Саркоплазматический ретикулум - Sarcoplasmic reticulum

Мультипликационный разрез скелетных мышц, показывающий Т-канальцы, проходящие глубоко в центр клетки между двумя терминальными цистернами / соединительными SR. Более тонкие выступы, идущие горизонтально между двумя терминальными цистернами, являются продольными сечениями SR.

В саркоплазматический ретикулум (SR) это мембрана -связанная структура найдена внутри мышечные клетки это похоже на эндоплазматический ретикулум в другом клетки. Основная функция СР - хранить кальций ионы (Ca2+). Уровни ионов кальция поддерживаются относительно постоянными, при этом концентрация ионов кальция внутри клетки в 10 000 раз меньше, чем концентрация ионов кальция вне клетки.[1] Это означает, что небольшое увеличение количества ионов кальция в клетке легко обнаруживается и может вызвать важные клеточные изменения (кальций считается второй посланник; видеть кальций в биологии Больше подробностей). Кальций используется для производства карбонат кальция (найден мелом) и фосфат кальция, два соединения, которые организм использует для производства зубы и кости. Это означает, что слишком много кальция в клетках может привести к затвердению (кальцификация ) некоторых внутриклеточных структур, в том числе митохондрии,[2] приводит к гибели клеток. Следовательно, жизненно важно, чтобы уровни ионов кальция строго контролировались и могли высвобождаться в клетку, когда это необходимо, а затем удаляться из клетки.


Структура

Саркоплазматический ретикулум представляет собой сеть канальцев, которые проходят через мышечные клетки, оборачиваясь вокруг (но не в прямом контакте с) миофибриллы (сократительные единицы клетки). Клетки сердца и скелетных мышц содержат структуры, называемые поперечные канальцы (Т-канальцы), которые являются продолжением клеточная мембрана которые попадают в центр клетки. Т-канальцы тесно связаны с определенной областью SR, известной как терминальные цистерны в скелетных мышцах, на расстоянии примерно 12 нанометры, разделяя их. Это основное место высвобождения кальция.[3] Продольные SR представляют собой более тонкие проекты, которые проходят между терминальными цистернами / соединительными SR и являются местом, где ионные каналы, необходимые для поглощения ионов кальция, наиболее многочисленны.[4] Эти процессы более подробно описаны ниже и являются фундаментальными для процесса взаимодействия возбуждения и сжатия в скелетный, сердечный и гладкая мышца.

Всасывание кальция

SR содержит насосы с ионным каналом внутри его мембраны, которые отвечают за перекачку Ca2+ в SR. Поскольку концентрация ионов кальция в SR выше, чем в остальной части клетки, ионы кальция не будут свободно поступать в SR, поэтому требуются насосы, которые используют энергию, которую они получают от молекулы, называемой аденозинтрифосфат (АТФ). Эти кальциевые насосы называются Сарко (эндо) плазматический ретикулум Са2+ АТФазы (SERCA). Существует множество различных форм SERCA, при этом SERCA 2a обнаруживается в основном в сердечных и скелетных мышцах.[5]

SERCA состоит из 13 субъединиц (обозначенных M1-M10, N, P и A). Ионы кальция связываются с субъединицами M1-M10 (которые расположены внутри мембраны), тогда как АТФ связывается с субъединицами N, P и A (которые расположены вне SR). Когда 2 иона кальция вместе с молекулой АТФ связываются с цитозольной стороной насоса (то есть с областью насоса вне SR), насос открывается. Это происходит потому, что АТФ (который содержит три фосфатные группы ) высвобождает одну фосфатную группу (становясь аденозиндифосфат ). Освободившаяся фосфатная группа затем связывается с насосом, заставляя насос менять форму. Это изменение формы вызывает цитозольный сторона насоса, чтобы открыться, позволяя двум Ca2+ войти. Затем цитозольная сторона помпы закрывается, а сторона саркоплазматического ретикулума открывается, высвобождая Ca2+ в SR.[6]

А белок находится в сердечной мышце, называется фосфоламбан (PLB) было показано, что SERCA не работает. Он делает это путем связывания с SERCA и снижения его притяжения (сродства) к кальцию, тем самым предотвращая поглощение кальция в SR. Неспособность удалить Ca2+ из цитозоля предотвращает расслабление мышц и, следовательно, означает уменьшение сокращения мышц. Однако такие молекулы, как адреналин и норадреналин, может помешать PLB подавлять SERCA. Когда эти гормоны связываются с рецептором, называемым бета-1 адренорецептор, расположенные на клеточной мембране, они производят серию реакций (известных как циклический путь AMP ), что дает фермент называется протеинкиназа A (PKA). PKA может добавлять фосфат к PLB (это известно как фосфорилирование), предотвращая его ингибирование SERCA и позволяя расслабить мышцы.[7]

Хранение кальция

Внутри SR находится белок, называемый кальсеквестрин. Этот белок может связываться примерно с 50 Ca2+, что снижает количество свободного Ca2+ в пределах SR (так как больше связано с кальсеквестрином).[8] Следовательно, может сохраняться больше кальция (кальсеквестрин считается буфером). Он в основном расположен в соединительном SR /терминальные цистерны, в тесной связи с каналом высвобождения кальция (описанным ниже).[9]

Выпуск кальция

Высвобождение иона кальция из SR происходит в соединительном SR /терминальные цистерны через рецептор рианодина (RyR) и известен как кальциевая искра.[10] Существует три типа рианодиновых рецепторов: RyR1 (в скелетные мышцы ), RyR2 (в сердечная мышца ) и RyR3 (в мозг ).[11] Высвобождение кальция через рецепторы рианодина в SR запускается по-разному в разных мышцах. В сердечной и гладкой мышцах электрический импульс (потенциал действия ) запускает проникновение ионов кальция в клетку через Кальциевый канал L-типа расположен в клеточной мембране (гладкая мышца) или мембране Т-канальца (сердечная мышца). Эти ионы кальция связываются и активируют RyR, вызывая большее увеличение внутриклеточного кальция. Однако в скелетных мышцах кальциевый канал L-типа связан с RyR. Следовательно, активация кальциевого канала L-типа через потенциал действия непосредственно активирует RyR, вызывая высвобождение кальция (см. искры кальция Больше подробностей).[12] Также, кофеин (содержится в кофе) может связываться с RyR и стимулировать его. Кофеин делает RyR более чувствительным либо к потенциалу действия (скелетные мышцы), либо к кальцию (сердечные или гладкие мышцы), тем самым производя искры кальция чаще (это частично отвечает за влияние кофеина на частоту сердечных сокращений).[13]

Триадин и юнктин - это белки, обнаруженные в мембране SR, которые связаны с RyR. Основная роль этих белков заключается в закреплении кальсеквестрин (см. выше) к рецептору рианодина. При «нормальном» (физиологическом) уровне кальция в SR кальсеквестрин связывается с RyR, триадином и юнктином, что предотвращает открытие RyR.[14] Если концентрация кальция в SR упадет слишком низко, кальсеквестрин будет связывать меньше кальция. Это означает, что у кальсеквестрина больше места для связывания с рецепторами юнктина, триадина и рианодина, поэтому он связывается сильнее. Однако, если содержание кальция в SR повышается слишком высоко, больше кальция связывается с кальсеквестрином, и поэтому он менее прочно связывается с комплексом юнктин-триадин-RyR. Таким образом, RyR может открываться и высвобождать кальций в клетку.[15]

В дополнение к эффектам, которые ПКА оказала на фосфоламбан (см. выше), что привело к усилению расслабления сердечной мышцы, PKA (а также другого фермента, называемого кальмодулинкиназа II ) может также фосфорилат рианодиновые рецепторы. При фосфорилировании RyR более чувствительны к кальцию, поэтому они открываются чаще и на более длительные периоды времени. Это увеличивает высвобождение кальция из SR, увеличивая скорость сокращения.[16] Поэтому в сердечная мышца, активация PKA, сквозь циклический путь AMP, приводит к усилению сокращения мышц (через RyR2 фосфорилирование) и усиление релаксации (через фосфоламбан фосфорилирование), что увеличивает частоту сердечных сокращений.

Механизм прекращения высвобождения кальция через RyR до сих пор полностью не изучен. Некоторые исследователи полагают, что это происходит из-за случайного закрытия рецепторов рианодина (известного как стохастическое истощение) или из-за того, что рецепторы рианодина становятся неактивными после искры кальция.[17] в то время как другие полагают, что снижение уровня кальция в SR вызывает закрытие рецепторов (см. искры кальция Больше подробностей).

Роль в трупном окоченении

Разрушение саркоплазматического ретикулума, наряду с высвобождением кальция, является важным фактором трупное окоченение жесткость мышц после смерти.

Если концентрация кальция в саркоплазме увеличивается, это также может вызвать жесткость мышц.

Рекомендации

  1. ^ Броннер, Ф. (2003) «Внеклеточная и внутриклеточная регуляция гомеостаза кальция», TheScientificWorldJournal., 1, стр. 919–25.
  2. ^ Трамп Б., Березески И., Лайхо К., Осорнио А., Мергнер В. и Смит М. (1980) «Роль кальция в повреждении клеток. Обзор », Сканирующая электронная микроскопия., Стр. 437–62.
  3. ^ Анатомия саркоплазматического ретикулума в скелетных мышцах позвоночных: его значение для сцепления с возбуждением и сокращением », Zeitschrift fur Naturforschung. Раздел C, Биологические науки, 37, стр. 665–78.
  4. ^ Arai, M .; Matsui, H .; Периасами, М. (1994-04-01). «Экспрессия гена саркоплазматического ретикулума при сердечной гипертрофии и сердечной недостаточности». Циркуляционные исследования. 74 (4): 555–564. Дои:10.1161 / 01.RES.74.4.555. ISSN  0009-7330. PMID  8137493.
  5. ^ Periasamy, M. и Kalyanasundaram, A. (2007) «Изоформы насоса SERCA: их роль в транспорте ионов кальция и заболевании», Muscle & Nerve, 35 (4), стр. 430–42.
  6. ^ Кекенес-Хаски П.М., Мецгер В.Т., Грант Б.Дж. и Маккаммон А.Дж. (2012b) «Механизмы связывания кальция и аллостерических сигналов для саркоплазматического ретикулума.2+ АТФаза ’, 21 (10).
  7. ^ Акин Б., Херли Т., Чен З. и Джонс Л. (2013) «Структурная основа ингибирования фосфоламбаном кальциевого насоса в саркоплазматическом ретикулуме», Журнал биологической химии., 288 (42), С. 30181–91.
  8. ^ Beard, N.A .; Laver, D. R .; Дулханти, А. Ф. (2004-05-01). «Кальсеквестрин и канал высвобождения кальция из скелетных и сердечных мышц». Прогресс в биофизике и молекулярной биологии. 85 (1): 33–69. Дои:10.1016 / j.pbiomolbio.2003.07.001. ISSN  0079-6107. PMID  15050380.
  9. ^ MacLennan, DH; Вонг, PT (1971). «Выделение белка, связывающего кальций, из саркоплазматического ретикулума». Proc Natl Acad Sci USA. 68 (6): 1231–1235. Дои:10.1073 / pnas.68.6.1231. ЧВК  389160. PMID  4256614.
  10. ^ 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. Дои:10.1126 / science.8235594. ISSN  0036-8075. PMID  8235594.
  11. ^ Ланнер, Дж. Т., Георгиу, Д. К., Джоши, А. Д. и Гамильтон, С. Л. (2010b) «Рецепторы рианодина: структура, экспрессия, молекулярные детали и функция высвобождения кальция», 2 (11).
  12. ^ Ченг, Х. и Ледерер, В. (2008) «Кальциевые искры», Physiological Reviews., 88 (4), стр. 1491–545.
  13. ^ Sitsapesan R, Williams AJ. Механизмы активации кофеином одиночных кальциевых каналов сердечного саркоплазматического ретикулума овец. J Physiol (Лондон) 1990; 423: 425–439].
  14. ^ Чжан, Л; Келли, Дж; Schmeisser, G; Кобаяши, Ю.М. Джонс, Л. Р. (1997). «Комплексообразование между юнктином, триадином, кальсеквестрином и рецептором рианодина: белки мембраны саркоплазматического ретикулума сердечного соединения». J Biol Chem. 272 (37): 23389–23397. Дои:10.1074 / jbc.272.37.23389. PMID  9287354.
  15. ^ Дьёрке, И., Хестер, Н., Джонс, Л.Р. и Györke, S. (2004) «Роль кальсеквестрина, триадина и юнктина в обеспечении чувствительности сердечных рецепторов рианодина к кальцию люминала», 86 (4).
  16. ^ Берс, Д. (2006) «Фосфорилирование сердечных рианодиновых рецепторов: сайты-мишени и функциональные последствия», 396 (1).
  17. ^ Sham, J. S. K .; и другие. (1998). «Прекращение высвобождения Са2 + за счет локальной инактивации рианодиновых рецепторов в сердечных миоцитах». Proc. Natl. Акад. Sci. Соединенные Штаты Америки. 95 (25): 15096–15101. Дои:10.1073 / пнас.95.25.15096. ЧВК  24581. PMID  9844021.