Кіріспе
Жасушаішілік байланыс процесі
Кальций сигнализациясы – бұл кальций иондарын (Ca2+) қолданып, жасушаішілік процестерді басқару және сигналдарды берудің бір қадамы ретінде хабар алмасу. Ca2+ жасушалық сигнализация үшін маңызды, себебі ол цитоплазманың цитозолына енгеннен кейін көптеген ферменттер мен ақуыздарға аллостериялық реттеуші әсер етеді. Ca2+ иондық каналдардың белсендірілуінен туындайтын сигналдарды жіберуде немесе G белоктарымен байланысқан рецепторлар сияқты жанама сигналдарды жіберу жолдары арқылы туындайтын екінші хабаршы ретінде әрекет ете алады.
Концентрация туралы ереже
Цитоплазмадағы Ca2+ тынығу концентрациясы әдетте 100 нМ шамасында ұсталып тұрады. Бұл, әдеттегі жасуша сырты концентрациясынан 20 000 - 100 000 есе төмен. Кейбір жағдайларда жасуша ішіндегі Ca2+ концентрациясы белгілі бір жиілікте өзгере бастауы мүмкін.
Фосфолипаза С жолы
Белгілі бір сигналдар ER немесе плазмалық мембранадағы каналдарды ашу арқылы цитоплазмалық Ca2+ деңгейінің 500–1000 нМ-ге дейін күрт өсуіне себеп болуы мүмкін. Цитоплазмалық кальций концентрациясын арттыратын ең көп таралған сигналдық жол – фосфолипаза C (PLC) жолы. G белоктарымен байланысқан рецепторлар және рецепторлық тирозинкиназалар сияқты көптеген жасуша бетіндегі рецепторлар PLC ферментін белсендіреді. PLC мембраналық фосфолипид PIP2-нің гидролизі арқылы екі классикалық екінші реттік хабаршы – IP3 және диацилглицерол (DAG) құрайды. DAG плазмалық мембранаға бекінеді және протеинкиназа C (PKC) тартып алады. IP3 ER-ге таралып, IP3 рецепторымен байланысады. IP3 рецепторы Ca2+ каналы ретінде жұмыс істейді және ER-ден Ca2+ бөліп шығарады. Ca2+ PKC және басқа ақуыздарға байланысып, оларды белсендіреді.
Эндоплазмалық тордың кемуі
ER-ден Ca2+ азаюы "қоймалық каналдардың" (SOC) іске қосылуы арқылы жасушадан тыс Ca2+ кіруіне алып келеді. Бұл Ca2+ ағыны Ca2+ босатылуымен белсендірілген Ca2+ тогы (ICRAC) деп аталады. ICRAC қалай жүзеге асатынының механизмдері қазіргі таңда зерттелуде. Орай1 және STIM1 бірнеше зерттеулерде қоймалық кальций ағынының болжамды моделімен байланыстырылған. Жақындағы зерттеулерде фосфолипаза А2 бета, никотин қышқылы аденин динуклеотид фосфаты (NAADP) және STIM 1 ақуызы ICRAC-тың мүмкін делдалдары ретінде көрсетілді.
Екінші хабаршы ретінде
Кальций – кең ауқымды физиологиялық рөлдері бар, кең таралған екінші хабаршы. Оларға бұлшықеттердің жиырылуы, нейрондық жүргізу (оқу синапсындағыдай), жасушалық жылжу (флагеллумдар мен кірпікшелердің қозғалысын қоса алғанда), ұрықтандыру, жасушалық өсу (көбею), нейрогенез, синапты пластикалық сияқты оқу және жад, сілекейдің бөлінуі жатады. Цитоплазмалық Ca2+ деңгейінің жоғарылауы жасушаның апоптозға түсуіне де алып келуі мүмкін. Кальцийдің басқа биохимиялық рөлдеріне ферменттік белсенділікті реттеу, иондық каналдардың өткізгіштігі, иондық сорғылардың жұмысы және цитоскелет құрауы кіреді. Ca2+ арқылы жүзеге асырылатын көптеген оқиғалар босатылған Ca2+ реттеуші белок кальмодулинмен байланысқанда және оны белсендіргенде болады. Кальмодулин Ca2+ кальмодулинге тәуелді протеинкиназаларды белсендіре алады немесе басқа эффекторлық белоктарға тікелей әсер ете алады. Кальмодулиннен басқа, Ca2+ биологиялық әсерлерін қамтамасыз ететін көптеген басқа Ca2+ байланыстыратын белоктар бар.
Бұлшықеттердегі жиырылулар
Скелеттік бұлшық ет талшықтарының жиырылуы электрлік стимуляция нәтижесінде пайда болады. Бұл процеске көлденең түтікшелік қосылыстардың деполяризациясы себеп болады. Деполяризациядан кейін саркоплазмалық тор (SR) миоплазмаға Ca2+ ионын бөліп шығарады, онда ол кальцийге сезімтал буферлермен байланысады. Миоплазмадағы Ca2+ ионы жұқа талшықтардағы Ca2+ реттегіш орындарға диффузиялайды. Бұл бұлшықеттің нақты жиырылуына алып келеді. Тегіс бұлшық ет талшықтарының жиырылуы Ca2+ ионының қалай ағынын қамтамасыз ететініне байланысты. Ca2+ ионы ағыны пайда болғанда, миозин мен актин арасында көпірлер қалыптасады, бұл бұлшық ет талшықтарының жиырылуына әкеледі. Ағын иондық каналдар арқылы жасушадан тыс Ca2+ ионының диффузиясынан туындауы мүмкін. Бұл үш түрлі нәтижеге алып келуі мүмкін. Біріншісі – жасушаның барлық бөлігінде Ca2+ ионы концентрациясының біркелкі артуы. Бұл қан тамырлары диаметрінің ұлғаюына жауап береді. Екіншісі – мембраналық потенциалдың уақытқа тәуелді жылдам өзгеруі, бұл Ca2+ ионының өте жылдам және біркелкі артуына әкеледі. Бұл симпатикалық немесе парасимпатикалық жүйке каналдары арқылы нейротрансмиттерлердің спонтанды босауына себеп болуы мүмкін. Соңғы мүмкін нәтиже – жасуша мембранасы астындағы Ca2+ ионының нақты және жергілікті босауы. Бұл типтегі босау белок киназасының белсенділігін арттырады және жүрек бұлшықетінде байқалады, онда ол қозу-концентрация байланысын тудырады. Ca2+ ионы SR-дегі ішкі резервтерден де пайда болуы мүмкін. Бұл босауды рианодин рецепторлары (RYR) немесе IP3 рецепторлары тудыруы мүмкін. RYR арқылы Ca2+ ионының босауы спонтанды және жергілікті болып келеді. Бұл артериялар, портальды вена, несеп қуығы, зәр жолдарының тіндері, тыныс жолдарының тіндері және асқазан-ішек жолдарының тіндері сияқты көптеген тегіс бұлшықет тіндерінде байқалады. IP3 Ca2+ ионының босауы SR-дегі IP3 рецепторының белсендірілуімен байланысты. Бұл ағындар көбінесе спонтанды және жергілікті болып келеді, мысалы, тоқ ішекте және портальды венада байқалады, бірақ көптеген қан тамырлары тіндерінде байқалатын Ca2+ ионының жаһандық толқынына әкелуі мүмкін.
Нейрондарда
Нейрондарда цитозольдік және митохондриялық Ca2+ деңгейінің бірдей уақытта артуы, митохондриялық энергия метаболизмімен нейрондық электрлік белсенділіктің синхронизациясы үшін маңызды. Митохондриялық матрицадағы Ca2+ деңгейі, Кребс циклының негізгі реттеуші ферменттерінің бірі – изоцитрат дегидрогеназаның белсенділігі үшін қажетті ондаған μM деңгейіне жете алады. Эндоплазмалық тор (ЭР) нейрондарда, плазмалық мембранамен екі қабатты мембраналық жүйеде көптеген клеткадан тыс және клетка ішіндегі сигналдарды біріктіретін желі ретінде қызмет ете алады. Плазмалық мембранамен мұндай байланыс ЭР-ді жаңа тұжырымдама ретінде қалыптастырады және «нейронның ішінде нейрон» тақырыбын тудырады. ЭР-дің құрылымдық ерекшеліктері, Ca2+ сіңіргіш ретінде әрекет ету қабілеті және Ca2+ босататын спецификалық ақуыздары, Ca2+ босатудың регенеративтік толқындарын тудыратын жүйені құруға көмектеседі. Бұл толқындар жасуша ішінде жергілікті және жаһандық деңгейде өзара әрекеттесе алады. Бұл Ca2+ сигналдары клеткадан тыс және клетка ішіндегі ағындарды біріктіреді және синапстық пластикалық, жад, нейротрансмиттерлерді босату, нейрондық қозу және ген транскрипциясы деңгейіндегі ұзақ мерзімді өзгерістерде маңызды рөл атқарады. ЭР стресі де Ca2+ сигнализациясымен байланысты және ашылмаған ақуызға жауаппен бірге, ЭР-мен байланысты деградацияны (ERAD) және аутофагияны тудыруы мүмкін. Астроциттер глиотрансмиттерлерді бөліп шығару арқылы нейрондармен тікелей байланысқа ие. Бұл берілістер нейрондар арасындағы қарым-қатынасты қамтамасыз етеді және астроциттердің ішкі резервуарларынан кальций деңгейінің артуымен іске қосылады. Кальцийдің артуына басқа нейротрансмиттерлер де себеп болуы мүмкін. Глиотрансмиттерлердің мысалдары – АТФ және глутамат. Бұл нейрондардың белсенділігі цитозольдегі кальций концентрациясының 100 наномолярдан 1 микромолярға дейін өсуіне әкеледі.
Ұрықтандыру кезінде
Көптеген түрлерде ұрықтандыру кезінде Ca2+ ағыны ооциттің дамуын қозғаушы фактор ретінде байқалады. Бұл ағындар балықтар мен теңіз жұлдыздарында байқалатындай концентрацияның бір реттік артуы түрінде, немесе сүтқоректілерде байқалатындай концентрациялардың құбылуымен жүруі мүмкін. Бұл Ca2+ ағындарын тудыратын себептер әртүрлі болуы мүмкін. Ағын мембраналық Ca2+ каналдары және сперматозоидтердегі Ca2+ қоймалары арқылы жүзеге асады. Сперматозоидтардың мембраналық рецепторларға байланысы ER-ден Ca2+ босатуға алып келеді. Сондай-ақ, сперматозоидтар осы түрге тән ерітінді факторды бөліп шығарады, бұл түрлер аралық ұрықтандырудың алдын қамтамасыз етеді. Бұл ерітінді факторлар IP3-ті белсендіріп, ER-ден IP3 рецепторлары арқылы Ca2+ босатуын тудырады. Кейбір модельдік жүйелер, мысалы сүтқоректілерде байқалатындай, осы әдістердің бірігуін қолданады. ER-ден Ca2+ босатылғаннан кейін жұмыртқа біріккен пронуклеус құру процесін бастайды және митоздық жасуша циклі қайта іске қосылады. Ca2+ босату NAD+ киназаның белсендірілуіне де жауапты, ол мембрана биосинтезіне алып келеді, сондай-ақ ооциттердің қабықшалық түйіршіктерінің экзоцитозына әкеледі, бұл полиспермияға баяу тосқауыл болатын гиалин қабатының қалыптасуына себеп болады.