Внутриклеточный кальций и вторичные посредники

Вторичные посредники — это малые внутриклеточные молекулы и ионы, которые передают и усиливают сигналы, полученные на поверхности клетки. Ионы кальция являются наиболее универсальными из них: клетки поддерживают очень низкий уровень цитозольного кальция и высвобождают его контролируемыми порциями для запуска реакций, начиная от сокращения мышц и заканчивая секрецией. Наряду с кальцием, такие посредники, как циклический АМФ и инозитолтрифосфат, передают сигналы от активированных рецепторов во внутреннюю часть клетки.

Definition

Вторичный посредник — это малая внутриклеточная молекула или ион, концентрация которого изменяется в ответ на активацию рецептора и который передает сигнал нижестоящим эффекторам; внутриклеточный кальций является центральным примером, поддерживаемым на низких базальных цитозольных уровнях и мобилизуемым для запуска клеточных реакций.

Scope

Данная статья охватывает концепцию вторичного посредника, источники и регуляцию внутриклеточного кальция (поступление через плазматическую мембрану и высвобождение из внутренних депо), инозитолфосфолипидный путь, генерирующий инозитолтрифосфат и диацилглицерол, а также другие посредники, такие как циклические нуклеотиды. Она рассматривает сигнализацию с участием вторичных посредников как справочную тему в клеточной биологии и не является клиническим руководством.

Core questions

• Почему клетки поддерживают цитозольный кальций на таком низком уровне в состоянии покоя?
• Откуда берется сигнальный кальций и как он высвобождается?
• Как инозитолтрифосфат связывает поверхностные рецепторы с высвобождением кальция?
• Как формируются кальциевые и другие сигналы вторичных посредников в пространстве и времени?

Key concepts

• Концепция вторичного посредника
• Низкий базальный уровень цитозольного кальция
• Поступление кальция через плазматическую мембрану
• Высвобождение кальция из внутренних депо
• Инозитолтрифосфат и диацилглицерол
• Циклические нуклеотиды (цАМФ, цГМФ)
• Пространственно-временное паттернирование кальциевых сигналов

Key theories

Сигнальный путь инозитолтрифосфата (IP3)

Активация рецептором фосфолипазы С расщепляет мембранный фосфолипид на IP3 и диацилглицерол; IP3 диффундирует к эндоплазматическому ретикулуму и открывает кальциевые каналы, связывая поверхностные сигналы с повышением уровня цитозольного кальция.

Mechanisms

Клетки поддерживают цитозольный кальций значительно ниже внеклеточных и депонированных уровней с помощью насосов и обменников, создавая крутой градиент, который может быть использован для сигнализации. При поступлении стимула кальций поступает через каналы плазматической мембраны или высвобождается из внутренних депо, главным образом из эндоплазматического (а в мышцах — саркоплазматического) ретикулума. Основной путь высвобождения начинается, когда рецепторы активируют фосфолипазу С, которая расщепляет мембранный фосфолипид на инозитолтрифосфат (IP3) и диацилглицерол; IP3 открывает ретикулярные кальциевые каналы, в то время как диацилглицерол активирует протеинкиназу С. Возникающее повышение уровня кальция связывается с эффекторными белками для запуска реакций и формируется в виде преходящих пиков, волн или осцилляций, время и место которых кодируют информацию. Другие вторичные посредники, в частности циклический АМФ и циклический ГМФ, генерируемые ниже по течению от различных рецепторов, передают сигналы параллельно. Сигналы прекращаются путем перекачивания кальция обратно в депо или из клетки и путем деградации циклических нуклеотидов, что перезапускает систему.

Clinical relevance

Сигнализация с участием кальция и вторичных посредников лежит в основе фундаментальных физиологических процессов, таких как сокращение мышц, секреция нейротрансмиттеров и гормонов, а также реакции экспрессии генов, поэтому их понимание является основополагающим для интерпретации многих клеточных процессов в условиях здоровья и болезни. Данная статья описывает механизмы сигнализации для справки и не является основой для диагностики или лечения.

History

Концепция вторичного посредника возникла в середине XX века с открытием циклического АМФ как внутриклеточного передатчика действия гормонов. Впоследствии кальций был признан почти универсальным внутриклеточным сигналом, а в 1980-х и 1990-х годах был уточнен инозитолфосфолипидный путь, идентифицировавший IP3 как посредник, высвобождающий кальций из внутренних депо. Более поздние работы подчеркнули пространственно-временное паттернирование кальциевых сигналов — пиков, волн и осцилляций — как средство кодирования различных реакций.

Key figures

• Michael J. Berridge
• Robin F. Irvine

Seminal works

• berridge-2000
• berridge-irvine-1993

Frequently asked questions

Что такое вторичный посредник?

Вторичный посредник — это малая внутриклеточная молекула или ион, такой как кальций, циклический АМФ или инозитолтрифосфат, уровень которого изменяется после активации рецептора и который передает сигнал дальше к эффекторам внутри клетки.

Почему клетки поддерживают цитозольный кальций на таком низком уровне?

Поддержание очень низкого уровня базального цитозольного кальция создает крутой градиент по отношению к внеклеточному пространству и внутренним депо, так что открытие кальциевых каналов вызывает быстрое, резкое повышение, которое может действовать как точный сигнал.