Многоликий кальций
О.П.Балезина
Кальций — один из самых интересных химических элементов на Земле, играющий необычайно активную роль в живой природе. Именно поэтому знаменитый фармаколог и физиолог XX в., лауреат Нобелевской премии Отто Леви в своей широко цитируемой лекции воскликнул «Да, кальций — это все!->[1].
Ja, Kalzium das ist alles!
Otto Loevy. 1959 r.
Ольга Петровна Балезина, профессор кафедры физиологии человека и животных, доктор биологических наук, специалист в области синоптической физиологии. Область научных интересов — кальциевая регуляция белков, ферментов и эк-зоцитоза медиатора в синапсах.
Соли кальция в живой природе
Открыл этот новый химический элемент с массой 40 кд (40Са) и охарактеризовал его как щелочноземельный металл со специфическими свойствами и высокой реактивностью Х.Дэви в 1808 г. В отличие от типичных щелочных металлов, кальций не воспламеняется на воздухе, однако его куски быстро превращаются в окись, гидроокись и карбонат кальция, поскольку среда окислов углерода (СО и С02), инертная для большинства металлов, для кальция — агрессивная (он сгорает в их атмосфере). Это уникальное свойство во многом определило неисчислимое количество соединений кальция в природе, в основном в виде солей кислородсодержащих кислот. На поверхности Земли известно около 400 минералов, содержащих кальций, среди которых очень распространены силикаты, фосфорные соли — фосфорит Са !!'(>/) (ОН. С03) и апатиты Са (14 >.) (1. СГ), а также сульфа-
© Балезина О.П., 2012
ты — например, гипс Са804-2Н20. Но больше всего на Земле, конечно, карбонатов кальция — кальцита СаСО, и его природных форм — известняка, мела, мрамора, доломита (Са,М§)С03и др.
Минералы на основе СаСО, покрывают около 40 млн км2 земной поверхности. Большое количество известняка находится в природных водах благодаря глобальному карбонатному равновесию между практически нерастворимым СаС03, хорошо растворимым Са(НС03)2 и находящимся в воде и воздухе С02. В природе существуют также известняки биогенного происхождения. К ним относятся уникальные по красоте покровы: экзоскелеты фораминифер, раковины моллюсков, чешуи рыб, скорлупа яиц птиц, костная ткань всех позвоночных (табл.1). Несмотря на значимость твердых солей кальция для жизни организмов, интерес последних десятилетий в физиологии сосредоточен вокруг роли и активности свободного ионизированного кальция.
Таблица 1
Основные биоминералы кальция
Химический состав Форма минерала Где представлен и его функция
СаСО; Кальцит, арагонит, ватерит аморфный Экзоскелеты (скорлупа яиц, раковины моллюсков, кораллы полипов)
Са„(ОН)!(РО,)6 Ca,oF2(P04)6 Гидроксиапатит Флуороапатит Эндоскелеты (кости позвоночных н зубы)
CaCAfnHjO) (n = 1, 2) Вельвелит, ведделит Кальциевые сенсоры и пассивная защита растений
CaS04-2HA CaC; Гипс, карбонат кальция Отолиты — сенсоры гравитации и положения тела в пространстве у животных II человека
Ионизированный кальций в жизни клетки
Участие твердых нерастворимых солей кальция — карбонатов и фосфатов — в построении скелетов живых организмов обнаружилось достаточно давно. Растворимые соли кальция содержатся в водах Мирового океана, а также во внутренних средах нашего организма. Так, в плазме крови человека — порядка 1 мМ ионизированного кальция, но внутри клеток его всего 10"°— 10~7М, т.е. на четыре порядка меньше, чем снаружи! Ни один другой ион (натрия, калия, магния, хлора и др.), транспортируемый через мембрану клетки, не имеет столь мизерной внутриклеточной концентрации и столь крутого ее перепада между цитоплазмой и наружной средой клетки [2]. Поскольку в клетке в состоянии покоя кальция очень мало, очевидно, что любое увеличение его количества (при поступлении из наружной среды или внутриклеточных депо) воспринимается клеткой как новый сигнал [3] (рис.1).
Первым свидетельством регуляторной роли кальция стали исследования С.Рингера, который в 1889 г. показал необходимость кальция для сердечных сокращений. В середине XX в. установили, что для работы скелетных мышц также требуется повышенная концентрация кальция в цитоплазме, но он должен поступать не из наружной среды (как при сокращении сердца), а выбрасываться из цистерн эндоплазматического ретикулума. Наряду с регуляцией мышечных сокращений выяснился и другой чрезвычайно важный факт: ионы кальция участвуют в запуске секреции медиаторов в химических синапсах [4].
Универсальная роль кальция как внутриклеточного сигнала стала очевидной, когда на мембранах клеток обнаружили многочисленные семейства потенциал-зависимых и хемоактивируе-мых каналов, способных пропускать кальций в клетки [4]. В конце XX в. появление в клеточной физиологии внутриклеточных флуоресцентных красителей позволило воочию наблюдать, где
Рис.1. Схема клетки и внутриклеточных органелл, содержащих кальций. Из наружной среды ионы кальция поступают в цитоплазму по потенциалактивируемым Са:+-кана-лам (ПАСаК) и хемоактивируемым Са:+-каналам (ХАК); внутри клетки — из митохондрий по Са:+-поре, из цистерн эндоплазматического ретикулума (ЭР) по рианодиновым рецепторам (РиР). Указаны белки, выкачивающие кальций из цитоплазмы в наружную среду или внутрь органелл.
именно кальций появляется в клетке, как распространяется внутри нее и как долго сохраняется там его повышенная концентрация [5]. Многоли-кость внутриклеточных Са2+-сигналов поразила физиологов. Оказалось, что концентрация кальция может повышаться от 10~7 до 10~4 М. Кратковременный локальный всплеск концентрации кальция в цитоплазме (Са2+-сигналы) может выглядеть как маленькое, быстро рассасывающееся «облако», или как пик, возникающий вблизи места его входа в клетку (рис.2), или как спираль либо комета, распространяющаяся по цитоплазме, но возможен и равномерный подъем уровня кальция во всей цитоплазме [6]. Такое разнообразие объясняется множеством путей поступления кальция в клетку из наружной среды — по одиночному или группе каналов, отличающихся разной
10 'М
/
*
Рис.2. Регистрация Са:+-сигналов клеток. Слева — трехмерная реконструкция локального внутриклеточного Са:+-сигнала, регистрируемого с помощью микроскопа и предварительной нагрузки клетки флуоресцентным Са:+-красителем, и шкала разных цветовых оттенков, отражающая концентрацию кальция в цитоплазме клетки в диапазоне от Ю-7 М (бледно-голубой цвет) до 10" М (ярко-красный). Справа — кальциевое «свечение» в обонятельном нейроне, нагруженном флуоресцирующим кальциевым красителем: а — в покое (свечение равномерное, умеренное); 6 — при возбуждении нейрона возникают зоны красного свечения, отражающие места возросшей концентрации кальция в нейроне.
плотностью распределения на мембране, а также выбросом из цистерн ретикулума [5]. Из их мембран выделили внутриклеточные Са-каналы — риа-нодиновые рецепторы (рис.1), которые открываются в ответ на воздействие кальция (их называют Са2+-активируемыми). Благодаря тому, что эти каналы расположены группами и в разных точках мембраны ретикулума, кальций может появляться в разных областях цитоплазмы. Такая своеобразная локализация рианодиновых рецепторов на мембранах эндоплазматического ретикулума формирует внутри клеток особые траектории выброса кальция в цитоплазму [6].
В конце XX в. сложную систему внутриклеточной Са-сигнализации дополнил широкий спектр внутриклеточных Са2+-зависимых белков и ферментов. Согласно последним данным, в клетке насчитывается как минимум 40 типов таких специфических белков [3, 7]. Их подразделяют на семейства: Са2+-зависимые ионные каналы (например, для калия и хлора); Са2+-зависимые ферменты — киназы, фосфатазы, протеазы; Са2+-связыва-ющие регуляторные белки типа кальмодулина, кальдендрина; белки-хелаторы кальция, связывающие и изымающие кальций из цитоплазмы, контролируя тем самым изменения внутриклеточной концентрации кальция и форму Са2+-сигналов (например, белки парвальбумин, кальбиндин) [7]. Особенности сопряжения Са2+-сигналов разной модальности и разного генеза с Са2+-зависимыми белками и внутриклеточными реакциями — актуальная проблема клеточной физиологии. Это относится и к синапсам, где эти вопросы стали изучать лишь в последние 10—15 лет.
Кальциевая регуляция секреции медиатора
Роль кальция как триггера экзоцитоза синаптиче-ских везикул общеизвестна. Синаптические везикулы, содержащие медиатор, сосредоточены в активных зонах, вблизи от потенциалзависимых Са2+-каналов. Распространяющийся по нервным окончаниям импульс открывает Са2+-каналы, через которые устремляется поток ионов кальция. Они, связываясь с везикулярными белками, запускают слияние мембран везикулы и нервного окончания. Таким образом, кальций служит триггером экзоцитоза везикул. Но существует ли у него более широкая регуляторная роль, осуществляемая сигналами, которые поступают по другим путям? Цистерны эндоплазматического ретикулума и риано-диновые рецепторы уже описаны в нервных окончаниях центральных и периферических синапсов, но при каких условиях они активируются, участвуют ли в регуляции секреции медиатора, пока еще мало изучено. Поиски ответов на эти вопросы ведутся в последние годы как на центральных, так и периферических синапсах [8, 9].
Изучая нервно-мышечные синапсы скелетных мышц мыши, нам впервые удалось раскрыть условия взаимодействия разных типов Са2+-сигналов и обнаружить взаимосвязи кальциевой и ферментной систем, участвующих в регуляции секреции медиатора ацетилхолина. Мы установили, что в моторных синапсах, работающих в режиме коротких ритмических залпов, кальций поступает по Са2+-каналам (Р/С^-типа), которые находятся вблизи готовых к высвобождению ацетилхолина везикул, но не активирует рианодиновые рецепторы и выброс депонированного кальция [10]. Если же в работу вовлечен еще один тип потенциал-зависимых Са2+-каналов — «медленных» Са2+-кана-лов Ь-типа, то входящий по ним кальций активирует рианодиновые рецепторы и выброс депонированного кальция, а также усиливает секрецию ацетилхолина [11]. Выяснилось также, что в этом случае необходимо еще участие Са2-зависимого фермента протеинкиназы С, который также облегчает экзоцитоз везикул [12]. Предотвратить усилившийся
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.