Введение

Внутриклеточный процесс связи

Кальциевая сигнализация – это использование ионов кальция (Ca2+) для передачи сигналов и управления внутриклеточными процессами, часто как этап в передаче сигнала. Ca2+ играет важную роль в клеточной сигнализации, поскольку, попадая в цитозоль цитоплазмы, он оказывает аллостерическое регуляторное воздействие на многие ферменты и белки. Ca2+ может участвовать в передаче сигнала, возникающей при активации ионных каналов, или выступать в качестве вторичного посредника, вызванного косвенными путями передачи сигнала, такими как рецепторы, связанные с G-белком.

Регулирование концентрации

Концентрация Ca2+ в цитоплазме в состоянии покоя обычно поддерживается на уровне около 100 нМ. Это в 20 000–100 000 раз ниже типичной внеклеточной концентрации. При определенных условиях внутриклеточная концентрация Ca2+ может начать колебаться с определенной частотой.

Путь фосфолипазы С

Специфические сигналы могут вызвать внезапное повышение цитоплазматической концентрации Ca2+ до 500–1000 нМ путем открытия каналов в эндоплазматической сети (ER) или плазматической мембране. Наиболее распространенным сигнальным путем, увеличивающим цитоплазматическую концентрацию кальция, является путь фосфолипазы C (PLC). Многие рецепторы клеточной поверхности, включая рецепторы, связанные с G-белком, и рецепторные тирозинкиназы, активируют фермент PLC. PLC использует гидролиз мембранного фосфолипида PIP2 для образования IP3 и диацилглицерола (DAG) – двух классических вторичных посредников. DAG присоединяется к плазматической мембране и рекрутирует протеинкиназу C (PKC). IP3 диффундирует к ER и связывается с IP3-рецептором. IP3-рецептор служит Ca2+-каналом и высвобождает Ca2+ из ER. Ca2+ связывается с PKC и другими белками, активируя их.

Утощение эндоплазматического сетчатки

Истощение запасов Ca2+ в ЭР приведет к поступлению Ca2+ извне клетки посредством активации "каналов, активируемых истощением запасов" (SOC). Этот приток Ca2+ называется кальциевым током, активируемым высвобождением Ca2+ (ICRAC). Механизмы, посредством которых происходит ICRAC, в настоящее время все еще изучаются. Хотя Orai1 и STIM1 были связаны в нескольких исследованиях с предлагаемой моделью кальциевого притока, опосредованного истощением запасов. В недавних исследованиях фосфолипаза A2 бета, никотинамидадениндинуклеотидфосфат (NAADP) и белок STIM1 были названы возможными медиаторами ICRAC.

Вторым посланником

Кальций – это повсеместный вторичный посредник с широким спектром физиологических функций. К ним относятся сокращение мышц, нейротрансмиссия (например, в возбуждающем синапсе), клеточная подвижность (включая движение жгутиков и ресничек), оплодотворение, рост клеток (пролиферация), нейрогенез, обучение и память, связанные с синаптической пластичностью, и секреция слюны. Высокие уровни цитоплазматического Ca2+ также могут вызывать апоптоз клетки. Другие биохимические функции кальция включают регуляцию активности ферментов, проницаемости ионных каналов, активности ионных насосов и компонентов цитоскелета. Многие события, опосредованные Ca2+, происходят, когда высвобожденный Ca2+ связывается и активирует регуляторный белок кальмодулин. Кальмодулин может активировать Ca2+-зависимые протеинкиназы или действовать непосредственно на другие эффекторные белки. Помимо кальмодулина, существует множество других белков, связывающих Ca2+, которые опосредуют биологические эффекты Ca2+.

При мышечных сокращениях

Сокращения скелетных мышечных волокон вызываются электрической стимуляцией. Этот процесс обусловлен деполяризацией поперечных трубчатых соединений. После деполяризации саркоплазматический ретикулум (СР) высвобождает Ca2+ в миоплазму, где он связывается с рядом кальций-чувствительных буферов. Ca2+ в миоплазме диффундирует к регуляторным участкам Ca2+ на тонких филаментах. Это приводит к фактическому сокращению мышцы. Сокращения гладких мышечных волокон зависят от механизма поступления Ca2+. При поступлении Ca2+ формируются поперечные мостики между миозином и актином, что приводит к сокращению мышечных волокон. Поступление может происходить за счет диффузии Ca2+ из внеклеточной среды через ионные каналы. Это может привести к трем различным результатам. Первый – равномерное увеличение концентрации Ca2+ по всей клетке, что вызывает увеличение диаметра сосудов. Второй – быстрое, зависящее от времени изменение мембранного потенциала, приводящее к очень быстрому и равномерному увеличению Ca2+. Это может вызвать спонтанное высвобождение нейротрансмиттеров через симпатические или парасимпатические нервные каналы. Последний возможный результат – специфический и локализованный выброс Ca2+ в субплазмалеммальной области. Этот тип выброса усиливает активацию протеинкиназы и наблюдается в сердечной мышце, где он вызывает связь возбуждения с сокращением. Ca2+ также может поступать из внутренних запасов в СР. Этот выброс может быть вызван риодиновыми рецепторами (RYR) или IP3-рецепторами. Выброс Ca2+ через RYR происходит спонтанно и локально, что наблюдается в ряде тканей гладкой мускулатуры, включая артерии, портальную вену, мочевой пузырь, мочеточники, ткани дыхательных путей и ткани желудочно-кишечного тракта. Выброс Ca2+ через IP3-рецепторы вызывается активацией IP3-рецептора на СР. Эти поступления часто спонтанны и локализованы, как это наблюдается в толстой кишке и портальной вене, но могут приводить к глобальной Ca2+-волне, как это наблюдается во многих сосудистых тканях.

В нейронах

В нейронах сопутствующее увеличение цитозольного и митохондриального Ca2+ важно для синхронизации нейронной электрической активности с митохондриальным энергетическим метаболизмом. Уровни Ca2+ в митохондриальной матрице могут достигать десятков мкМ, необходимых для активации изоцитратдегидрогеназы, одного из ключевых регуляторных ферментов цикла Кребса. Эндоплазматическая сеть (ЭР) в нейронах может служить сетью, интегрирующей многочисленные внеклеточные и внутриклеточные сигналы в бинарной мембранной системе с плазматической мембраной. Такая ассоциация с плазматической мембраной формирует относительно новое представление об ЭР и концепцию "нейрон в нейроне". Структурные характеристики ЭР, её способность служить резервуаром для Ca2+ и специфические белки, высвобождающие Ca2+, создают систему, способную генерировать регенеративные волны высвобождения Ca2+. Эти волны могут распространяться как локально, так и глобально в клетке. Эти сигналы Ca2+ интегрируют внеклеточные и внутриклеточные потоки и, как считается, участвуют в синаптической пластичности, памяти, высвобождении нейротрансмиттеров, возбудимости нейронов и долгосрочных изменениях на уровне транскрипции генов. Стресс ЭР также связан с сигнализацией Ca2+ и, наряду с реакцией на несвернутые белки, может вызывать деградацию, связанную с ЭР (ERAD), и аутофагию. Астроциты поддерживают прямую связь с нейронами посредством высвобождения глиотрансмиттеров. Эти передатчики обеспечивают коммуникацию между нейронами и активируются повышением уровня кальция вокруг астроцитов из внутриклеточных хранилищ. Это повышение уровня кальция также может быть вызвано другими нейротрансмиттерами. Примерами глиотрансмиттеров являются АТФ и глутамат. Активация этих нейронов приводит к увеличению концентрации кальция в цитозоле со 100 наномоляров до 1 микромоляра.

При оплодотворении

Приток Ca2+ во время оплодотворения наблюдается у многих видов как триггер для развития ооцита. Эти притоки могут происходить как однократное увеличение концентрации, как наблюдается у рыб и иглокожих, или как колебания концентрации, как наблюдается у млекопитающих. Триггеры этих притоков Ca2+ могут различаться. Приток наблюдается через мембранные каналы Ca2+ и запасы Ca2+ в сперматозоидах. Также было установлено, что сперматозоиды связываются с мембранными рецепторами, что приводит к высвобождению Ca2+ из эндоплазматической сети (ER). Сперматозоиды также высвобождают растворимый фактор, специфичный для данного вида, предотвращая межвидовое оплодотворение. Эти растворимые факторы активируют IP3, что вызывает высвобождение Ca2+ из ER через IP3-рецепторы. В некоторых модельных системах, например у млекопитающих, наблюдается сочетание этих механизмов. После высвобождения Ca2+ из ER яйцеклетка начинает процесс формирования слияния пронуклеусов и перезапуска митотического клеточного цикла. Высвобождение Ca2+ также отвечает за активацию NAD+-киназы, что приводит к биосинтезу мембран и экзоцитозу кортикальных гранул ооцита, формирующих гиалиновый слой и обеспечивающих медленный блок к полиспермии.