 / CIRCULATIONAHA.116.024470. ISSN  1524-4539. ЧВК  5404964. PMID  28073805.