Саркоплазматический ретикулум - Sarcoplasmic reticulum
Саркоплазматический ретикулум ( СР ) представляет собой мембрану -связанной структуры найти в мышечных клетках , что похоже на гладкую эндоплазматическую сеть в других клетках . Основная функция SR - накапливать ионы кальция (Ca 2+ ). Уровни ионов кальция поддерживаются относительно постоянными, при этом концентрация ионов кальция внутри клетки в 10 000 раз меньше, чем концентрация ионов кальция вне клетки. Это означает, что небольшое увеличение количества ионов кальция в клетке легко обнаруживается и может вызвать важные клеточные изменения (кальций считается вторым посланником ; подробнее см. Кальций в биологии ). Кальций используется для образования карбоната кальция (содержится в мелу) и фосфата кальция - двух соединений, которые организм использует для создания зубов и костей . Это означает, что слишком много кальция в клетках может привести к затвердеванию ( кальцификации ) определенных внутриклеточных структур, включая митохондрии , что приведет к гибели клеток. Следовательно, жизненно важно, чтобы уровни ионов кальция строго контролировались и могли быть высвобождены в клетку при необходимости, а затем удалены из клетки.
Состав
Саркоплазматический ретикулум представляет собой сеть канальцев, которые проходят через мышечные клетки , обвивая (но не в прямом контакте с) миофибриллы (сократительные единицы клетки). Клетки сердца и скелетных мышц содержат структуры, называемые поперечными канальцами (Т-канальцами) , которые представляют собой продолжения клеточной мембраны, которые перемещаются в центр клетки. Т-канальцы тесно связаны с определенной областью SR, известной как терминальные цистерны в скелетных мышцах, на расстоянии примерно 12 нанометров , разделяющем их. Это основное место высвобождения кальция. Продольные SR - это более тонкие проекты, которые проходят между терминальными цистернами / соединительными SR и являются местом, где ионные каналы, необходимые для абсорбции ионов кальция, наиболее многочисленны. Эти процессы более подробно объясняются ниже и являются фундаментальными для процесса взаимодействия возбуждения и сокращения в скелетных , сердечных и гладких мышцах .
Абсорбция кальция
SR содержит насосы ионных каналов внутри своей мембраны, которые отвечают за перекачку Ca 2+ в SR. Поскольку концентрация ионов кальция в SR выше, чем в остальной части клетки, ионы кальция не будут свободно поступать в SR, и поэтому требуются насосы, которые используют энергию, которую они получают от молекулы, называемой аденозинтрифосфатом ( АТФ) . Эти кальциевые насосы называются Са 2+ АТФазами Sarco (эндо) плазматического ретикулума (SERCA) . Существует множество различных форм SERCA, причем SERCA 2a обнаруживается в основном в сердечных и скелетных мышцах.
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 за пределами SR), насос открывается. Это происходит потому, что АТФ (который содержит три фосфатные группы ) высвобождает одну фосфатную группу (превращаясь в аденозиндифосфат ). Освободившаяся фосфатная группа затем связывается с насосом, в результате чего насос меняет форму. Это изменение формы приводит к открытию цитозольной стороны насоса, позволяя проникать двум Ca 2+ . Затем цитозольная сторона насоса закрывается, а сторона саркоплазматического ретикулума открывается, высвобождая Ca 2+ в SR.
Было показано, что белок, обнаруженный в сердечной мышце, называемый фосфоламбаном (PLB) , препятствует работе SERCA. Он делает это путем связывания с SERCA и уменьшения его притяжения (сродства) к кальцию, тем самым предотвращая поглощение кальция в SR. Неспособность удалить Ca 2+ из цитозоля предотвращает расслабление мышц и, следовательно, означает уменьшение сокращения мышц. Однако такие молекулы, как адреналин и норадреналин , могут препятствовать тому, чтобы PLB подавлял SERCA. Когда эти гормоны связываются с рецептором, называемым бета-адренорецептором , расположенным на клеточной мембране, они вызывают серию реакций (известных как путь циклического АМФ ), которые продуцируют фермент, называемый протеинкиназой А (ПКА) . PKA может добавлять фосфат к PLB (это известно как фосфорилирование), предотвращая его ингибирование SERCA и позволяя расслабить мышцы.
Хранение кальция
Внутри SR находится белок кальсеквестрин . Этот белок может связываться примерно с 50 Ca 2+ , что снижает количество свободного Ca 2+ в SR (поскольку большее количество связывается с кальсеквестрином). Таким образом, можно накапливать больше кальция (кальсеквестрин считается буфером). Он в основном расположен в соединительном SR / просвете , в тесной связи с каналом высвобождения кальция (описанным ниже).
Выпуск кальция
Высвобождение ионов кальция из SR происходит в соединительных SR / терминальных цистернах через рецептор рианодина (RyR) и известно как искра кальция . Существует три типа рецепторов рианодина: RyR1 (в скелетных мышцах ), RyR2 (в сердечной мышце ) и RyR3 (в головном мозге ). Высвобождение кальция через рецепторы рианодина в SR запускается по-разному в разных мышцах. В сердечной и гладкой мышцах электрический импульс ( потенциал действия ) заставляет ионы кальция проникать в клетку через кальциевый канал L-типа, расположенный 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 посредством потенциала действия непосредственно активирует RyR, вызывая высвобождение кальция (см. Кальциевые искры для более подробной информации). Кроме того, кофеин (содержащийся в кофе) может связываться с RyR и стимулировать его. Кофеин делает RyR более чувствительным либо к потенциалу действия (скелетные мышцы), либо к кальцию (сердечная или гладкая мышца), тем самым вызывая кальциевые искры чаще (это частично отвечает за влияние кофеина на частоту сердечных сокращений).
Триадин и юнктин - это белки, обнаруженные в мембране SR, которые связаны с RyR . Основная роль этих белков заключается в закреплении кальсеквестрина (см. Выше) на рецепторе рианодина. При «нормальном» (физиологическом) уровне кальция в SR кальсеквестрин связывается с RyR, триадином и юнктином, что предотвращает открытие RyR. 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.
В дополнение к эффектам, которые ПКА оказывает на фосфоламбан (см. Выше), что приводит к усилению расслабления сердечной мышцы, ПКА (а также другой фермент, называемый кальмодулинкиназа II ) также может фосфорилировать рецепторы рианодина. 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. Следовательно, в сердечной мышце активация PKA посредством пути циклического АМФ приводит к усилению мышечного сокращения (через фосфорилирование RyR2 ) и усилению релаксации (через фосфорилирование фосфоламбана ), 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 кальциевой искры, в то время как другие полагают, что уменьшение SR кальция вызывает закрытие рецепторов (см. Кальциевые искры). Больше подробностей).
Роль в трупном окоченении
Разрушение саркоплазматического ретикулума, наряду с высвобождением кальция, является важным фактором трупного окоченения - жесткости мышц после смерти.
Если концентрация кальция в саркоплазме увеличивается, это также может вызвать жесткость мышц.