T-трубочки ( поперечные трубочки ) являются расширениями клеточной мембраны , которые проникают в центр скелетных и сердечных мышечных клеток . Благодаря мембранам, содержащим большие концентрации ионных каналов , транспортеров и насосов, T-трубочки обеспечивают быструю передачу потенциала действия в клетку, а также играют важную роль в регуляции концентрации клеточного кальция.
Благодаря этим механизмам Т-трубочки позволяют клеткам сердечной мышцы сокращаться сильнее, синхронизируя высвобождение кальция из саркоплазматического ретикулума по всей клетке. [1] Структура и функция Т-трубочек изменяются от удара к удару за ударом из-за сокращения кардиомиоцитов, [2] а также из-за заболеваний, потенциально способствуя сердечной недостаточности и аритмиям . Хотя эти структуры были впервые обнаружены в 1897 году, исследования биологии Т-трубочек продолжаются.
T-трубочки — это трубочки, образованные из того же фосфолипидного бислоя , что и поверхностная мембрана или сарколемма скелетных или сердечных мышечных клеток. [1] Они напрямую соединяются с сарколеммой на одном конце, прежде чем проникнуть глубоко внутрь клетки, образуя сеть трубочек с секциями, проходящими как перпендикулярно (поперечно), так и параллельно (аксиально) сарколемме. [1] Из-за этой сложной ориентации некоторые называют T-трубочки поперечно-аксиальной трубчатой системой. [3] Внутренняя часть или просвет T-трубочки открыта на поверхности клетки, что означает, что T-трубочка заполнена жидкостью, содержащей те же компоненты, что и раствор, окружающий клетку (внеклеточная жидкость). Мембрана, которая образует T-трубочки, не является просто пассивной соединительной трубкой, а является высокоактивной, будучи усеянной белками, включая кальциевые каналы L-типа , натрий-кальциевые обменники , кальциевые АТФазы и бета-адренорецепторы . [1]
T-трубочки находятся как в предсердных , так и в желудочковых сердечных мышечных клетках ( кардиомиоцитах ), в которых они развиваются в первые несколько недель жизни. [4] Они находятся в желудочковых мышечных клетках у большинства видов, а также в предсердных мышечных клетках у крупных млекопитающих. [5] В сердечных мышечных клетках у разных видов T-трубочки имеют диаметр от 20 до 450 нанометров и обычно расположены в областях, называемых Z-дисками , где актиновые миофиламенты закрепляются внутри клетки. [1] T-трубочки в сердце тесно связаны с внутриклеточным хранилищем кальция, известным как саркоплазматический ретикулум , в определенных областях, называемых терминальными цистернами. Связь T-трубочки с терминальной цистерной известна как диада . [6]
В клетках скелетных мышц Т-трубочки в три-четыре раза уже, чем в клетках сердечной мышцы, и имеют диаметр от 20 до 40 нм. [1] Обычно они располагаются по обе стороны от миозиновой полосы, на стыке перекрытия (соединении AI) между полосами A и I. [7] Т-трубочки в скелетных мышцах связаны с двумя конечными цистернами , известными как триада . [1] [8]
Форма системы Т-трубочек создается и поддерживается различными белками. Белок амфифизин-2 кодируется геном BIN1 и отвечает за формирование структуры Т-трубочки и обеспечение того, чтобы соответствующие белки (в частности, кальциевые каналы L-типа) находились внутри мембраны Т-трубочки. [9] Юнктофилин-2 кодируется геном JPH2 и помогает формировать соединение между мембраной Т-трубочки и саркоплазматическим ретикулумом, что жизненно важно для сопряжения возбуждения и сокращения . [6] Титин-покрывающий белок, известный как телетонин , кодируется геном TCAP и помогает в развитии Т-трубочек и потенциально отвечает за увеличение числа Т-трубочек, наблюдаемое по мере роста мышц. [6]
T-трубочки являются важным звеном в цепочке от электрического возбуждения клетки до ее последующего сокращения (связь возбуждения-сокращения). Когда необходимо сокращение мышцы, стимуляция от нерва или соседней мышечной клетки вызывает характерный поток заряженных частиц через клеточную мембрану, известный как потенциал действия . В состоянии покоя на внутренней стороне мембраны находится меньше положительно заряженных частиц по сравнению с внешней стороной, и мембрана описывается как поляризованная. Во время потенциала действия положительно заряженные частицы (преимущественно ионы натрия и кальция) протекают через мембрану снаружи внутрь. Это меняет нормальный дисбаланс заряженных частиц и называется деполяризацией . Одна область мембраны деполяризует соседние области, и результирующая волна деполяризации затем распространяется вдоль клеточной мембраны. [10] Поляризация мембраны восстанавливается, когда ионы калия текут обратно через мембрану изнутри наружу клетки.
В клетках сердечной мышцы, когда потенциал действия проходит по Т-трубочкам, он активирует кальциевые каналы L-типа в мембране Т-трубочек. Активация кальциевого канала L-типа позволяет кальцию проходить в клетку. Т-трубочки содержат более высокую концентрацию кальциевых каналов L-типа, чем остальная часть сарколеммы, и поэтому большая часть кальция, который попадает в клетку, происходит через Т-трубочки. [11] Этот кальций связывается с рецептором, известным как рианодиновый рецептор , и активирует его, расположенный на собственном внутреннем хранилище кальция клетки, саркоплазматическом ретикулуме. Активация рианодинового рецептора вызывает высвобождение кальция из саркоплазматического ретикулума, заставляя мышечную клетку сокращаться. [12] Однако в клетках скелетных мышц кальциевый канал L-типа напрямую присоединен к рецептору рианодина на саркоплазматическом ретикулуме, что позволяет активировать рецептор рианодина напрямую, без необходимости притока кальция. [13]
Важность Т-трубочек обусловлена не только концентрацией в них кальциевых каналов L-типа, но и их способностью синхронизировать высвобождение кальция внутри клетки. Быстрое распространение потенциала действия по сети Т-трубочек активирует все кальциевые каналы L-типа почти одновременно. Поскольку Т-трубочки приближают сарколемму очень близко к саркоплазматическому ретикулуму во всех областях клетки, кальций может затем высвобождаться из саркоплазматического ретикулума по всей клетке одновременно. Эта синхронизация высвобождения кальция позволяет мышечным клеткам сокращаться сильнее. [14] В клетках, лишенных Т-трубочек, таких как гладкомышечные клетки , больные кардиомиоциты или мышечные клетки, в которых Т-трубочки были искусственно удалены, кальций, который поступает в сарколемму, должен постепенно диффундировать по всей клетке, активируя рецепторы рианодина гораздо медленнее, как волна кальция, приводящая к менее сильному сокращению. [14]
Поскольку Т-трубочки являются основным местом сопряжения возбуждения и сокращения, ионные каналы и белки, участвующие в этом процессе, сосредоточены здесь - в мембране Т-трубочки находится в 3 раза больше кальциевых каналов L-типа по сравнению с остальной частью сарколеммы. Кроме того, бета-адренорецепторы также высоко сконцентрированы в мембране Т-трубочки, [15] и их стимуляция увеличивает высвобождение кальция из саркоплазматического ретикулума. [16]
Поскольку пространство внутри просвета Т-трубочки является непрерывным с пространством, окружающим клетку (внеклеточное пространство), концентрации ионов между ними очень похожи. Однако из-за важности ионов внутри Т-трубочек (особенно кальция в сердечной мышце), очень важно, чтобы эти концентрации оставались относительно постоянными. Поскольку Т-трубочки очень тонкие, они по сути улавливают ионы. Это важно, поскольку, независимо от концентрации ионов в других местах клетки, Т-трубочки все еще имеют достаточно ионов кальция, чтобы обеспечить сокращение мышцы. Поэтому, даже если концентрация кальция вне клетки падает ( гипокальциемия ), концентрация кальция внутри Т-трубочки остается относительно постоянной, позволяя сердечному сокращению продолжаться. [6]
Помимо того, что Т-трубочки являются местом входа кальция в клетку, они также являются местом удаления кальция. Это важно, поскольку это означает, что уровни кальция внутри клетки могут строго контролироваться на небольшом участке (т. е. между Т-трубочкой и саркоплазматическим ретикулумом, что известно как локальный контроль). [17] Такие белки, как натрий-кальциевый обменник и сарколеммальная АТФаза, в основном расположены в мембране Т-трубочки. [6] Натрий-кальциевый обменник пассивно удаляет один ион кальция из клетки в обмен на три иона натрия. Таким образом, в качестве пассивного процесса он может позволить кальцию поступать в клетку или из нее в зависимости от комбинации относительных концентраций этих ионов и напряжения на клеточной мембране ( электрохимический градиент ). [10] Кальциевая АТФаза активно удаляет кальций из клетки, используя энергию, полученную из аденозинтрифосфата (АТФ). [10]
Для изучения функции Т-трубочек, Т-трубочки могут быть искусственно отсоединены от поверхностной мембраны с помощью метода, известного как детубляция . Химические вещества, такие как глицерин [18] или формамид [14] (для скелетных и сердечных мышц соответственно) могут быть добавлены к внеклеточному раствору, который окружает клетки. Эти агенты увеличивают осмолярность внеклеточного раствора, заставляя клетки сжиматься. Когда эти агенты удаляются, клетки быстро расширяются и возвращаются к своему нормальному размеру. Это сокращение и повторное расширение клетки заставляет Т-трубочки отсоединяться от поверхностной мембраны. [19] В качестве альтернативы, осмолярность внеклеточного раствора можно уменьшить, используя, например, гипотонический солевой раствор, вызывая временное набухание клеток. Возвращение внеклеточного раствора к нормальной осмолярности позволяет клеткам вернуться к своему прежнему размеру, что снова приводит к детубляции. [20]
Идея клеточной структуры, которая позже стала известна как Т-трубочка, была впервые предложена в 1881 году. Очень короткий временной промежуток между стимуляцией поперечно-полосатой мышечной клетки и ее последующим сокращением был слишком коротким, чтобы быть вызванным сигнальным химическим веществом, проходящим расстояние между сарколеммой и саркоплазматическим ретикулумом. Поэтому было высказано предположение, что мешочки мембраны, проникающие в клетку, могут объяснить очень быстрое начало сокращения, которое наблюдалось. [21] [22] Прошло до 1897 года, прежде чем были обнаружены первые Т-трубочки с использованием световой микроскопии для изучения сердечной мышцы, инъецированной тушью . Технология визуализации развивалась, и с появлением трансмиссионной электронной микроскопии структура Т-трубочек стала более очевидной [23], что привело к описанию продольного компонента сети Т-трубочек в 1971 году. [24] В 1990-х и 2000-х годах конфокальная микроскопия позволила провести трехмерную реконструкцию сети Т-трубочек и количественно оценить размер и распределение Т-трубочек, [25] а важные связи между Т-трубочками и высвобождением кальция начали раскрываться с открытием кальциевых искр . [26] В то время как ранние работы были сосредоточены на желудочковой сердечной мышце и скелетных мышцах, в 2009 году была обнаружена обширная сеть Т-трубочек в клетках сердечной мышцы предсердий. [27] Текущие исследования сосредоточены на регуляции структуры Т-трубочек и на том, как Т-трубочки подвергаются влиянию сердечно-сосудистых заболеваний и способствуют их возникновению. [28]
Структура Т-трубочек может быть изменена болезнью, которая в сердце может способствовать слабости сердечной мышцы или аномальным сердечным ритмам. Изменения, наблюдаемые при болезни, варьируются от полной потери Т-трубочек до более тонких изменений в их ориентации или схемах ветвления. [29] Т-трубочки могут быть потеряны или разрушены после инфаркта миокарда , [29] а также разрушены в желудочках пациентов с сердечной недостаточностью , способствуя снижению силы сокращения и потенциально уменьшая шансы на выздоровление. [30] Сердечная недостаточность также может вызвать почти полную потерю Т-трубочек из предсердных кардиомиоцитов, снижая сократимость предсердий и потенциально способствуя мерцательной аритмии . [27]
Структурные изменения в Т-трубочках могут привести к тому, что кальциевые каналы L-типа отойдут от рецепторов рианодина. Это может увеличить время, необходимое для повышения уровня кальция в клетке, что приведет к более слабым сокращениям и аритмиям . [6] [27] Однако неупорядоченная структура Т-трубочек может быть не постоянной, поскольку некоторые предполагают, что ремоделирование Т-трубочек может быть обращено вспять с помощью интервальных тренировок . [6]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )