Iskry wapniowe

Iskra wapniowa to mikroskopijne uwalnianie wapnia ( Ca ²⁺ ) z magazynu zwanego retikulum sarkoplazmatycznym (SR) , znajdującego się w komórkach mięśniowych . To uwalnianie zachodzi przez kanał jonowy w błonie SR , znany jako receptor rianodyny (RyR) , który otwiera się po aktywacji. Proces ten jest ważny, ponieważ pomaga utrzymać stężenie Ca ²⁺ w komórce . Inicjuje również skurcz mięśni szkieletowych i mięśnia sercowego oraz rozluźnienie mięśni gładkich . Iskry Ca ²⁺ są ważne w fizjologii, ponieważ pokazują, w jaki sposób Ca ²⁺ można wykorzystać na poziomie subkomórkowym, aby zasygnalizować zarówno zmiany lokalne, znane jako kontrola lokalna, jak i zmiany w całej komórce.

Aktywacja

Jak wspomniano powyżej, iskry Ca ²⁺ zależą od otwarcia receptorów rianodyny, których są trzy rodzaje:

Typ 1 – występuje głównie w mięśniach szkieletowych
Typ 2 – występuje głównie w sercu
Typ 3 – występuje głównie w mózgu

Otwarcie kanału umożliwia przejście Ca ^{2+ z} SR do komórki. Zwiększa to lokalne stężenie Ca ²⁺ wokół RyR 10-krotnie. Iskry wapniowe mogą być wywołane lub spontaniczne, jak opisano poniżej.

Ryc. 1: Wywołana iskra wapniowa w komórce mięśnia sercowego.

Wywołany

Impulsy elektryczne, znane jako potencjały czynnościowe , przemieszczają się wzdłuż błony komórkowej (sarkolemmy) komórek mięśniowych . W sarkolemie komórek mięśni gładkich znajdują się receptory, zwane receptorami dihydropirydynowymi (DHPR). Jednak w komórkach mięśni szkieletowych i mięśnia sercowego receptory te znajdują się w strukturach zwanych kanalikami T, które są przedłużeniami błony plazmatycznej wnikającymi głęboko w komórkę (patrz ryc. 1). Te DHPR znajdują się dokładnie naprzeciwko receptorów rianodyny , znajdujących się na siateczce sarkoplazmatycznej , a aktywacja przez potencjał czynnościowy powoduje zmianę kształtu DHPR.

W mięśniu sercowym i mięśniach gładkich aktywacja DHPR powoduje utworzenie kanału jonowego . Umożliwia to przejście Ca ^{2+ do} komórki , zwiększając lokalne stężenie Ca ²⁺ wokół RyR. Kiedy cztery cząsteczki Ca ²⁺ wiążą się z RyR, otwiera się, powodując większe uwalnianie Ca ²⁺ z SR. Ten proces wykorzystania Ca ²⁺ do aktywowania uwalniania Ca ²⁺ z SR jest znany jako uwalnianie wapnia indukowane wapniem .

Jednak w mięśniach szkieletowych DHPR dotyka RyR. Dlatego zmiana kształtu DHPR bezpośrednio aktywuje RyR, bez potrzeby uprzedniego zalewu Ca ²⁺ do komórki. Powoduje to otwarcie RyR, umożliwiając uwolnienie Ca ^{2+ z SR.}

Spontaniczny

Ca ²⁺ mogą również wystąpić w komórkach w stanie spoczynku (tj. komórkach, które nie zostały pobudzone potencjałem czynnościowym). Dzieje się tak mniej więcej 100 razy na sekundę w każdej komórce i jest wynikiem zbyt wysokiego stężenia Ca ^{2+ . Uważa się} , że wzrost Ca ²⁺ w SR wiąże się z miejscami wrażliwymi na Ca ²⁺ wewnątrz RyR, powodując otwarcie kanału. Oprócz tego białko zwane calsequestrin (znajdujące się w SR) odłącza się od RyR, gdy stężenie wapnia jest zbyt wysokie, ponownie umożliwiając otwarcie kanału ( więcej szczegółów w siateczce sarkoplazmatycznej ). Podobnie, spadek stężenia Ca2 ⁺ w obrębie SR również okazał się obniżać wrażliwość na RyR. Uważa się, że jest to spowodowane silniejszym wiązaniem kalsekwestryny z RyR, zapobiegając jego otwarciu i zmniejszając prawdopodobieństwo spontanicznej iskry.

Wapń po uwolnieniu

W pojedynczej komórce serca znajduje się około 10 000 skupisk receptorów rianodyny , z których każdy zawiera około 100 receptorów rianodyny. Podczas pojedynczej spontanicznej iskry, kiedy Ca ²⁺ jest uwalniany z SR, Ca ²⁺ dyfunduje w całej komórce . Ponieważ RyR w sercu są aktywowane przez Ca ²⁺ , ruch Ca ²⁺ uwalniany podczas spontanicznej iskry może aktywować inne sąsiednie RyR w tej samej grupie. Jednak zwykle w pojedynczej iskrze nie ma wystarczającej ilości Ca ^{2+ , aby dotrzeć do sąsiedniego skupiska} receptorów . Wapń może jednak sygnalizować powrót do DHPR, powodując jego zamknięcie i zapobiegając dalszemu napływowi wapnia. Jest to znane jako negatywna informacja zwrotna .

Wzrost stężenia Ca ²⁺ w komórce lub wytworzenie większej iskry może prowadzić do uwolnienia wapnia na tyle dużego, że pierwszy z nich może aktywować sąsiednie skupisko. Jest to znane jako aktywacja iskry wywołana iskrą i może prowadzić do rozprzestrzeniania się fali uwalniania wapnia Ca ²⁺ w komórce.

Podczas wywołanych iskier Ca ²⁺ wszystkie skupiska receptorów rianodyny w całej komórce są aktywowane niemal dokładnie w tym samym czasie. Powoduje to wzrost stężenia Ca ²⁺ w całej komórce (nie tylko lokalnie) i jest znane jako przejściowe stężenie Ca ^{2+ w całej komórce} . Ten Ca ²⁺ wiąże się następnie z białkiem zwanym troponiną , inicjując skurcz poprzez grupę białek znanych jako miofilamenty.

W komórkach mięśni gładkich uwalniany podczas iskry Ca ^{2+ jest wykorzystywany do rozluźnienia mięśni.} Dzieje się tak, ponieważ Ca ²⁺ , który dostaje się do komórki przez DHPR w odpowiedzi na potencjał czynnościowy , stymuluje zarówno skurcz mięśni, jak i uwalnianie wapnia z SR. Ca ²⁺ uwolniony podczas iskry aktywuje następnie dwa inne kanały jonowe na membranie. Jeden kanał umożliwia jonom potasu opuszczenie komórki , podczas gdy drugi umożliwia jonom chloru opuszczenie komórki . Rezultatem tego ruchu jonów jest to, że napięcie membrany staje się bardziej ujemne. To dezaktywuje DHPR (który został aktywowany przez dodatni potencjał błonowy wytwarzany przez potencjał czynnościowy), powodując jego zamknięcie i zatrzymanie przepływu Ca ²⁺ do komórki, co prowadzi do relaksacji.

Zakończenie

Mechanizm, za pomocą którego uwalnianie SR Ca ²⁺ kończy się, nie jest jeszcze w pełni poznany. Aktualne główne teorie przedstawiono poniżej:

Lokalne wyczerpanie SR Ca ²⁺

Teoria ta sugeruje, że podczas iskry wapniowej, gdy wapń wypływa z SR, stężenie Ca ²⁺ w SR staje się zbyt niskie. Jednak nie sądzono, że tak jest w przypadku iskier spontanicznych, ponieważ całkowite uwolnienie Ca ^{2+ podczas} iskry jest niewielkie w porównaniu z całkowitą zawartością Ca ^{2+ SR} , a naukowcy wytworzyli iskry trwające dłużej niż 200 milisekund, wykazując tym samym, że nadal istnieje wystarczająca ilość Ca ²⁺ pozostała w SR po „normalnej” (200 ms) iskrze. Jednak lokalne zubożenie w łącznikowym SR może być znacznie większe niż wcześniej sądzono (patrz ). Jednak podczas aktywacji dużej liczby receptorów rianodyny, jak to ma miejsce podczas wywołanego elektrycznie uwalniania Ca2 ⁺ , cały SR jest w około 50% zubożony w Ca2 ⁺ i ten mechanizm będzie odgrywał ważną rolę w ponownym uwalnianiu.

Ścieranie stochastyczne

Pomimo skomplikowanej nazwy, pomysł ten po prostu sugeruje, że wszystkie receptory ryanodyny w klastrze i związane z nimi receptory dihydropirydyny przypadkowo zamykają się w tym samym czasie. To nie tylko uniemożliwiłoby uwalnianie wapnia z SR, ale także zatrzymałoby bodziec do uwalniania wapnia (tj. przepływ wapnia przez DHPR). Jednak ze względu na dużą liczbę RyR i DHPR w pojedynczej komórce teoria ta wydaje się nierealna, ponieważ istnieje bardzo małe prawdopodobieństwo, że wszystkie zamkną się razem dokładnie w tym samym czasie.

Inaktywacja/adaptacja

Teoria ta sugeruje, że po aktywacji RyR i późniejszym uwolnieniu Ca2 ⁺ kanał zamyka się na krótko , aby się zregenerować. W tym czasie albo kanał nie może zostać ponownie otwarty, nawet jeśli obecny jest wapń (tj. RyR jest inaktywowany), albo kanał może zostać ponownie otwarty, jednak do jego aktywacji potrzeba więcej wapnia niż zwykle (tj. RyR jest w fazie adaptacji) . Oznaczałoby to, że RyR zamykałyby się jeden po drugim, kończąc w ten sposób iskrę.

Lepka teoria klastrów

Teoria ta sugeruje, że wszystkie trzy powyższe teorie odgrywają rolę w zapobieganiu uwalnianiu wapnia.

Odkrycie

Spontaniczne iskry Ca ²⁺ zostały odkryte w komórkach mięśnia sercowego szczurów w 1992 roku przez Peace Chenga i Marka B. Cannella w laboratorium Jona Lederera na University of Maryland, Baltimore, USA

Początkowo pomysł ten został odrzucony przez czasopismo naukowe „ Nature” , które uważało, że iskry występują tylko w warunkach laboratoryjnych (tj. są artefaktami), a zatem nie występują naturalnie w ciele. Jednak szybko uznano, że mają one fundamentalne znaczenie dla fizjologii mięśni , odgrywając ogromną rolę w sprzężeniu pobudzenia ze skurczem.

Odkrycie stało się możliwe dzięki ulepszeniom mikroskopów konfokalnych . Pozwoliło to na wykrycie uwalniania Ca ²⁺ , które zostało podświetlone za pomocą substancji znanej jako fluo-3 , która powodowała świecenie Ca ^{2+ . „Iskry”} Ca ²⁺ nazwano tak ze względu na spontaniczny, lokalny charakter uwalniania Ca ²⁺ oraz fakt, że są one zdarzeniem inicjującym sprzężenie wzbudzenie-skurcz .

Wykrywanie i analiza

Ze względu na znaczenie iskier Ca ²⁺ w wyjaśnianiu właściwości bramkowania receptorów rianodyny in situ (w organizmie), wiele badań koncentrowało się na poprawie ich wykrywalności w nadziei, że dzięki dokładnemu i niezawodnemu wykrywaniu wszystkich zdarzeń iskrzenia Ca ²⁺ ich true properties może wreszcie pomóc nam odpowiedzieć na nierozwiązaną zagadkę terminacji iskier.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Oprogramowanie

SparkMaster - Automated Ca ²⁺ Spark Analysis with ImageJ - Darmowe oprogramowanie do analizy iskier Ca ²⁺ w konfokalnych obrazach liniowych