Биологические мембраны - А. Н. Огурцов 2012

Электрогенез биомембран
Внутриклеточная сигнализация
Осцилляции внутриклеточного кальция

Взаимодействие между Са²⁺-каналами плазматической и внутренних мембран клетки, кальциевыми насосами, а также кальций-связывающими белками, локализованными как в мембранах, так и в цитоплазме клетки, приводит к так называемым осцилляциям Са²⁺, то есть периодическим флуктуациям его концентрации в цитоплазме (рисунок 143).

В невозбудимых клетках основным триггером кальциевых осцилляций является инозитол трисфосфат, который образуется из фосфати- дилинозитол бисфосфата при активации фосфолипазы С гормонами или факторами роста (рисунок 139). Инозитол трисфосфат способен диффундировать от плазматической мембраны, где он образуется, до мембран эндоплазматического ретикулума за десятки секунд. Количество и концентрация образующегося IР₃ достаточно высоки, чтобы связаться со всеми соответствующими рецепторами, однако выход Са²⁺ происходит только в так называемых горячих участках.

Горячими называются участки переменной локализации в клетке, возникающие, как пузырьки в закипающей воде, в разных местах мембраны эндоплазматического ретикулума за счёт высокой локальной концентрации Са²⁺, инозитол трисфосфата или его рецептора.

Согласно существующим в настоящее время представлениям, вышедший в горячем участке в цитоплазму Ca²⁺ диффундирует вдоль ретикулума и повышает в его мембранах чувствительность рецептора к инозитол трисфосфату, а также облегчает открывание канала, тем самым вызывая перемещение фронта Са²⁺-волны.

Рисунок 143 - Зависимость частоты флуктуации концентрации ионов Са²⁺ в цитоплазме и величины биологического эффекта, вызываемого ионами Са²⁺, от концентрации гормона

Локальное повышение концентрации Са²⁺ в этом участке мембраны выше порогового значения приводит к инактивации кальциевых каналов, в результате чего горячая точка гасится, а диффузия Са²⁺ генерирует новые точки выброса Са²⁺ из ретикулума. В гашении горячих точек участвуют также кальциевые насосы, транспортирующие Са²⁺ из цитозоля в эндоплазматический ретикулум или межклеточное пространство.

В возбудимых тканях основной вход Са²⁺ внутрь клетки происходит через потенциалочувствительные Са²⁺-каналы, которые функционально сопряжены с рианодиновыми рецепторами. В участке сопряжения этих двух типов каналов выход Са²⁺ приводит к распространению Са²⁺-волны возбуждения рианодиновых рецепторов вдоль мембран ретикулума. За фронтом Са²⁺-волны происходит снижение уровня Са²⁺ вследствие того, что в ретикулуме в этом участке уже нет кальция, поэтому Са²⁺ не выходит через каналы, а Са²⁺-насосы, напротив, выкачивают Са²⁺ из цитоплазмы. В возбудимых клетках частоту осцилляции Са²⁺ могут повышать как IР₃, так и циклическая АДФ-рибоза или кофеин.

Во многих типах клеток волна кальциевой осцилляции распространяется от клеточного ядра и может приобретать форму сфер или сложных спиралей.

В некоторых тканях (сердце, мозг) кальциевые осцилляции, возникшие в одной клетке, могут стимулировать осцилляцию Са²⁺ в соседних клетках, причём с той же частотой, что и в клетке, инициировавшей этот процесс.

По-видимому, в этих тканях Са²⁺-волна может распространяться через межклеточные щелевые контакты (см. п. 16.1), обладающие высокой ионной проводимостью.

В цитоплазме одиночной клетки гормоны и факторы роста практически не влияют на амплитуду повышения концентрации Са²⁺, но увеличивают частоту его флуктуаций (рисунок 143). Обычно уровень Са²⁺ в цитоплазме изменяется от 10 до 5-10^-7 VI, а частота от одного колебания в минуту до нескольких колебаний в секунду.

Са²⁺-зависимые эффекты гормонов и факторов роста оказываются прямо пропорциональными частоте флуктуации цитоплазматического Са²⁺ (рисунок 143). Это можно объяснить тем, что при высокой частоте осцилляций увеличивается вероятность насыщения кальцием кальций-связывающих белков.

Диссоциация Са²⁺ из высокоаффинных участков кальций-связывающих белков происходит за минуты, а Са²⁺ в цитоплазме осциллирует быстрее, поэтому кальций-связывающие белки воспринимают частотную информацию и, подобно преобразователям переменного тока в постоянный, преобразуют её в медленно развивающееся (за минуты или часы) изменение метаболизма, морфологии или функционального состояния клетки.

В кальций-связывающих белках может быть несколько участков связывания Са²⁺, между которыми проявляется положительная неоперативность. При связывании Са²⁺ в структуре белка может увеличиваться количество а-спиралей, и часто на поверхность белковой глобулы экспонируются функциональные группы, участвующие во взаимодействии кальций-связывающего белка с так называемыми эффекторными белками. Таким способом, Са²⁺ индуцирует взаимодействие двух белков, что приводит к изменению их активности или локализации в клетке.

Са²⁺ активирует многие катаболические процессы (гликолиз, липолиз, протеолиз), а также стимулирует синтез белка, мышечное сокращение и немышечную подвижность, экзоцитоз, ионный транспорт, секрецию нейромедиаторов.