Саркоплазматический ретикулум и регуляция уровня Ca2+
Кальций (Ca2+) в мышцах - это важнейший внутриклеточный мессенджер. Он не только вызывает сокращение волокон. Но и способствует фосфорилированию или дефосфорилированию белков, активирует протеолоиз, регулирует активность ферментов и много чего еще.
Причем, разница его концентрации в саркоплазме активных и расслабленных волокон различается тысячекратно. Поэтому концентрацию свободного кальция в саркоплазме необходимо точно контролировать. Эту задачу и решает саркоплазматический ретикулум, с некоторой помощью кальциевых буфферов, митоходнрий и каналов сарколеммы.
Причем, разница его концентрации в саркоплазме активных и расслабленных волокон различается тысячекратно. Поэтому концентрацию свободного кальция в саркоплазме необходимо точно контролировать. Эту задачу и решает саркоплазматический ретикулум, с некоторой помощью кальциевых буфферов, митоходнрий и каналов сарколеммы.
Саркоплазматический ретикулум и сеть т-трубочек в разрезе мышечного волокна
Саркоплазматическая ретикулум, он же саркоплазматическая сеть (ретикулум переводится как сеточка) – это специализированная форма эндоплазматической сети в мышечных клетках. Но, в отличии от ЭПС его ключевая роль: хранение и предоставление Ca2+.
Ретикулум представляет собой хорошо развитую сеть мембранных цистерн и трубочек, опоясывающих миофибриллы наподобии рваного рукава.
В скелетных мышцах ретикулум морфологически разделяется на два отдела: терминальные цистерны, контактирующие с Т-трубочками сарколеммы, и сеть продолговатых трубочек, соединяющих соседние цистерны друг с другом. Ее иногда называют L-канальцами или L-сетью (от англ. longitudinal – продольный).
Ретикулум представляет собой хорошо развитую сеть мембранных цистерн и трубочек, опоясывающих миофибриллы наподобии рваного рукава.
В скелетных мышцах ретикулум морфологически разделяется на два отдела: терминальные цистерны, контактирующие с Т-трубочками сарколеммы, и сеть продолговатых трубочек, соединяющих соседние цистерны друг с другом. Ее иногда называют L-канальцами или L-сетью (от англ. longitudinal – продольный).
Триады саркоплазматического ретикулума
Роль Т-трубочек заключается в передаче потенциала действия (нервного импульса) прямиком на ретикулум, вглубь мышечного волокна.
Каждые две Терминальные цистерны связаны с Т-трубочками и образуют триаду. У всех млекопитающих триады находятся в области пересечения светлых и темных участков саркомера (вблизи границы I & A дисков). Таким образом, на каждый саркомер приходится по две Триады.
Саркоплазматический ретикулум и Т-трубочки соединены друг с другом разными каркасными белками и соприкасаются особыми ножками-рецепторами.
Каждые две Терминальные цистерны связаны с Т-трубочками и образуют триаду. У всех млекопитающих триады находятся в области пересечения светлых и темных участков саркомера (вблизи границы I & A дисков). Таким образом, на каждый саркомер приходится по две Триады.
Саркоплазматический ретикулум и Т-трубочки соединены друг с другом разными каркасными белками и соприкасаются особыми ножками-рецепторами.
Взаимодействие рианодиновых и дигидропиридиновых рецепторов
Со стороны Т-трубочек это дигидропиридиновые рецепторы (DHPR), названные так из-за чувствительности к дигидроперединам. Они служат каналами, которые могут пропускать в клетку некоторое количество внешнего кальция, но главное, для скелетных мышц то, что при деполяризации мембраны они воздействуют на ножки-рецепторы ретикулума.
Эти рецепторы называются рианодиновые рецепторы (RyR). Из-за чувствительности к растительному алкалойду раианодину, которым они могут блокироваться. Это ионные каналы непосредственно ретикулума, высвобождающие кальций в саркоплазму. Причем, это крупнейшие из известных на сегодня ионных каналов вообще.
В скелетных мышцах они расположены таким образом, что примерно половина РиР контактирует с ДГПР.
Как именно рецепторы воздействуют друг на друга точно не установлено, есть разные теории. Но, самая популярная - механическая. Согласно ей, когда нервный импульс деполяризует мембрану (идет сигнал на сокращение), деполяризация приводит к изменению формы дигидропиридиновых рецепторов на Т-трубочках. ДГПР, меняя форму, механически воздействуют на рианодиновые, активируя их, и из РиР происходит выброс кальция в саркоплазму.
Такой выброс кальция называют кальциевой вспышкой.
Это быстрая передача команды к сокращению. И основной механизм выброса Са2+ для скелетных мышц.
Через РиР не связанные с ДГП также происходит медленная передача.
Они открываются следом, реагируя на повышение общей концентрации кальция.
В сердечной и в гладких мышцах, где между РиР и ДГПР нет механической связи, высвобождение Са2+ происходит только этим путем. Кальций поступает в клетку через ДГПР и при достаточном накоплении активирует рианодиновые.
Эти рецепторы называются рианодиновые рецепторы (RyR). Из-за чувствительности к растительному алкалойду раианодину, которым они могут блокироваться. Это ионные каналы непосредственно ретикулума, высвобождающие кальций в саркоплазму. Причем, это крупнейшие из известных на сегодня ионных каналов вообще.
В скелетных мышцах они расположены таким образом, что примерно половина РиР контактирует с ДГПР.
Как именно рецепторы воздействуют друг на друга точно не установлено, есть разные теории. Но, самая популярная - механическая. Согласно ей, когда нервный импульс деполяризует мембрану (идет сигнал на сокращение), деполяризация приводит к изменению формы дигидропиридиновых рецепторов на Т-трубочках. ДГПР, меняя форму, механически воздействуют на рианодиновые, активируя их, и из РиР происходит выброс кальция в саркоплазму.
Такой выброс кальция называют кальциевой вспышкой.
Это быстрая передача команды к сокращению. И основной механизм выброса Са2+ для скелетных мышц.
Через РиР не связанные с ДГП также происходит медленная передача.
Они открываются следом, реагируя на повышение общей концентрации кальция.
В сердечной и в гладких мышцах, где между РиР и ДГПР нет механической связи, высвобождение Са2+ происходит только этим путем. Кальций поступает в клетку через ДГПР и при достаточном накоплении активирует рианодиновые.
Механизмы выброса и обратной закачки Ca2+
Для обратной откачки Са2+ и расслабления мышц в мембране цистерн имеются кальциевые насосы, которые называются SERCA, это сокращение дословно переводится как «кальциевая АТФ-аза саркоэндоплазматического ретикулума» (от англ. Sarcoplasmic reticulum Са2+ ATPase ).
Наличие АТФ-азы здесь значит то, что работают они с использованием энергии АТФ. Затрачивая ее, они перемещают ионы кальция из саркоплазмы обратно в ретикулум.
Соответственно, если АТФ будет недостаточно, то кальций перестанет откачиваться и мышцы останутся в состоянии постоянного сокращения. Это еще одна причина трупного окоченения. И это же может быть одной из причин мышечных спазмов при перегрузках.
За счет деятельности этих насосов уровень кальция в саркоплазме расслабленных волокон всегда ниже чем в ретикулуме. Наибольшее количество насосов SERCA находится в L-канальцах.
Наличие АТФ-азы здесь значит то, что работают они с использованием энергии АТФ. Затрачивая ее, они перемещают ионы кальция из саркоплазмы обратно в ретикулум.
Соответственно, если АТФ будет недостаточно, то кальций перестанет откачиваться и мышцы останутся в состоянии постоянного сокращения. Это еще одна причина трупного окоченения. И это же может быть одной из причин мышечных спазмов при перегрузках.
За счет деятельности этих насосов уровень кальция в саркоплазме расслабленных волокон всегда ниже чем в ретикулуме. Наибольшее количество насосов SERCA находится в L-канальцах.
Элементы регуляции уровня Ca2+ в покое и при сокращении
Высокая концентрация Са2+ в ретикулуме достигается также благодаря наличию связывающих Са2+ белков. Ключевым и самым изученным из них является кальсеквестрин (секвестр – запасание, запасающий Са2+). Он фиксирован преимущественно на мембране ретикулума около рианадиновых рецепторов.
Этот белок связывает ионы кальция и помогает удерживать и накапливать их в цистернах не смотря на гораздо большую концентрацию Са2+ в ретикулуме, по сравнению с его концентрацией в саркоплазме. Причем, каждый белок кальсеквестрина, способен связывать десятки ионов Са2+, что довольно много.
Это наиболее важный кальций связывающий белок, но не единственный.
В скелетной мышечной ткани также встречаются, например, кальретикулин и парвальбумин. Парвальбумина особо много в саркоплазме быстрых мышечных волокон. А в медленных, напротив, его почти нет.
Схожим образом связывать кальций помогают и митохондрии.
Этот белок связывает ионы кальция и помогает удерживать и накапливать их в цистернах не смотря на гораздо большую концентрацию Са2+ в ретикулуме, по сравнению с его концентрацией в саркоплазме. Причем, каждый белок кальсеквестрина, способен связывать десятки ионов Са2+, что довольно много.
Это наиболее важный кальций связывающий белок, но не единственный.
В скелетной мышечной ткани также встречаются, например, кальретикулин и парвальбумин. Парвальбумина особо много в саркоплазме быстрых мышечных волокон. А в медленных, напротив, его почти нет.
Схожим образом связывать кальций помогают и митохондрии.
SOCE, механизм стабилизации внутреннего уровня Ca2+
В ретикулуме и сарколемме также существуют различные кальциевые каналы, которые помогают поддерживать его стабильный уровень. Например, классическая кальций-АТФаза плазматической (саркоплазматической) мембраны.
Ключевой же элемент этого механизма свойственный именно для саркоплазматического ретикулума получил название «депо-управляемый вход кальция», обозначающийся аббревиатурой SOCE (Store Operated Calcium Entry)
Он состоит из трансмембранных белков STIM & Orai.
STIM – находится на мембране ретикулума и действует как датчик.
Orai – это канал для поступления кальция находящийся на сарколемме, напротив STIM.
Когда внутриклеточные запасы кальция падают, STIM реагирует и взаимодействует с Orai, активирует его, и из внеклеточной среды начинает поступать Са2+, пополняя внутриклеточные запасы. При нормальной концентрации кальция – STIM на реагирует, и Orai остается закрытым.
Ключевой же элемент этого механизма свойственный именно для саркоплазматического ретикулума получил название «депо-управляемый вход кальция», обозначающийся аббревиатурой SOCE (Store Operated Calcium Entry)
Он состоит из трансмембранных белков STIM & Orai.
STIM – находится на мембране ретикулума и действует как датчик.
Orai – это канал для поступления кальция находящийся на сарколемме, напротив STIM.
Когда внутриклеточные запасы кальция падают, STIM реагирует и взаимодействует с Orai, активирует его, и из внеклеточной среды начинает поступать Са2+, пополняя внутриклеточные запасы. При нормальной концентрации кальция – STIM на реагирует, и Orai остается закрытым.
Основные белки участвующие в регуляции работы саркоплазматического ретикулума
Для практики, нам важно знать еще то, что на работу сети могут оказывать влияние различные внешние стимуляторы или наоборот, блокаторы.
Например, кофеин может связываться с рианодиновыми рецепторами и стимулировать их активность. Он делает их более чувствительными к потенциалу действия и свободному Ca2+, в результате чего происходит более выраженный и быстрый подъем концентрации Ca2+ в саркоплазме.
Все это оказывает влияние на силу и скорость мышечного сокращения.
Например, кофеин может связываться с рианодиновыми рецепторами и стимулировать их активность. Он делает их более чувствительными к потенциалу действия и свободному Ca2+, в результате чего происходит более выраженный и быстрый подъем концентрации Ca2+ в саркоплазме.
Все это оказывает влияние на силу и скорость мышечного сокращения.