Размещено на http://www.allbest.ru/

ГБОУ ВПО «СибГМУ» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Кафедра биофизики и функциональной диагностики

НАТРИЙ-КАЛЬЦИЕВЫЙ ОБМЕННИК

Выполнила: Матвиенко Н.В., группа 4303

Проверил: Носарев А.В., д-р мед.наук, профессор

Содержание

Резюме

Введение

Модели нокаут

Структурно-функциональные связи в обменнике

Регулирование Na⁺ / Ca²⁺ обменника

Na⁺-Ca²⁺ обмен и гибель клеток

Ингибиторы NCX и новые терапевтические возможности

Список используемой литературы

натрий кальциевый ионный обменник

Резюме

Na ⁺ / Ca ²⁺ обменник, ион-транспортный белок, обнаружен в плазматической мембране практически всех клеток животных. Он выносит Са ²⁺ параллельно с АТФ-зависимым Ca ²⁺ насосом. В качестве двустороннего транспортера, он также обеспечивает вход Ca ²⁺ параллельно с другими ионными каналами. Энергия для транспорта чистого Ca ²⁺ по Na ⁺ / Ca ²⁺ обменнику и для его направления зависят от Na ⁺, Ca ²⁺ и K ⁺ градиентов через ПМ, мембранного потенциала и транспортной стехиометрии. В большинстве клеток, три Na ⁺обмениваются на один Са ²⁺. В фоторецепторах позвоночных, некоторых нейронах, а также в некоторых других клетках, К ⁺ транспортируется в том же направлении, что Са ²⁺, при соотношении четырех Na ⁺ на один Са ²⁺ плюс один K ⁺. Кинетика обменника подчиняется нетранспортируемым ионам Ca ²⁺, Na ⁺, протонам, АТФ и другим модуляторам. Пять генов, которые кодируют аминокислотную последовательность обменника были идентифицированы у млекопитающих: три в семействе Na ⁺ / Ca ²⁺ обменников (NCX1, NCX2 и NCX3) и два в семействе Na ⁺ / Ca²⁺ плюс K ⁺ (NCKX1 и NCKX2). В кардиомиоцитах, и, возможно, других типах клеток, обменник -это "сторож", поддерживающий низкую внутриклеточную концентрацию Са ²⁺ ; его роль в сердечном возбуждении-сокращении является спорной. Увеличение клеточной концентрации Na ⁺ приведет к повышению уровня Ca ²⁺,опосредованное Na⁺ / Ca ²⁺ обменником; это важно в терапевтическом действии кардиотонических стероидов, таких как дигиталис(наперстянка). Аналогичным образом, изменение содержания Na ⁺ и Са ²⁺ модулирует проводимость K ⁺ в эпителиальных клетках, формирует сигналы в специальных органах чувств (например, фоторецепторы и обонятельные рецепторы), регулирует Ca ²⁺ -зависимую секрецию в нейронах и во многих секреторных клетках. Непосредственное соседство цитоплазматической мембраны и саркоплазматического ретикулума допускает Na ⁺ / Ca ²⁺ обменник внешней мембраны для регулирования Са ²⁺ депо саркоплазматического ретикулума и влияния клеточного Ca ²⁺ на сигнализацию.

Введение

Цитозольный Ca ²⁺ играет ключевую роль во внутриклеточной передаче сигналов практически во всех типах клеток животных. Во многих случаях, например сокращение сердечной мышцы или высвобождение нейромедиаторов, сопровождается повышением в течение короткого периода времени свободного Са ²⁺.Фракция ионов Са ²⁺ затем быстро удаляется из цитозоля. В других случаях, например, во время поддержания тонического напряжения в гладких мышцах, повышенное содержание [Са ²⁺ ] может потребоваться в течение длительных периодов времени. Следовательно, концентрация [Са²⁺ ]:

1) должна точно контролироваться,

2) должна иметь возможность увеличиваться и быстро уменьшаться, чтобы сделать возможными переходные сигналы,

3) должна быть подвижной, чтобы установившаяся [Са ²⁺ ] могла быть изменена,в соответствии с потребностями клетки.

4) должна быть хорошо регулируемой, некоторые клетки (нейроны являются хорошим примером), претерпевают пространственные, а также временные изменения в [Са ²⁺ ] так, что все Ca ²⁺ управляемые процессы в этих клетках активируются не одновременно и не без разбора. По этим нескольким причинам, большой интерес был сосредоточен на регулировании [Са ²⁺ ] во всех типах клеток.

Кальций уникально подходит для сигнальных функций, из-за его изобилия (Са ²⁺ является наиболее распространенным катионом в организме), а также его необычной химии (сочетание ионного радиуса, плотности заряда, и координационного числа). Кроме того, "фоновая" концентрация внутриклеточного свободного Са ²⁺ достаточно низка (порядка 10 ^-7 М), так что большое отношение сигнала к фону {Д [Са ²⁺ ] I / [Са ²⁺ ] I (остальное) } может быть получено с относительно небольшим приростом абсолютного количества Са ²⁺ в цитозоле. Этот "Са ²⁺ сигнал " может исходить либо из внеклеточной жидкости, через потенциалзависимые или оперируемые рецепторами Са ²⁺селективные каналы, расположенные в плазматической мембране или из внутриклеточных хранилищ [особенно эндоплазматический ретикулум или, в мышцах, саркоплазматического ретикулума]. Кальций высвобождается из этих внутриклеточных хранилищ посредством инозитолтрифосфатного механизма или через активированные Ca ²⁺ каналы.

Кальций-зависимая передача сигнала опосредована специфическими рецепторами для Ca ²⁺, таких как кальмодулин, тропонин C, протеинкиназа С. Клетки также должны иметь механизмы для удаления Са ²⁺ из цитозоля. Два важных механизма помогают поддерживать устойчивый Ca ²⁺ баланс: АТФ-зависимые Ca ²⁺ насосы в ER (или SR) для обратного захвата Ca ²⁺, и в ПМ, для удаления Ca ²⁺. АТФ-зависимые Ca ²⁺ насосы связывают ионы с высоким сродством, но имеют относительно низкие показатели текучести (то есть, количество Ca ²⁺ транспортируемое на носителе в единицу времени). Их способность к транспорту Са ²⁺ зависит от скорости оборота и плотности молекул транспорта в мембране.

ПМ большинства клеток животных также содержат другую Са ²⁺ транспортную систему, Na ⁺ / Ca ²⁺ обменник, который работает параллельно с Ca ²⁺ селективными каналами и АТФ- зависимыми Ca ²⁺ насосами. Na ⁺ / Ca ²⁺ обменник может перемещать Ca ²⁺ в или из клеток, в зависимости от электрохимической движущей силы в ионообменнике. Интересно отметить, что движение Са ²⁺ опосредованное обменником, может изменить направление во время цикла. Na ⁺ / Ca ²⁺ обменник имеет примерно в 10 раз более низкое сродство к Ca ²⁺, но от 10 до 50 раз более высокую скорость оборота, чем у энергозависимого Ca ²⁺ насоса. Следовательно, NCX исключает существенное повышение внутриклеточного Ca^{2 +}, в то время как энергозависимый Са⁺ насос тонко регулирует концентрацию цитозольного свободного Са²⁺ в пределах нормы.

Особенностью регулирования клетками содержания Ca ²⁺ является очевидная избыточность в ПМ Ca ²⁺ транспортных систем, так как Na ⁺/Ca ²⁺ обменник работает параллельно с Ca ²⁺ селективными каналами и АТФ-зависимым насосом. Однако, обменник имеет несколько уникальных особенностей, которые могут объяснить необходимость этой избыточности, а также его незаменимость. Например, максимальная скорость оборота на Na ⁺ / Са ²⁺ обменнике может быть важна в клетках, которые быстро выбрасывают много Ca ²⁺ (как сердечные мышечные клетки). Кроме того, электрохимическая движущая сила на обменник заметно изменяется в течение клеточного цикла в возбудимых клетках. Таким образом, в некоторых случаях (например, во время плато потенциала действия сердца), уменьшение движущей силы приведет к снижению чистой скорости Ca 2+ экструзии по сравнению со скоростью, ожидаемой в -80 мВ. Таким образом, теплообменник может помочь поддерживать [Са ²⁺ ] I при относительно повышенном уровне в течение длительного периода времени. Одной из особенностей обменника, которая недавно была обнаружена и может внести свой вклад в объяснении его физиологической роли, является его локализация в ограниченных участках ПМ по меньшей мере, некоторых типов клеток.

Модели Нокаут

NCX выводит 90% Ca ²⁺ из кардиомиоцитов. Если вырезать (нокаутировать) ген, кодирующий обменник у мыши, какой будет эффект? Удивительно, но "почти ничего". К. Филипсон (Лос - Анджелес, Калифорния, США) и его группа проводили работы с отличными моделями - нокаутными мышами. Филипсон показал, что нокаутные кардиомиоциты, приспособились к раздражителю за счет уменьшения Ca ²⁺ притока в клетку, а не повышая механизмы Са ²⁺ выброса.

Ответ изолированных кардиомиоцитов на действие кофеина. Препарат был добавлен непосредственно перед быстрым входом Ca^{2 +}. Кофеин индуцирует высвобождение Ca^{2 +} из депо саркоплазматического ретикулума. В интактных кардиомиоцитах мыши, Са^{2 +} возрастает, а затем падает, так как он удаляется из клетки с помощью Na⁺ / Ca²⁺ обменника (NCX). В тех кардиомиоцитах, где NCX был нокаутирован, концентрация Са^{2 +} поднимается и остается повышенной.

Na⁺ / Ca²⁺ обменник (NCX) представляет собой уникальный механизм, который позволяет выводить Са^{2 +} из клетки против ее градиента без потребления энергии. В самом деле, вход Na ⁺ по его электрохимическому градиенту, обеспечивает энергию для Са^{2 +} экструзии. Решающая роль NCX в клеточном Ca^{2 +} гомеостазе была показана на поколении мышей с функциональной деструкцией одного гена NCX. Гомозиготные Ncx1-дефицитные мыши не являются жизнеспособными, и умирают в эмбриональный период с 9 по 10день, из-за недостаточного развития сердечно-сосудистой системы.

В дополнение к саморегулирующимся механизмам, миокард претерпевает долгосрочные адаптации к отсутствию NCX. Изучая протеомику образцов, Филипсон заметил, что белок неизвестной функции меняет свою подвижность на двумерных гелях в ответ на удаление NCX. Он предположил, что этот белок играет важную роль в регуляции сопряжения возбуждения-сокращения и, следовательно, может быть еще одним примером устойчивости природы.

Структурно-функциональные связи обменника

NCX1 регулирует связывание внутриклеточного Са ²⁺, на большой цитоплазматической петле, известной как кальций -связывающий домен 1 (CBD1). Предполагается, что связывание Ca ²⁺ является результатом конформационных изменений в CBD1, которые, в свою очередь, вызывают переход NCX1 в активированное состояние. Исследование кристаллической структуры и ЯМР анализ позволили установить строение CBD1. На одном конце он содержит иммуноглобулин-подобный белок, для связывания четырех ионов Са ²⁺.

М. HILGE (Неймеген, Нидерланды) идентифицировал второй связывающий домен, называемый CBD2, и обнаружили, что в отсутствии Са ²⁺ Са ²⁺ -связывающая часть CBD1 становится неструктурированной, в то время как CBD2 сохраняет свою целостность. ЯМР анализ структуры позволили HILGE построить модель всего контура теплообменника: CBD1 и CBD2 расположены антипараллельно.

Топология модель NCX. Девять трансмембранных доменов содержат две предполагаемых области транспорта. Повтор: альфа-1 и альфа-2. XIP область, CBD1 и CBD2 обозначены желтыми коробками. Красные шары указывают на Ca 2+ сайты связывания. положение

(B) Гипотетические структурную модель неповрежденной NCX. Девять трансмембранных доменов показаны в виде желтых альфа-спиралей, CLD в виде голубых альфа-спиралей и бета повторы CBD1 и CBD2 как красный и зеленый бета нитей, соответственно. Красные шары указывают на Ca 2+ сайты связывания позиции.

D. Nicoll (Лос -Анджелес, Калифорния, США) встроил меченые аминокислоты триптофана в различных местах CBD1 для изучения влияния связывания Са ²⁺ на его флуоресценцию. Триптофаны введенные в Ca ²⁺ -связывающую половину CBD1 показали значительные Ca ²⁺индуцированные изменения флуоресценции, в то время как те, что введены в дистальной половине CBD1 не были затронуты. Кроме того, цистеин 387 расположен рядом с Ca ²⁺ -связывающей областью CBD1 и сульфгидрильная модификация этого остатка является Ca ²⁺ -зависимая. Поэтому химические данные подтверждают наблюдения ЯМР: Ca ²⁺ -связывающая область CBD1 открывается, когда Са ²⁺ удаляется. Будет ли это открытие иметь отношение к переходу обменника в неактивное состояние еще ??предстоит определить.

Модель неповрежденного Na⁺ / Ca²⁺ обменника. Na⁺ / Ca²⁺ обменник состоит из двух антипараллельно ориентированных Са2 + -связывающих доменов CBD1 (красный) и CBD2 (зеленый), а также третьего цитозольного домена (синим цветом) и трансмембранный домен (серым цветом). CLD, катенин-подобный домен(ответственный за адгезию); FG петля, петля между F и G & бетта петлями.

Регулирование Na⁺ / Ca²⁺ обменника

Ривз (Ньюарк, штат Нью - Йорк, США) поставили под сомнение физиологическое значение нынешних концепций регулирования NCX от цитозольного Ca ²⁺ и Na ⁺. Он отметил, что концентрация Са ²⁺ при нормальной функции сердца, очевидно велика для аллостерической активации Ca ²⁺ обменника. Решение этой дилеммы возможно при условии, что взаимодействие между NCX и F-актином мешают аллостерической активации. Ривз также обнаружили, что повышенные концентрации цитозольного Na ⁺ активирует обменник, и больше не требуется аллостерическая Са ²⁺ активация. Этот режим активности, зависит от фосфатидилэтаноламина-4,5- бис фосфата (PiP2), по концентрации PIP2 можно определить, является ли повышенный Na ⁺ причиной инактивации или это конститутивное поведение. Эффекты PIP2 были дополнительно изучены в клетках яичника китайского хомячка (СНО). В клетках, экспрессирующих M1-рецепторы ацетилхолина, под действием карбахола снизился уровень PiP2 на 90%, однако добавление карбахола не ингибирует активность NCX, как и ожидалось роль PIP2 в регуляции активности NCX является более сложным, чем считалось ранее.

М. Ottolia (Лос - Анджелес, Калифорния, США) использовала флуоресцентный резонансный перенос-энергии для измерения конформационных изменений, которые происходят в обменнике. Она спроектировала CBD1 Na⁺ / Ca²⁺ обменника из бирюзового и желтого вариантов зеленого флуоресцентного белка. Ее данные свидетельствуют о том, что Ca ²⁺ -связывающий домен NCX претерпевает быстрые изменения, которые происходят во время возбуждения-сокращения. Предполагается, что NCX регулируется Са ²⁺ на основе сердечного ритма. М. Ottolia получила данные о том, что расстояние между большими внутриклеточными петлями из двух или более смежных обменников уменьшается в присутствии ионов Са ²⁺, что свидетельствует о NCX олигомеризации.

Na⁺- Ca²⁺ обмен и гибель клеток

Недавно Д. Бано (Лестер, Великобритания) сделал интересное наблюдение, что NCX3 расщепляется Ca ²⁺ -зависимой протеазой кальпаином во время ишемии головного мозга, что приводит к нарушению регулирования Ca ²⁺ и гибели нейронов. Он сообщил о роли кальпаинов в регуляции ядерно-цитоплазматического транспорта, что приводит к конденсации хроматина и ядерной разборки. В настоящее время исследует, как Са ²⁺ и кальпаины регулируют различные клеточных процессы.

Л. Annunziato (Неаполь, Италия) ранее показал, что несколько манипуляций для ингибирования NCX вызвало значительное ухудшение повреждения головного мозга, вызванного окклюзией средней мозговой артерии. Он также отметил, селективное регуляторное повышение количества NCX1 и NCX3 мессенджеров РНК в областях мозга, которые сохранились после ишемического инсульта. В связи с этим он обратил свое внимание на трансдукционные и транскрипционные пути, ответственные за NCX повышающую регуляцию. Annunziato показал что, нейротрофический фактор, такой как фактор роста нервов, может оказывать нейропротекторное действие путем модуляции экспрессии и активности NCX1-3. Эти наблюдения могут способствовать разработке целевых соединений, которые могли бы уменьшить повреждение головного мозга, вызванное ишемией.

Ингибиторы NCX и новые терапевтические возможности

Ингибиторы NCX были предложены в качестве кардиопротекторных средств. Тем не менее, их защитные эффекты зависят от того, увеличивается ли вход Ca ²⁺ во время ишемии / реперфузии благодаря обратному режиму NCX или уменьшается Са ²⁺ экструзия через обычный режим работы NCX. Для того, чтобы решить, является полезным или вредным ингибирование NCX, E. Murphy (Research Triangle Park, штат Северная Каролина, США) использовали модель, разработанную Филипсоным, включающую сердечно-специфическое удаление NCX.В NCX -нокаутированных сердцах наблюдается замедление ишемической контрактуры, снижение максимальной контрактуры и улучшение пост-ишемической функции. Они также зафиксировали более низкую скорость восстановления АТФ с лучшей сохранностью Na ⁺ гомеостаза. Чем меньше увеличение Na ⁺, тем меньше обменник работает в обратном режиме и, следовательно, меньше увеличение Ca ²⁺ во время ишемии.

Т. Ивамото (Фукуока, Япония) сообщил о том, что специфический ингибитор NCX SEA0400 снижает артериальное давление у моделей мышей с соле-зависимой или уабаин-зависимой гипертензией, но не у нормотензивных или других типах гипертензивных мышей. Кроме того, гетерозиготные Ncx1 -нокаутные мыши устойчивы к развитию соле-зависимой гипертензии. Он также сообщил, что гипертензия индуцированная адренокортикотропным гормоном (АКТГ), которая связана с синдромом Кушинга, была ослаблена в гетерозиготной Ncx1 -нокаутированной мыши по сравнению с дикими образцами. Эти данные позволяют предположить, что соле-зависимая или АКТГ-зависимая гипертензия инициируется Ca ²⁺ входом через NCX1 в гладких мышцах артерий. Таким образом, сосудистый NCX1-новая терапевтическая или диагностическая мишень для соле-зависимой гипертензии.

Список используемой литературы

1. Role of Na/Ca exchange and the plasma membrane Ca²⁺-ATPase in cell function. Conference on Na/Ca Exchange Denis Noble¹ and Andre Herchuelz², Copyright © 2007, European Molecular Biology Organization.

2. Sodium/Calcium Exchange: Its Physiological Implications Mordecai P. Blaustein, W. Jonathan Lederer Physiological Reviews Published 1 July 1999 Vol. 79 no. 3, 763-854 DOI.

3. Натрий-кальциевый обменник Материал из Википедии -- свободной энциклопедии.

4. База знаний по биологии человека. Натрий-кальциевый обмен.www.humbio.ru.

Размещено на Allbest.ru