Транспорт кальция через плазматическую мембрану

Транспорт кальция через плазматическую мембрану — ключевой процесс для жизнедеятельности клеток и их взаимодействия с окружающей средой. Кальций регулирует множество физиологических процессов, включая мышечные сокращения, передачу нервных импульсов и клеточную сигнализацию. Понимание механизмов транспорта кальция углубляет знания о биохимических процессах и помогает разрабатывать новые подходы к лечению заболеваний, связанных с нарушениями кальциевого обмена. Эта статья предлагает информацию о путях и механизмах транспорта кальция, что будет полезно студентам, исследователям и специалистам в области биологии и медицины.

Вход кальция в гепатоциты

Рассмотрим два ключевых механизма, через которые кальций проникает в гепатоциты: облегчённую диффузию и рецепторзависимые кальциевые каналы.

В частности, проанализируем кинетику накопления кальция в гепатоцитах, полученную при физиологической концентрации ионов кальция (1 мМ) в инкубационной среде. Эта кинетика может быть представлена как минимум двумя экспонентами. Параметры и характерные времена изотопного обмена для двух пулов, рассчитанные с помощью компартментализационного анализа кинетики входа и выхода радиоизотопа, хорошо совпадают.

Первый пул относится к наиболее быстро обмениваемому внутриклеточному кальцию. Для изучения механизма поступления кальция в гепатоциты мы ограничили время инкубации с кальцием до 3 минут и исследовали влияние различных факторов на поглощение кальция гепатоцитами в этом временном промежутке.

Известно, что высокая скорость поступления кальция в клетки электрически возбудимых тканей обусловлена наличием кальций-селективных каналов. Количество открытых каналов увеличивается с деполяризацией мембраны. В экспериментах это достигается либо устранением калиевого диффузионного потенциала (выравниванием концентрации калия вне и внутри клетки), либо открытием натриевых каналов с помощью таких соединений, как вератридин, батрахотоксин и грайанотоксин.

В отличие от возбудимых тканей, скорость поглощения кальция (нмоль/мг белка за 3 минуты) гепатоцитами не изменяется как при увеличении концентрации внеклеточного калия до 100 мМ, так и при добавлении вератридина.

Таким образом, можно сделать вывод, что в гепатоцитах отсутствуют потенциалзависимые кальциевые каналы, и/или указанные воздействия не влияют на электрический потенциал клеток. Оба предположения, вероятно, верны. С одной стороны, известно, что трансмембранный потенциал в гепатоцитах составляет примерно 30 мВ и в основном определяется распределением ионов хлора. С другой стороны, как показано, верапамил — блокатор потенциалзависимых кальциевых каналов — не влияет на скорость поступления кальция в гепатоциты. Это наблюдение согласуется с данными о том, что накопление кальция гепатоцитами после обработки ЭГТА не зависит от присутствия верапамила. Следует отметить, что увеличение концентрации верапамила от 10^-7 до 10^-4 М полностью блокирует эффект адреналина и альфа-агонистов, но не влияет на действие глюкагона, вазопрессина и цАМФ на активность фосфорилазы а и потерю кальция гепатоцитами. Однако было установлено, что этот эффект обусловлен тем, что в тех же концентрациях верапамил и другие производные D-600 действуют как антагонисты альфа-рецепторов. На другом объекте — клетках нейробластомы — было показано, что D-600 способен вытеснить специфический антагонист α2-рецепторов WB4101.

Зависимость скорости поглощения кальция от концентрации кальция в инкубационной среде имеет характер кривой с насыщением, что указывает на механизм облегчённой диффузии. Полумаксимальная скорость поглощения кальция достигается при концентрации ионов кальция 0,1 мМ, что в 3-5 раз меньше соответствующих значений, определённых для клеток почек, костной ткани и лимфоцитов. Таким образом, изменения концентрации ионов кальция в плазме в диапазоне от 1,1 до 1,8 мМ не могут существенно повлиять на скорость входа кальция в клетки печени.

Какова же природа переносчика, осуществляющего облегчённую диффузию кальция через плазматическую мембрану гепатоцитов? Очевидно, первым этапом его функционирования является связывание кальция на внешней поверхности мембраны. Этот процесс, как и в случае других изученных тканей, может быть конкурентно ингибирован другими поливалентными катионами (в частности, Со²⁺).

Паркер и Барит обнаружили, что добавление 250 мкМ LaCl₃ увеличивало скорость входа кальция в гепатоциты в 3-4 раза. На основании этого наблюдения было выдвинуто предположение, что кальцийтранспортирующие системы гепатоцитов и других клеток существенно различаются по своим свойствам. Однако следует отметить, что инкубационная среда, помимо 1,3 мМ CaCl₂, содержала 1,2 мМ K₂HPO₄. Добавление LaCl₃ в такую систему приводит к образованию нерастворимых комплексов фосфата, что может быть причиной артефактов в подобных экспериментах.

В случае невозбудимых тканей накоплено достаточно данных о том, что 2- и 3-валентные катионы ингибируют перенос ионов кальция через плазматическую мембрану, осуществляемый по механизму кальций-натриевого обмена. Скорость поступления кальция в адипоциты должна увеличиваться с уменьшением концентрации натрия снаружи (Naeх) и с увеличением концентрации натрия внутри клеток (Nain). Такие данные были получены в экспериментах на возбудимых тканях, а также на срезах поджелудочной железы и медулы надпочечников.

Тем не менее полная замена ионов натрия в инкубационной среде на ионы калия не влияет на параметры кальцийтранспортирующей системы гепатоцитов. Добавление уабаина к гепатоцитам приводит к 10-15-кратному уменьшению скорости входа 38Rb, что свидетельствует о высокой удельной активности Na, K-АТФазы и связанных с её активностью нетто-потоков натрия и калия. Однако увеличение внутриклеточной концентрации натрия за счёт введения уабаина не влияет на скорость входа 45Ca в гепатоциты. Некоторое изменение максимальной скорости поглощения и сродства к ионам кальция наблюдается при замене хлорида натрия на хлорид лития или холинхлорид. Однако эти изменения имеют противоположный характер и, возможно, не связаны с непосредственным влиянием на кальциевый переносчик. Например, известно, что замена Na⁺ на холин (+), но не на Li⁺, уменьшает скорость входа Cl⁻ в гепатоциты.

Отсутствие Na – Ca-переносчика в клетках печени также подтверждается данными, полученными в лаборатории Ван Россума. В экспериментах с 45Ca не было обнаружено влияния уабаина на скорость входа этого изотопа в срезы печени. При регистрации нетто-потока кальция из изолированных клеток печени в условиях анаэробиоза показана независимость этого процесса от концентрации внеклеточного натрия и уабаина. Также не обнаружено значительных различий в скорости высвобождения 45Ca из вывернутых везикул плазматической мембраны гепатоцитов при добавлении ионов натрия или калия.

Можно предположить, что отсутствие влияния натрия на транспорт кальция в гепатоцитах связано с низким сродством гипотетического переносчика к натрию, в результате чего при физиологических условиях он функционирует в режиме кальций-кальциевого (Ca/Ca) обмена. В этом случае скорость поглощения 45Ca должна увеличиваться при повышении концентрации ионов кальция внутри клетки. Действительно, если предположить, что при совместном действии олигомицина и антимицина А концентрация ионов кальция в цитоплазме увеличивается, то стимулирующий эффект этих соединений на поглощение 45Ca гепатоцитами можно объяснить в терминах Ca/Ca-обмена. Увеличение концентрации кальция внутри клетки под действием этих агентов может быть как результатом их прямого влияния на кальций-аккумулирующую способность митохондрий, так и следствием уменьшения активности других АТФ-зависимых кальцийтранспортирующих систем клетки. Так, уже через 5 минут инкубации гепатоцитов с разобщителем окислительного фосфорилирования происходит 20-кратное уменьшение содержания АТФ.

В силу электронейтральности Ca/Ca-обмена скорость этого процесса не должна зависеть от электрического потенциала плазматической мембраны. В случае Na – Ca-переносчика, когда стехиометрия натрий-кальциевого (Na/Ca) обмена, согласно литературным данным, колеблется в пределах 2:1–4:1, следует ожидать либо независимости скорости поглощения кальция от величины потенциала, либо увеличения скорости этого процесса с деполяризацией мембраны.

Известно, что, как и в большинстве других тканей, концентрация ионов калия в гепатоцитах в 20-30 раз выше, чем во внеклеточной жидкости, достигая 150 мМ. При введении калиевого ионофора (валиномицина) и повышении концентрации внеклеточного калия можно снизить потенциал гепатоцитов фактически до нуля. В этих условиях скорость поглощения кальция уменьшается в 2 раза. Из этих экспериментов можно сделать вывод, что наряду с электронейтральным Ca/Ca-обменом существует другой, потенциалзависимый переносчик кальция.

Следует отметить, что уменьшение скорости входа кальция с деполяризацией мембраны было продемонстрировано как минимум на одном другом объекте — эритроцитах, где предполагается наличие однонаправленного переносчика кальция. Как и в случае митохондрий, этот переносчик контролирует трансмембранный поток кальция по механизму электрофореза, т.е. скорость переноса увеличивается с увеличением отрицательного потенциала на внутренней поверхности мембраны.

Сравнительно низкая скорость поступления кальция в интактные эритроциты, по-видимому, связана с низким значением мембранного потенциала (около 10 мВ). Как уже упоминалось, в клетках печени этот показатель примерно в 3-4 раза выше.

Второй механизм входа кальция в гепатоциты — рецепторзависимые кальциевые каналы — связан с «эффектом фосфоинозитидов». Как уже было показано, в гепатоцитах отсутствуют потенциалзависимые Na- и Ca-каналы. Оперативные пути воздействия на электрический потенциал мембраны путём изменения её проницаемости для Cl⁻, которые могли бы «использовать» клетки для регуляции скорости транслокации какого-либо кальциевого переносчика, не известны. Модификация проницаемости для ионов калия путём открытия так называемых кальцийзависимых K-каналов в настоящее время установлена только для эритроцитов и клеток возбудимых тканей.

Возможным механизмом увеличения внутриклеточной концентрации кальция в гепатоцитах под действием альфа-агонистов может быть существование рецепторзависимых кальциевых каналов, т.е. таких каналов, проницаемость которых непосредственно контролируется взаимодействием лигандов с определённым классом рецепторов. Предполагается, что, аналогично механизму активации аденилатциклазы рецепторами, активация кальциевых каналов осуществляется через взаимодействие альфа-рецепторов с ГТФ-связывающим белком. Однако строгие экспериментальные доказательства этого предположения отсутствуют. Гораздо больше данных свидетельствует о том, что открытие кальциевых каналов после активации альфа-рецепторов опосредовано через так называемый фосфоинозитидный эффект.

Фосфоинозитидный эффект — это обобщённое название для резкого увеличения скорости обмена монофосфоинозитида (МФИ) и полифосфоинозитидов (ПФИ) в ответ на стимуляцию клеток рядом агентов; в случае гепатоцитов речь прежде всего идёт об альфа-агонистах, вазопрессине и ангиотензине II.

В 1953 году появилось первое сообщение о повышенном включении меченого ортофосфата в фосфолипиды поджелудочной железы и головного мозга голубя, а также коры головного мозга морской свинки при действии ацетилхолина (фосфолипидный эффект). Дальнейшие исследования показали, что в этом случае наиболее быстро происходит мечение МФИ и фосфатидной кислоты (ФК). Показано, что физиологический ответ клеток на стимулы, приводящие к мечению этих фосфолипидов в различных тканях (но не само мечение), существенно зависит от концентрации кальция в инкубационной среде и цитоплазме (опыты с использованием кальциевого ионофора). На основании этих данных был сделан вывод о том, что повышенное мечение МФИ (ответ МФИ) связано в определённой мере с регуляцией скорости поступления кальция через плазматическую мембрану.

К этому времени стало очевидно, что включение 32P в МФИ может происходить в ходе циклического превращения липидов: МФИ превращается в диацилглицерин (ДГ), тот в ФК, далее в МФИ, причём фермент, катализирующий последнюю реакцию, локализован в эндоплазматическом ретикулуме. Появление новых данных о временных характеристиках ответа МФИ в некоторых тканях (клетки гладкой мускулатуры, околоушной железы, тромбоциты) позволило предположить, что одна из реакций этого цикла, а именно накопление ФК, может быть непосредственной причиной вхождения кальция в клетку благодаря тому, что этот метаболит обладает свойствами кальциевого ионофора. В этой же работе была предложена гипотеза о первичных событиях рецепторного ответа, согласно которой взаимодействие гормона и рецептора приводит к увеличению доступности МФИ для растворимой специфической фосфолипазы С (МФИ—фосфодиэстераза). Образующийся диацилглицерин фосфорилируется под действием мембраносвязанной 1,2-диацилглицеринкиназы до ФК.

Исследования, проведённые на изолированных гепатоцитах, показали, что добавление ФК примерно в 2 раза увеличивает скорость входа 45Ca в клетки.

Остаётся открытым вопрос: приводит ли ответ МФИ к мобилизации выхода 45Ca из внутриклеточных депо? В этой связи следует отметить, что ФК в тех же концентрациях, в которых она стимулирует вход 45Ca в гепатоциты, не влияет на кальций-аккумулирующую способность митохондрий.

На сегодняшний день накоплено множество данных (в том числе и для гепатоцитов) об усилении обмена ПФИ (ответ ПФИ), а именно фосфатидилинозит-4-фосфата (дифосфоинозитида, ДФИ) и фосфатидилинозит-4,5-дифосфата (трифосфоинозитида, ТФИ) в ответ на стимуляцию клеток теми же агентами, которые вызывают описанный выше ответ МФИ.

Существуют две возможные деградации ТФИ до ДГ: ТФИ превращается в ДФИ, а затем в ДГ, или ТФИ превращается в ДГ. В обоих случаях деградация ТФИ должна приводить к высвобождению связанного с ним кальция. Учитывая относительно малое содержание ТФИ в мембране, маловероятно, что в результате только этих реакций концентрация кальция в цитоплазме существенно повысится. Однако можно предположить, что ТФИ входит в состав рецепторзависимого кальциевого канала. В этом случае гидролиз ТФИ может привести к открытию этого канала и увеличению скорости поступления кальция в цитоплазму.

Другая возможность вовлечения ответа ПФИ в изменение внутриклеточного распределения кальция обсуждается в работе Берриджа. Согласно предложенной автором гипотезе, водорастворимые продукты деградации ПФИ (инозит-1,4,5-трифосфат, И-1,4,5-ТФ и инозит-1,4-дифосфат, И-1,4-ДФ) могут выступать в качестве посредников, передающих сигнал от рецептора к внутриклеточному депо кальция, вызывая высвобождение кальция в цитоплазму.

Ответ МФИ не зависит от концентрации кальция в цитоплазме. С другой стороны, по крайней мере для мембраны эритроцитов, показано, что активность ПФИ-фосфодиэстеразы проявляется только в присутствии кальция.

Для гепатоцитов также установлено, что ответ ПФИ на действие вазопрессина уменьшается примерно в 2 раза в среде, где кальций был замещён на 0,2 мМ ЭГТА. На основании этих данных можно предположить, что деградация ПФИ в гепатоцитах может регулироваться внутриклеточным кальцием. Однако следует отметить, что одного кальция для индукции ответа ПФИ недостаточно, так как введение кальциевого ионофора на фоне 1,3 мМ CaCl₂ не вызывает гидролиза ПФИ. Возможно, что, как и в случае ответа МФИ, для инициации гидролиза ПФИ необходима доступность субстрата для ПФИ-фосфодиэстеразы, что достигается в результате взаимодействия гормона с рецептором.

На сегодняшний день не решён вопрос: какой из указанных выше двух путей метаболизма ТФИ (ТФИ превращается в ДГ или ТФИ превращается в ДФИ, а затем в ДГ) реализуется в клетках? На основании данных о кинетике содержания 33P в предварительно меченных ПФИ гепатоцитов сделан вывод, что стимуляция клеток вазопрессином приводит к распаду ТФИ только по диэфирной связи. В своё время этот путь отвергался для ТФИ синаптосом головного мозга на том основании, что среди водорастворимых продуктов реакции не было обнаружено заметного количества инозит-1,4,5-трифосфата. Недавние исследования метаболизма ПФИ клеток слюнной железы мясной мухи, стимулируемых серотонином, показали, что инозит-1,4,5-трифосфат образуется в ходе распада ТФИ, и уже через 5 секунд его концентрация в 5-6 раз превышает базальный уровень.

Не решён также вопрос: какая из стадий фосфоинозитидного эффекта — ответ МФИ или ответ ПФИ — первична? В исследовании, проведённом Берриджем, накопление инозит-1,4-дифосфата предшествовало накоплению инозит-1-фосфата и инозита. На этом основании сделан вывод о первичности ответа ПФИ. Однако если учесть приведённые выше данные о регуляции кальцием скорости гидролиза ПФИ, можно предположить, что уровень гидролиза МФИ для обеспечения ответа ПФИ по кальцийзависимому пути может быть ниже пределов разрешения метода, использованного в работе Берриджа.

С другой стороны, сравнительно недавно получены данные о том, что при концентрации магния 1 мМ для активации фосфодиэстеразы ПФИ требуется более 100 мкМ кальция. Действие кальция не зависело от присутствия кальмодулина. Эти два факта ставят под сомнение возможность участия кальция в регуляции гидролиза диэфирной связи ПФИ в клетке.

Эксперты в области клеточной биологии подчеркивают важность транспортировки кальция через плазматическую мембрану для поддержания клеточного гомеостаза. Кальций играет ключевую роль в различных физиологических процессах, включая сокращение мышц, передачу нервных импульсов и регуляцию клеточного цикла. Основные механизмы, обеспечивающие транспорт кальция, включают активный транспорт с помощью кальциевых насосов и пассивный транспорт через кальциевые каналы. Исследования показывают, что нарушения в этих процессах могут приводить к различным заболеваниям, таким как сердечно-сосудистые расстройства и нейродегенеративные болезни. Ученые продолжают изучать молекулярные механизмы, регулирующие кальциевый обмен, что может открыть новые горизонты для разработки терапевтических стратегий.

Плазматическая мембрана – Евгений Шеваль

Выход кальция из гепатоцитов

К настоящему времени известны две системы, способные осу­ществлять транспорт кальция из клеток: Na/Ca-обмен и кальцие­вый насос. В первом случае для преодоления электрохимического градиента используется энергия, запасенная в виде концентрационного градиента натрия. Как уже обсуждалось выше, этой системы транспорта кальция в гепатоцитах обнаружить не удалось.

Функционирование кальциевого насоса связано с гидролизом АТФ, осуществляемого Mg-зависимой Са-активируемой аденозинтрифосфатазой (Са-АТФаза). Свойства Са-АТФазы лучше всего изучены на примере эритроцитов и кратко суммированы ниже:

• Сродство к ионам кальция: 0,5-50мкМ;
• Максимальная активность: 10-20 нмоль/мг белка в 1 минуту;
• Сродство к АТФ: 20-50мкМ;
• Сродство к ионам магния: 20-50мкМ;
• Энергия активации: 13-15ккал/моль;
• Ингибиторы: La³⁺, этакриновая кислота, мерсалил, рутениевый красный, локальные ортованадат, DIDS;

Примечание: такие вещества, как уабаин, олигомицин, NaN₃, NaF, кофеин, не ингибируют Са-АТФазу.

Эксперименты, проведенные на вывернутых везикулах мембраны эритроцитов, показали, что параметры Са-АТФазы, приведенные выше, и параметры кальциевого насоса абсолютно идентичны и, по всей видимости, при гидролизе одной молекулы АТФ из клетки высвобождается один или два иона кальция. Впо­следствии кальциевый насос с подобными характеристиками был обнаружен в целом ряде тканей: клетки скелетной, сердечной и гладкой мускулатуры, синаптосомы, адипоциты, лимфоциты, почки и т.д. По крайней мере в случае эритроцитов активности Са-АТФазы достаточно, чтобы полностью компенсировать приток кальция в клетку, поддерживая при этом его концентрацию в цито­плазме на уровне около 10^-7М.

Первые попытки идентифицировать Са-АТФазу с высоким срод­ством к ионам кальция в плазматических мембранах клеток пече­ни не увенчались успехом, что, по всей видимости, связано с высоким содержанием аденозинтрифосфатазы, активируемой миллимолярными концентрациями магния или кальция. Другая особенность клеток печени состоит в высокой активности эндоген­ных протеаз и прочих лизосомальных ферментов. Уже через 10 минут инкубации при 37°С гомогенат печени полностью теряет способность к АТФ-зависимому накоплению каль­ция внутри мембранных фракций даже в присутствии такого инги­битора протеаз, как фенилметилсульфонилфторид (5-10^-5М). Тем не менее, используя метод обработки мембран детергентом с по­следующей очисткой на колонке с иммобилизованным конковалином А, Лотерштейн с соавторами получили плазматические мембраны, которые обладали АТФазной активностью с высоким сродством к ионам кальция (К_0,5 = 13±5нМ).

Следует отметить, что эта величина примерно на порядок мень­ше, чем К_0,5 для Са-АТФаз других тканей. Другие ее особенности — крайне высокая удельная активность (2 мкмоль/мг белка в 1 минуту), высокое сродство к ионам магния (К_0,5 = 12мкМ) и низкая специфичность по отношению к субстрату. Так, при заме­не АТФ на УТФ, ИТФ, ЦТФ или ГТФ сродство АТФазы к субстрату изменяется не более чем в 2-3 раза (20-50мкМ), а максималь­ная скорость варьирует в пределах 2-0,7 мкмоль/мг белка в 1 минуту.

Начиная с конца 70-х годов было уста­новлено, что в большинстве тканей сродст­во к ионам кальция и максимальная актив­ность Са-насоса плазматических мембран увеличивается при добавлении кальцийсвязывающего белка — кальмодулина. Содержание кальмодулина в клетках печени относительно велико. Однако при изучении Са-АТФазы плазматической мембраны гепатоцитов не удалось обнаружить влияния на ее актив­ность как кальмодулина, так и фенотиазинов — соединений, препятствующих взаимодействию комплекса Са – кальмодулин с фермен­том-исполнителем.

Более того, в работе Иваза с соавторами было обнаруже­но, что добавление экзогенного кальмодулина на 20-30% снижа­ет активность Са-АТФазы гепатоцитов.

С другой стороны, показано, что чувствительность к Са-АТФазе плазматических мембран гепатоцитов зависит от присутствия белкового активатора, который по чувствительности к высоким температурам отличен от кальмодулина. В этой же работе было установлено, что активность Са-АТФазы гепатоцитов резко уменьшается при увеличении концентрации Mg-АТФ. Впоследствии было обнаружено, что этот эффект связан с присутствием в плазматических мембранах магнийзависимого ингибитора Са-АТФазы, влияние которого конкурентно устраняется при добавлении избыт­ка активатора.

При исследовании скорости поглощения кальция в вывернутые везикулы плазматической мембраны были подтверждены данные о высоком сродстве этой кальцийтранспортирующей системы к ионам кальция (14-17нМ), хотя максимальная скорость поглощения кальция была примерно в 50 раз меньше величины, соответствующей активности Са-АТФазы. В отличие от АТФазы Са-насос активировался только АТФ, а УТФ, ГТФ и ЦТФ влияния не оказывали.

Последние наблюдения согласуются с гипотезой о том, что толь­ко АТФ может обеспечить сопряжение АТФазной активности с катион-транспортирующей функцией. Как и в случае Са-АТФазы, активность Са-насоса не зависит от присутствия экзогенного каль­модулина, фенотиазинов и незначительно ингибируется недавно синтезированным антибиотиком R24571, обладающим высоким сродством к комплексу кальций – кальмодулин. В отличие от кальцийтранспортирующей системы эндоплазматического ретику­лума транспорт кальция в вывернутых везикулах плаз­матической мембраны не зависит от присутствия оксалата.

Данные о гормональной регуляции Са-насоса плазматических мембран немногочисленны. Сравнительно недавно было выявлено, что добавление к плазматическим мембранам адипоцитов инсули­на (100мк МЕ/мл) приводит к уменьшению активности Са-АТФ­азы на 60%. Такой же эффект получен и при предваритель­ной инкубации адипоцитов с инсулином, где одновременно с инги­бированием Са-АТФазы отмечено уменьшение уровня фосфорилирования белка с молекулярным весом 110кД. Полу­чены также первые данные об ингибировании инсулином Са-АТФ­азы плазматических мембран гепатоцитов.

В другой серии работ было показано, что при действии инсу­лина на клетки скелетной мускулатуры и адипоциты увеличивается содержание как в гомогенате, так и в плазматиче­ских мембранах низкомолекулярной субстанции (1000-1500 дальтон), инактивирующейся при кипячении. Было обнаружено, что при добавлении этой субстанции к плазматическим мембранам адипо­цитов в 2-3 раза увеличивается как активность Са-АТФазы, так и скорость аккумуляции⁴⁵Са вывернутыми везикулами; при добавлении к митохондриям эта же субстанция активировала пируватдегидрогеназу.

Физиологическая значимость этих наблюдений обусловлена тем, что механизм антагонистического действия инсулина по отношению к активации клеток как через бета-, так и через альфа-рецепторы не уста­новлен. Известно, однако, что в случае альфа-агонистов (но не вазопрессина, ангиотензина II или А23187) инсулин уменьшает также и их воздействие на внутриклеточное распределение кальция в гепато­цитах.

Интересные факты

Вот несколько интересных фактов о транспорте кальция через плазматическую мембрану:

1. Кальциевые каналы: Транспорт кальция через плазматическую мембрану осуществляется в основном с помощью специфических кальциевых каналов, таких как L-тип и T-тип каналы. Эти каналы открываются в ответ на изменения мембранного потенциала или связывание с определёнными лигандами, что позволяет кальцию входить в клетку и участвовать в различных клеточных процессах.

2. Роль в сигнализации: Кальций является важным вторичным мессенджером в клеточной сигнализации. Его уровень в цитоплазме может быстро изменяться в ответ на внешние сигналы, что запускает каскады биохимических реакций. Например, увеличение концентрации кальция может активировать ферменты, такие как кальмодулин, и влиять на процессы, такие как сокращение мышц, секреция гормонов и передача нервных импульсов.

3. Энергетические затраты: Транспорт кальция через мембрану требует энергии, особенно в случае активного транспорта. Кальциевые насосы, такие как Ca²⁺-АТФаза, используют АТФ для перемещения кальция из клетки или в эндоплазматический ретикулум, поддерживая низкий уровень кальция в клетке в покое. Это критически важно для поддержания клеточной гомеостаза и предотвращения токсичности, связанной с избытком кальция.

Мембрана клетки и транспорт через Горячев А.С.

Регуляция кальциевого транспорта в клетках

Регуляция кальциевого транспорта является важным аспектом клеточной физиологии, так как кальций (Ca²⁺) играет ключевую роль в различных клеточных процессах, включая мышечные сокращения, нейротрансмиссию, секрецию гормонов и клеточную пролиферацию. Уровень кальция в клетках строго контролируется, и его транспорт через плазматическую мембрану осуществляется с помощью различных механизмов.

Существует несколько основных способов, с помощью которых кальций транспортируется через плазматическую мембрану:

• Кальциевые каналы: Эти белковые структуры позволяют ионам кальция проходить через мембрану по градиенту концентрации. Кальциевые каналы могут быть активированы различными сигналами, такими как электрические импульсы или связывание с лигандами. Примеры включают L-тип кальциевых каналов, которые играют важную роль в мышечных клетках и нейронах.
• Кальциевые насосы: Эти мембранные белки активно перекачивают ионы кальция из клетки, используя энергию, получаемую от АТФ. Наиболее известным примером является кальциевый насос SERCA, который перекачивает кальций в эндоплазматический ретикулум, тем самым уменьшая его концентрацию в цитозоле.
• Кальциевые обменники: Эти транспортные белки обменивают ионы кальция на другие ионы, такие как натрий (Na⁺) или протон (H⁺). Примером является Na⁺/Ca²⁺ обменник, который использует градиент натрия для перемещения кальция из клетки.

Регуляция кальциевого транспорта осуществляется на нескольких уровнях:

• Генетическая регуляция: Экспрессия генов, кодирующих кальциевые каналы, насосы и обменники, может изменяться в зависимости от клеточных условий и внешних сигналов, таких как гормоны или факторы роста.
• Фосфорилирование: Модификации белков, такие как фосфорилирование, могут изменять активность кальциевых каналов и насосов. Например, фосфорилирование кальциевых каналов может увеличить их проводимость, что приводит к повышению уровня кальция в клетке.
• Сигнальные пути: Различные сигнальные молекулы, такие как инозитолтрифосфат (IP₃) и диацилглицерол (DAG), могут активировать кальциевые каналы и способствовать высвобождению кальция из внутриклеточных запасов.

Кроме того, важно отметить, что уровень кальция в клетках поддерживается в узких пределах, так как как слишком высокие, так и слишком низкие концентрации могут привести к клеточной дисфункции или смерти. Поэтому клеточные механизмы, регулирующие кальциевый транспорт, являются критически важными для поддержания гомеостаза и нормального функционирования клеток.

Таким образом, регуляция кальциевого транспорта представляет собой сложный и многогранный процесс, который включает взаимодействие различных молекул и сигнальных путей. Понимание этих механизмов имеет важное значение для разработки новых терапевтических стратегий при заболеваниях, связанных с нарушением кальциевого гомеостаза.

Вопрос-ответ

МЕМБРАННЫЙ ТРАНСПОРТ: Активный и Пассивный, Диффузия, Ионные Каналы, Белки-транспортеры || СТУДЕНТАМ

Как происходит транспорт кальция через плазматическую мембрану?

Транспорт кальция через плазматическую мембрану осуществляется с помощью специфических белков-переносчиков, таких как кальциевые каналы и насосы. Кальциевые каналы позволяют ионам кальция входить в клетку, а кальциевые насосы, такие как Ca2+-АТФаза, активно выводят кальций из клетки, используя энергию АТФ.

Почему важен контроль уровня кальция в клетках?

Контроль уровня кальция в клетках критически важен для многих физиологических процессов, включая сокращение мышц, передачу нервных импульсов и секрецию гормонов. Избыточное или недостаточное количество кальция может привести к нарушениям в этих процессах и вызвать различные заболевания.

Какие факторы могут влиять на транспорт кальция?

На транспорт кальция могут влиять различные факторы, включая концентрацию ионов кальция в окружающей среде, наличие гормонов и нейротрансмиттеров, а также состояние клеточной мембраны. Например, некоторые лекарства могут изменять проницаемость мембраны для кальция, что также влияет на его транспорт.

Советы

СОВЕТ №1

Изучите механизмы транспортировки кальция через плазматическую мембрану, такие как активный и пассивный транспорт. Понимание этих процессов поможет вам лучше осознать, как клетки регулируют уровень кальция и его роль в различных физиологических функциях.

СОВЕТ №2

Обратите внимание на роль кальциевых каналов и насосов в клеточной физиологии. Знание о том, как эти белки функционируют, может помочь вам понять, как нарушения в их работе могут приводить к заболеваниям.

СОВЕТ №3

Исследуйте влияние различных факторов, таких как гормоны и нейротрансмиттеры, на транспорт кальция. Это знание может быть полезно для разработки новых терапевтических подходов к лечению заболеваний, связанных с нарушением кальциевого обмена.

СОВЕТ №4

Не забывайте о значении кальция в клеточном сигнализировании. Понимание того, как кальций влияет на клеточные процессы, может помочь вам в изучении более сложных биологических систем и их взаимодействий.