Диссертация (1145903), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Поразительные результаты Рингера, опубликованные в«Физиологическом Журнале» (The Journal of Physiology), должны были бы сразу же вызватьмощный отклик со стороны учёных, однако в течение нескольких десятилетий они оставалисьбез внимания (Сarafoli, 2002).В конце 50-х годов XX в. интерес к сигнальным функциям Са2+ начал резко возрастать,достигнув мощного взрыва в начале ХХI в. В значительной степени этому способствоваларазработка Р. Тьеном и его коллегами флуоресцентных Са2+-зондов на основе хелаторов Са2+(Quin-1, Fura-2, Indo-1 и др.) для прижизненной окраски клеток (Tsien et al., 1984; Grynkiewicz etal., 1985), а также разработка метода локальной фиксации потенциала на мембране (patchclamp) Э.
Неером и Б. Сакманом (Hamill et al., 1981).Таким, образом, в настоящее время Са2+ рассматривается как универсальный вторичныйпосредник в клетках животных, растений и микроорганизмов (Berridge et al., 1998). Повышение[Ca2+]i в ответ на внеклеточные стимулы - это сигнал, который характеризуется определённойамплитудой, длительностью и частотой и запускает различные внутриклеточные процессы(Berridge et al., 1998; Zhu, Birnbaumer, 1998). В то же время в цитоплазме покоящихся клеток[Ca2+]i жестко регулируется и поддерживается на очень низком уровне по сравнению сокружающей средой, поскольку чрезмерное повышение концентрации свободного Са2+гибельно для клетки.
Так, [Ca2+]i составляет около 10-7 М, а в межклеточном пространствеконцентрация Са2+ может достигать 10-3М (Zhu, Birnbaumer, 1998).В регуляции [Ca2+]i участвует целая система клеточных белков.1. Са2+-связывающие белкиПервым исследованным белком, способным связывать Са2+, стал парвальбумин(Kretsinger, 1972). Было выявлено, что в состав данного белка входят особые Са2+-связывающиеучастки, названные «EF-руками» (EF-hands). «EF-рука» представляет собой мотив «спираль –петля – спираль» (helix – loop - helix) и содержит одновалентные анионные карбоксильныегруппы, которые захватывают (хелатируют) двухвалентный катион (Kretsinger, 1972).Парвальбумин был первым идентифицированным представителем обширной группы Са2+связывающих белков, к которой в настоящее время относят около 600 представителей, в томчисле кальмодулин, кальретикулин, кальсеквестрин (Carafoli, 2002).
Было установлено, чтоданные белки не только служат буферами свободного Са2+ в цитозоле и клеточных органеллах,но и выступают в роли Са2+-сенсоров, донося Са2+-сигналы до молекул-мишеней (Сarafoli,2002).132. Белки, транспортирующие Са2+Ключевая роль в транспорте Са2+ между клеткой и внеклеточной средой, а также междуразличными клеточными компартментами принадлежит трансмембранным белкам (Carafoli,2002; Крутецкая и др., 2003). В настоящее время охарактеризованы семейства белков, которыеосуществляют как активный, так и пассивный транспорт ионов Са2+. Система активноготранспорта Са2+ (против градиента концентрации, с затратой энергии АТФ) включает в себяСа2+-АТФазы плазматической мембраны (plasma membrane Ca2+-ATPase, РМСА), Na+/Ca2+обменники (Na+/Ca2+-exchanger, NCX) и Са2+-АТФазы в мембранах внутриклеточных Са2+-депо(Са2+-АТФазы сарко/эндоплазматического ретикулума – Ca2+ ATPases of sarco/endoplasmicreticulum, SERCA-ATPases) (Carafoli, 2002; Крутецкая и др., 2003).
Эти белки транспортируютСа2+ из клетки (РМСА, NCX плазмалеммы) или осуществляют обмен Са2+ между цитоплазмойивнутриклеточнымиорганеллами(Ca2+-АТФазывнутриклеточныхСа2+-депо,NCXмитохондрий) (Carafoli, 2002). К системе пассивного транспорта Са2+ относятся потенциалуправляемые,рецептор-управляемые,депо-зависимыеСа2+-каналы,покоторымСа2+транспортируется в цитозоль из окружающей среды, а также Са2+-каналы внутриклеточныхСа2+-депо (Berridge et al., 1998; Zhu, Birnbaumer, 1998; Крутецкая и др., 2003).Результаты исследований середины ХХ в.
позволили сделать фундаментальноеобобщение в области внутриклеточной кальциевой сигнализации: в ответ на активациюмембранных рецепторов различными агонистами происходит двухфазное увеличение [Ca2+]i:одна фаза соответствует мобилизации Са2+ из внутриклеточных депо, а другая - входу Са2+ изнаружной среды (Putney, 1977; Zhu, Birnbaumer, 1998).В мышечной ткани Са2+ входит в цитозоль из наружной среды по потенциал-зависимымСа2+-каналам сарколеммы (Beatty et al., 1996; Крутецкая и др., 2003), а мобилизация Са2+ издепо осуществляется при стимуляции рианодиновых рецепторов саркоплазматического (СР)или эндоплазматического ретикулума (ЭР) (Крутецкая и др., 2003).
Потенциал-зависимые Са2+каналы в плазматической мембране характерны также для нервных клеток (Крутецкая и др.,2003).Вневозбудимыхинекоторыхвозбудимыхклеткахзапускклассическогофосфоинозитидного пути передачи сигнала под воздействием различных агонистов приводит кактивации рецепторов инозитол-1,4,5-трифосфата (IP3) в мембране Са2+-депо. В результатепроисходит мобилизация Са2+-из внутриклеточных депо по IP3-чувствительным каналам Са2+выброса, а затем вход Са2+ из наружной среды по депо-зависимым Са2+-каналам (рис. 1) (Zhu,Birmbaumer).14Рис.
1. Изменения [Ca2+]i при стимуляции клеток агонистами(по Zhu, Birnbaumer, 1998)По оси ординат – внутриклеточная концентрация Са2+ в мкМ, [Ca2+]i (μM), по осиабсцисс- время в мин (min).а - в кальциевой среде добавление агониста (Agonist) индуцирует двухфазный Са2+сигнал, отражающий мобилизацию Са2+ из внутриклеточных Са2+-депо (release) ипоследующий вход Са2+ (influx); б - в бескальциевой среде агонист вызываетмобилизацию Са2+ из депо.
После добавления в среду ионов Са2+ (CaCl2) происходит входСа2+ в клетки.2.1.2. Механизмы мобилизации ионов Са2+ из внутриклеточных депо2.1.2.1. Са2+-депо невозбудимых клетокВ регуляции [Ca2+]i принимают участие мембранные клеточные органеллы, которыеполучили название Са2+-депо (Ca2+-stores) благодаря своей способности запасать ионы Са2+против градиента электрохимического потенциала и осуществлять обмен Са2+ с цитоплазмой(Alvarez et al., 1999). В генерации Са2+-сигналов в невозбудимых клетках принимают участиетакие Са2+-запасающие органеллы, как ЭР, ядро, митохондрии, аппарат Гольджи (Alvares et al.,1999; Carafoli, 2002; Крутецкая и др., 2003).Основным IP3-чувствительным Са2+-депо является ЭР или его специализированныйсубкомпартмент (кальциосома) (рис.
2а). Эта органелла способна накапливать большие15концентрации Са2+, причём большая часть ионов Са2+ связывается с Са2+-связывающимибелками, например, кальретикулином (Alvares et al., 1999).Активный транспорт Са2+ из цитоплазмы в просвет ЭР осуществляется с помощью Са2+АТФаз сарко/эндоплазматического ретикулума (sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPases,SERCA) (MacLennan et al., 1997). Их наличие характерно для ЭР возбудимых и невозбудимыхклеток и для СР мышечных клеток и волокон.Клеточное ядро также способно аккумулировать Са2+ и затем высвобождать его в ответна действие IP3 (рис. 2в). Са2+-АТФазы локализованы в наружной, а IP3-чувствительные каналыСа2+-выброса – во внутренней ядерной мембране (Gerasimenko et al., 1996).
Таким образом,ионы Са2+ запасаются в перинуклеарном пространстве. При повышении [Ca2+]i Са2+ можеттакже транспортироваться из цитозоля в полость ядра через поры в ядерной оболочке (Alvareset al., 1999).Кроме того, IP3-чувствительным Са2+-депо является аппарат Гольджи (Pinton et al., 1998).Стимуляция клеток агонистами (например, гистамином) приводит к образованию IP3, и приэтом наблюдается быстрое снижение концентрации Са2+ в полости аппарата Гольджи (Pinton etal., 1998).
Активный транспорт Са2+ в просвет аппарата Гольджи осуществляет Са2+-АТФаза,связанная с плазматической мембраной (plasma membrane related Ca2+-ATPase, PMR) (Mitchell etal., 2004).Особая роль в депонировании Са2+ принадлежит митохондриям (рис. 2б) (Rizzuto et al.,1998; Carafoli, 2002). Высвобождение Са2+ из внутриклеточных депо и вход Са2+ из наружнойсреды создают особые микродомены («горячие точки») в цитозоле, где концентрация [Ca2+]iможет достигать 20 – 30 мкМ и более (Rizzuto et al., 1998; Carafoli, 2002).
Это приводит кактивации митохондриального Са2+-унипортера и быстрому входу Са2+ в митохондрии. Затемпроисходит более медленный экспорт Са2+ в цитозоль с участием NCX (Babcock, Hille, 1998).Данная концепция транспорта Са2+ с участием митохондрий получила название микродоменной(microdomain concept) (Jouaville et al., 1999).16Рис. 2.
Внутриклеточные Са2+-депо (по Alvares et al., 1999)а - Эндоплазматический ретикулум (ER). Стимуляция гистамином (Нistamine)или ацетилхолином (Ach) активирует продукцию инозитол-1,4,5-трифосфата (InsP3) имобилизацию Са2+ из ER. Затем АТФфазы SERCA транспортируют Са2+ обратно в ER.Ионы Са2+ в ER и в цитозоле модулируют активность рецепторов InsP3.б – Митохондрии (mitochondria). За счёт мембранного потенциала (Ψm) навнутренней митохондриальной мембране (около -180 мВ) происходит быстрый вход Са2+ вматрикс митохондрий по градиенту электрохимического потенциала через Са2+унипортер.
Выход Са2+ из митохондрий в цитоплазму происходит черезэлектронейтральные обменники: 2Na+/Ca2+- и 2Н+/Са2+-антипортеры.в – Ядро (nucleus). При стимуляции клеток агонистами (например, гистамином)продуцируется InsP3, который активирует каналы Са2+-выброса во внутренней ядерноймембране. В результате Са2+ входит в нуклеоплазму из перинуклеарного пространства. Таккак ER и двуслойная ядерная оболочка образуют единое целое, последнюю, вероятно,тоже можно рассматривать как Са2+-депо. Обмен Са2+ между цитоплазмой инуклеоплазмой осуществляется через ядерные поры.Са2+ER – ионы Са2+ в просвете ЭР; Са2+С - ионы Са2+ в цитозоле; Са2+N – Ca2+ в ядре;Са2+М – Са2+ в митохондриях.172.1.2.2. Фосфоинозитидный путь передачи сигналаВневозбудимыхинекоторыхвозбудимыхклеткахрецептор-опосредованнаямобилизация Са2+ из внутриклеточных Са2+-депо связана с активацией фосфоинозитиднойсигнальной системы (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
