БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ, 2014, том 31, № 3, с. 155-167
= ОБЗОРЫ =
УДК 612
ТРАНСМЕМБРАННЫЙ КАЛЬЦИЕВЫЙ ТОК: МЕХАНИЗМ, МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ, КАЛЬЦИЙ-ОПОСРЕДОВАННЫЕ МОДУЛЯТОРЫ
СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ © 2014 г. С. Н. Гришин
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева, НИИ Прикладной электродинамики, фотоники и живых систем, ул. К. Маркса, 31/7, 420111, Казань;
электронная почта: sgrishin@inbox.ru Поступила в редакцию 07.12.2013 г.
В обзоре приведены данные о механизмах кальциевого тока и методах его регистрации. Главным образом внимание уделяется иону кальция как инициатору возбуждения клеток нервной и мышечной тканей и в особенности значению этого катиона для синаптической передачи. Кальциевая сигнализация опосредуется кальциевыми ионными каналами — как потенциал-зависимыми, так и лиганд-управляемыми. Движению ионов кальция через потенциал-зависимые мембранные каналы — кальциевому току и посвящена данная работа. В ней приведены данные о предпосылках возникновения кальциевого тока, основных методах его регистрации и влиянии на его параметры некоторых значимых эндогенных модуляторов мионевральной передачи.
Ключевые слова: ионы кальция, кальциевый ток, потенциал-зависимые кальциевые ионные каналы, электрофизиологические методы, синаптические модуляторы.
Б01: 10.7868/80233475514030037
ВВЕДЕНИЕ
Важная роль ионов кальция в регуляции функциональной активности почти всех клеток и тканей неоспорима. В покое концентрация свободного кальция в цитоплазме крайне мала — примерно в двадцать тысяч раз ниже, чем во внеклеточной среде. Повышение содержания ионов кальция до 10-6—10-5 М запускает каскад биохимических реакций, в результате которых клетка адекватно отвечает на внешний сигнал [1—3]. Широко известна роль ионов кальция в оплодотворении и развитии оплодотворенной клетки, экзоцитозе, секреции, нервной пластичности, генерации и проведении потенциала действия в кардиомиоцитах, для различных типов движения клеток и клеточных орга-нелл, свертывании крови и, конечно, в мышечном сокращении [4—9].
Увеличение внутриклеточной концентрации кальция возникает вследствие так называемого "кальциевого тока", т.е. перемещения ионов кальция через специальные белковые образования — ионные каналы, потенциал-зависимые и лиганд-управляемые [4, 10, 11]. Каналы, проницаемые для ионов кальция, могут располагаться как на плазматической мембране, так и на мембранах внутриклеточных органелл, например, саркоплазматического ретикулума [1, 3, 7, 11].
Настоящий обзор посвящен движению ионов кальция через потенциал-зависимые мембранные каналы.
КАЛЬЦИЕВАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ
Современные представления о механизмах взаимодействия ионов кальция с наружной поверхностью возбудимой клеточной мембраны берут начало от исследований Франкенхаузера [12] на нервных волокнах лягушки и Франкенхаузера и Ходжкина [13] на гигантских аксонах кальмара. В этих работах было обнаружено, что ионы кальция благодаря своим особым физико-химическим характеристикам являются универсальным внутриклеточным посредником, сопрягающим процессы, развивающиеся на поверхности клетки, с ее цитоплазматическим аппаратом. Каждая клетка тратит значительную часть энергии своего метаболизма на удаление ионов кальция из цитоплазмы или их связывание, что позволяет ей поддерживать в цитоплазме чрезвычайно низкое содержание ионов кальция в свободном состоянии. Тем самым создается трансмембранный градиент, позволяющий при физиологических процессах быстро инъецировать Са2+ в клетку (проводить кальциевый ток) и вызывать проходящее повышение цитоплазматической концентрации дан-
ных ионов [4, 12—14]. Амплитудные и временные характеристики кальциевых токов обуславливаются взаимодействием ряда клеточных механизмов: активацией в плазматической мембране каналов, проницаемых для кальция, захватом и последующим освобождением ионов кальция внутриклеточными запасниками (кальциевыми депо), связыванием Са2+ внутриклеточными буферными системами и выведением Са2+ из клетки системами активного транспорта или ионного обмена в плазматической мембране [1, 3, 14].
В процессе эволюции выработались эффективные механизмы удаления кальция во внеклеточное пространство или специализированные внутриклеточные структуры [1, 3, 15]. Низкая внутриклеточная концентрация кальция позволила клеткам использовать "впрыскивание" кальция в цитоплазму как сигнал на внешние воздействия, период действия кальция очень короток и ограничен миллисекундами [16].
Для реализации кальциевого сигнала существуют специальные внутриклеточные белковые рецепторы кальция, способные опосредовать действие этого иона на молекулярные мишени; таким рецептором в первую очередь является кальмодулин. К основным ферментам-исполнителям относят протеинкиназы В, аденилатцикла-зу, фосфодиэстеразу циклических нуклеотидов и кальций-кальмодулин-зависимую протеинфос-фотазу [15, 17].
ПОТЕНЦИАЛ-ЗАВИСИМЫЕ КАЛЬЦИЕВЫЕ КАНАЛЫ
Для всех клеток характерно наряду с натриевым и калиевым концентрационными градиентами поддержание высокого градиента концентрации ионов кальция между цитоплазмой и внеклеточной средой. Последний является обычно даже более высоким, несмотря на сравнительно небольшие концентрации кальция вне клетки; причина тому — исключительная способность клеток связывать эти ионы внутри себя и поддерживать благодаря этому концентрацию внутриклеточного ионизированного кальция на очень низком уровне. При таком градиенте ионы кальция должны были бы очень эффективно проходить через поверхностную мембрану внутрь клетки, если бы мембрана была для них проницаема [12—14].
Однако в покоящемся состоянии мембраны эти ионы практически не проходят через нее; основным путем их проникновения служат специализированные мембранные макромолекулярные структуры — ионные каналы, которые могут открывать путь для соответствующего диффузионного движения [4, 10, 11, 18].
Известно, что активация потенциалом действия кальциевых каналов нервной терминали за-
пускает машину экзоцитоза нейромедиатора, и те же потенциал-зависимые ионные каналы нервного окончания обеспечивают докирование си-наптической везикулы в активной зоне и предотвращают случайный экзоцитоз [1, 4—6]. В настоящее время обнаружены различные подтипы потенциал-зависимых Са2+-каналов: L, N Р^, Rи Т (таблица), различающихся по молекулярной структуре, свойствам, фармакологической чувствительности и локализации [19—45]. При классификации учитывались функциональные свойства каналов, такие как чувствительность к деполяризации мембраны и продолжительность открытого состояния. В исследованиях с применением специфических блокаторов (таблица) была обнаружена доминирующая роль ^типа кальциевых каналов в терминалях мотонейронов у амфибий (что не исключает экспрессию некоторых других подтипов кальциевых каналов), у ящериц — L-типа, а у млекопитающих — Р-типа с некоторым количеством каналов ^типа [23, 25, 26, 29, 32, 33, 35, 37, 40]. Появляется информация о существенной роли для мионевральной передачи лягушки и Т-типа кальциевого канала [41]. По-видимому, такое разнообразие каналов позволяет осуществлять тонкую регуляцию экзоцитоза в различных синапсах [4, 42].
Были клонированы изоформы кальциевых каналов из скелетной, сердечной и гладкой мышцы, а также из мозга. На молекулярном уровне кальциевый канал составлен из первичной канал-формирующей трансмембранной а1-субъедини-цы и вспомогательных а25-, р- и у-субъединиц [10]. При этом а2-субъединица находится на внешней стороне мембраны, р-субъединица — на внутренней, а 5- и у-субъединицы представляют собой трансмембранные структуры [4, 43]. Аминокислотная последовательность а1-субъедини-цы подобна аналогичной субъединице потенциал-зависимого натриевого канала [44]. Трансмембранные сегменты S1—S6 также гомологичны таковым натриевого канала [45].
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КАЛЬЦИЕВОГО ТОКА
Рассмотрим далее существующие методы регистрации ионного тока, проходящего через упомянутые потенциал-зависимые кальциевые каналы.
Исторически исследования развивались по двум направлениям: эксперименты с изолированными клетками либо участками клеточных мембран и работа с препаратами возбудимых тканей. Каждое из направлений имеет свои достоинства и определенные недостатки и соответствующие ограничения [1, 8, 14].
Характеристика различных подтипов потенциал-зависимых кальциевых каналов [19—45]
Тип Каналы Ген Активацион- Инакти- Специфические Локализация Процессы, в которых
ные свойства вация антагонисты задействованы каналы
L Cav1.1 CaChalS Высокопо- Нет Фенилалкил- Поперечные тубу- Электромеханическое
Cav1.2 CaChalC роговые амины, ди- лы скелетной мыш- сопряжение, освобожде-
Cav1.3 CaChalD гидропири- цы, кардиомиоци- ние гормонов, регуляция
дины, бензо- ты, эндокринные транскрипции, синапти-
Cav1.4 CaChalF тиазепины клетки, сома и денд-риты нейронов ческая интеграция
P/Q Cav2.1 CaChalA Высокопо- Медлен- ю-Агаток- Нервные терминали Освобождение нейро-
роговые ная син, IVA и дендриты трансмиттеров, дендритный Са2+-транзиент
N Cav2.2 CaChalB Высокопороговые Есть ю-CTx-GVIA Нервные терминали и дендриты Освобождение нейро-трансмиттеров, ноци-цепция, дендритный Са2+-транзиент
R Cav2.3 CaChalE Высокопороговые Нет SNX-482 Сома и дендриты нейронов Повторяющаяся пачечная активность
T Cav3.1 CaChalG Низкопоро- Есть - Сома и дендриты Эпилепсия, ноцицеп-
Cav3.2 CaChalH говые нейронов, кардио- ция, нарушение сна, ги-
CaChall миоциты пертензия, рак
Cav3.3
1. Регистрация кальциевого тока на изолированных клетках и участках клеточных мембран
Регистрация кальциевого тока на изолированных клетках/участках мембраны клеток активно проводится с середины 70-х годов прошлого века. Это направление исследований не перестает быть крайне актуальным по сей день [1, 8, 14, 46]. Начало ему было положено использованием в электрофизиологических экспериментах гигантских нервных клеток беспозвоночных животных, а его развитие способствовало распространению технологий культивации клеток [18, 46].
1.1. Регистрация кальциевого тока в условиях вн
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.