= ОБЗОРЫ
УДК 577.3
КАНАЛЫ СЕМЕЙСТВ Oгai И TRP В СКЕЛЕТНЫХ МЫШЕЧНЫХ КЛЕТКАХ
© 2012 г. П. В. Авдонин
Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, ул. Вавилова 26, Москва, 119334; электронная почта:pvavdonin@yandex.ru Поступила в редакцию 10.10.2011 г.
Посвящается Борису Израилевичу Ходорову — выдающемуся ученому и замечательному человеку
Проведен анализ современных данных, касающихся экспрессии, локализации, биофизических свойств, участия в регуляции обмена кальция и физиологических функций каналов семейств ТЯР и Ога1 в скелетных мышечных клетках. В поперечно-полосатых скелетных мышцах выявлена экспрессия каналов ТЯРС1/2/3/4/5/6/7, ТИРУ2/4, ТЯРМ2/7 и ОгаИ/3. Установлено, что активность каналов ТЯРС1/3, ТЯРУ4 способствует максимальному мышечному сокращению при тетанусе. Каналы ОгаИ обеспечивают восстановление запасов ионов кальция во внутриклеточных депо и необходимы для пролиферации миобластов и дифференцировки скелетных мышц. Нокаут каналов ТИРС1 также вызывает нарушения в развитии скелетной мускулатуры. Повышенный транспорт ионов кальция через сарколемму приводит к развитию миодистрофии.
Ключевые слова: скелетные мышцы, кальций, каналы ТЯР, Огаь
В конце XIX века английский врач и фармаколог Сидней Рингер обнаружил, что сокращение изолированного сердца происходит только при наличии в растворе ионов кальция [1]. Это открытие считается началом изучения физиологических функций кальция. Концентрация свободного Са2+ в плазме крови поддерживается на строго определенном уровне, составляющем у человека 1.2 мМ [2]. Однако в клетках концентрация ионов кальция гораздо ниже — в цитоплазме она приблизительно равна 100 нМ. Необходимость поддержания столь низкого уровня свободных ионов кальция обусловлена свойством данного элемента образовывать слаборастворимые соли с фосфатами. Увеличение цитоплазматической концентрации свободных ионов кальция ([Са2+]цит) происходит при возбуждении клеток, но благодаря мощным системам выведения — кальциевым АТР-азам ретикулума и плазматической мембраны, митохондриям, №+/Са2+-обменнику, уровень ионов кальция в цитоплазме быстро возвращается к исходному. В очень многих случаях подъемы [Са2+]цит носят периодический осцилляторный характер в продолжение того времени, когда на клетку действует возбуждающий стимул [3].
Повышение [Са2+]цит служит сигналом, запускающим множество биохимических и физиологических реакций клеток. Эти реакции реализуются с помощью группы белков, выполняющих функцию кальциевых сенсоров в цитоплазме.
Первым открытым Са-связывающим белком, ци-топлазматическим сенсором ионов кальция, является кальмодулин, у которого вначале была известна единственная функция — регуляция обмена сАМР [4—7]. Сейчас список мишеней кальмодулина и перечень других белков — высокоаффинных цитоплазматических сенсоров кальция, значительно расширились [8]. Проведенные в последние десятилетия исследования механизмов действия на клетки нейроэндокринных факторов показали, что у подавляющего большинства из них, если не у всех, имеются рецепторы, которые активируют поступление ионов кальция в цитоплазму клеток. Таким образом, все эти данные позволили сформулировать фундаментальную концепцию физиологии о кальции как об универсальном регуляторе клеточных функций.
В данной области физиологии один из ключевых вопросов заключается в выяснении молекулярной природы каналов плазматической мембраны, через которые происходит поступление ионов кальция в клетку. Много лет назад сформировалось представление о двух типах клеток — электроневозбудимых и электровозбудимых, принципиально различающихся по механизму активации каналов, транспортирующих кальций. В электроневозбудимых клетках вход ионов кальция из внешней среды происходит при активации рецепторов плазматической мембраны. Существует несколько типов проводящих ионы кальция кана-
Ca
2+
Ora O 11 1 тй==| rai |- 1 Плазмалемма
|§| II и M £ М У г
—ЩТ№р
б
Ca2+
Архидоновая кислота
2 3 12
4 6 5 4
5
5
4 5 6 4 1 2 1 3 2
Рис. 1. Схематическое изображение каналов Orail (а), каналов ARC (б) и каналов семейства TRP (в).
лов: так называемые истинные рецепторуправля-емые каналы, каналы, открываемые вторичными посредниками, и каналы, открывающиеся после первоначального высвобождения ионов кальция из эндоплазматического ретикулума [3]. Этот механизм получил название депозависимого входа кальция (store-operated calcium entry — SOCE) [9]. Как недавно установлено, главные участники SOCE — канальные белки плазматической мембраны Orail и трансмембранный белок мембраны ретикулума STIM1 [10]. Обращенная во внутри-ретикулярное пространство часть молекулы STIM1 связывает ионы кальция с аффинностью в микромолярной области. После опорожнения ре-тикулума ионы кальция диссоциируют от белка STIM1, он кластеризуется в месте прилегания мембраны ретикулума и плазматической мембраны, происходит взаимодействие STIM1 с каналами Orai, активируется ток ионов кальция через плазмалемму и восполняются запасы внутрире-тикулярного кальция (рис. 1а). В мембране рети-кулума экспрессируется еще один сенсор ионов кальция STIM2 [11]. STIM2 также взаимодействует с Orai1. Поступление ионов кальция снаружи необходимо, так как часть их теряется клетками за счет работы кальциевой ATP-азы плазматической мембраны и Na+/Ca2+-обменника. Помимо депозависимых каналов белок Orai1 и другой представитель этой группы белков — Orai3, формируют особый тип каналов, активируемых ара-хидоновой кислотой — каналы ARC (arachidonate
regulated channels) [12]. Их активность не зависит от состояния внутриклеточных кальциевых депо. Каналы ARC сформированы тремя молекулами Orai1 и двумя молекулами Orai3, а также белком STIM1, локализованном в плазматической мембране, причем его Са-связывающий участок обращен во внеклеточную среду (рис. 1б).
В плазматической мембране экспрессируются катионные каналы семейства TRP [13]. Полипептидная цепь каналов TRP 6 раз пронизывает плазматическую мембрану (рис. 1в), N- и C-концы обращены в цитоплазму и через них происходит взаимодействие с каркасными и адапторными белками. Участок полипептидной цепи между пятым и шестым трансмембранными доменами формирует пору в мембране. Белки TRP формируют гетеротетрамеры. Идентифицировано около 30 каналов TRP, которые подразделяются на шесть подсемейств - TRPC, TRPV, TRPM, TRPA, TRPML и TRPP. Это преимущественно низкоселективные каналы, проводящие не только ионы кальция, но и одновалентные катионы. Некоторые из каналов TRP непроницаемы для ионов кальция и пропускают только одновалентные катионы. Каналы TRPV5/6, напротив, высокоселективны по отношению к ионам кальция, а каналы TRPM6/7 избирательно проницаемы для ионов магния. Структура каналов TRP схематически изображена на рис. 1в. Часть каналов TRP выполняют специфические физиологические функции и экспрессируются в отдельных типах
в
клеток, но многие из них присутствуют повсеместно. Это касается, в частности, канала ТЯРС1, который, по данным АтЪиёкаг и соавт. [14], вместе с ОгаП может осуществлять депозависимый транспорт ионов кальция.
В электровозбудимых клетках реализуется вход ионов кальция через потенциалуправляемые каналы, которые открываются при деполяризации плазматической мембраны. Существует несколько типов потенциалуправляемых кальциевых каналов — каналы L-типа (дигидропириди-новые рецепторы), М-, P/Q-, Я-, Т-типа [15]. Сейчас уже показано, что и в кардиомиоцитах, и в нейронах, и в клетках гладкой мускулатуры реализуются также рецепторзависимые механизмы входа ионов кальция из внешней среды. Однако особое положение среди электровозбудимых клеток всегда занимали волокна скелетных (поперечно-полосатых) мышц, поскольку считалось, что для их сокращений кальций во внешней среде не нужен. В волокнах скелетных мышц дигидро-пиридиновые рецепторы (каналы L-типа) не работают как кальциевые каналы. Они локализованы в трубочках Т-системы, прилегающих к терминальным цистернам саркоплазматического ретикулу-ма. Дигидропиридиновые рецепторы образуют там тетрамерные комплексы (тетрады) с риано-динчувствительными кальциевыми каналами первого типа (ЯуЯ1) саркоплазматического ретикулу-ма [16]. Функция дигидропиридиновых рецепторов в составе тетрад заключаются не в транспортировке внеклеточного кальция в цитоплазму, а в активации каналов ЯуЯ1 и в стимуляции таким образом выброса кальция из ретикулума. Поступившие в цитоплазму скелетных мышечных волокон ионы кальция быстро закачиваются обратно в саркоплазма-тический ретикулум. В поперечно-полосатых мышцах сердца экспрессированы рианодинчув-ствительные каналы ЯуЯ2, которые не образуют тетрады с дигидропиридиновыми рецепторами [17]. Последние выполняют функцию потенциа-луправляемых каналов L-типа, и входящие через них ионы кальция вызывают открывание каналов ЯуЯ2 в ретикулуме сердечных мышц. Таким образом, эти данные объясняют, почему периодические сокращения скелетных мышц, в отличие от сокращений сердца, могут происходить длительное время в отсутствие ионов кальция во внешней среде [18].
В последние 10 лет появились свидетельства того, что в скелетных мышечных волокнах присутствуют системы транспорта кальция, характерные для электроневозбудимых клеток. Было показано, что при последовательных сокращениях изолированной мышцы в бескальциевой среде, вызванных периодической деполяризацией сарколеммы высокими концентрациями ионов калия, сила сокращения падает, а добавление в таких условиях ингибитора кальциевой АТР-азы
циклопиазоновой кислоты вызывает опорожнение ретикулума и полную остановку сокращений [19]. С помощью зонда Fura-2 удалось зарегистрировать вызванный циклопиазоновой кислотой де-позависимый вход ионов кальция и входящего по депозависимым каналам тушителя флуоресценции Mn2+. Пространственные и кинетические характеристики депозависимого входа кальция были исследованы на скинированных мышечных волокнах с использованием двух флуоресцентных зондов, измеряющих концентрацию ионов кальция одновременно в замкнутых трубочках Т-си-стемы и в цитоплазме [20]. В скелетных мышечных волокнах депозависимый вход кальция локализован в месте контакта трубо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.