Натрий -кальциевый обменник (часто обозначаемый Na + /Ca2 + обменником , обменным белком или NCX ) представляет собой антипортерный мембранный белок , который удаляет кальций из клеток. Он использует энергию, запасенную в электрохимическом градиенте натрия (Na + ), позволяя Na + течь вниз по градиенту через плазматическую мембрану в обмен на контрперенос ионов кальция (Ca2 + ). Один ион кальция экспортируется, а импортируются три иона натрия. [1] Обменник существует во многих различных типах клеток и видах животных. [2] NCX считается одним из наиболее важных клеточных механизмов удаления Ca 2+ . [2]
Обменник обычно обнаруживается в плазматических мембранах, митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме возбудимых клеток. [3] [4]
Натрий-кальциевый обменник — лишь одна из систем, с помощью которых цитоплазматическая концентрация ионов кальция в клетке поддерживается на низком уровне. Обменник не очень прочно связывается с Ca 2+ (имеет низкое сродство), но может быстро переносить ионы (обладает высокой емкостью), перенося до пяти тысяч ионов Ca 2+ в секунду. [5] Следовательно, для эффективности необходимы большие концентрации Ca 2+ , но он полезен для избавления клетки от большого количества Ca 2+ за короткое время, что необходимо в нейроне после потенциала действия . Таким образом, обменник также, вероятно, играет важную роль в восстановлении нормальной концентрации кальция в клетке после эксайтотоксического инсульта. [3] Такой первичный переносчик ионов кальция присутствует в плазматической мембране большинства клеток животных. Другим, более распространенным трансмембранным насосом , который экспортирует кальций из клетки , является Са 2+ АТФаза плазматической мембраны (PMCA), которая имеет гораздо более высокое сродство, но гораздо меньшую емкость. Поскольку PMCA способен эффективно связываться с Ca 2+ , даже когда его концентрации довольно низкие, он лучше подходит для задачи поддержания очень низких концентраций кальция, которые обычно находятся внутри клетки. [6] Обменник Na + /Ca 2+ дополняет Ca 2+ -АТФазу с высоким сродством и низкой емкостью , и вместе они участвуют в различных клеточных функциях, включая:
Обменник также участвует в нарушении сердечной электропроводности, известном как отсроченная постдеполяризация . [7] Считается, что внутриклеточное накопление Ca 2+ вызывает активацию обменника Na + /Ca 2+ . В результате происходит кратковременный приток суммарного положительного заряда (помните: 3 Na + внутрь, 1 Ca 2+ наружу), вызывая тем самым клеточную деполяризацию. [7] Эта аномальная клеточная деполяризация может привести к сердечной аритмии.
Поскольку транспорт является электрогенным (изменяет мембранный потенциал), деполяризация мембраны может изменить направление обменника, если клетка достаточно деполяризована, что может произойти при эксайтотоксичности . [1] Кроме того, как и в случае с другими транспортными белками, количество и направление транспорта зависят от трансмембранных градиентов субстрата. [1] Этот факт может быть защитным, поскольку увеличение внутриклеточной концентрации Ca 2+ , возникающее при эксайтотоксичности, может активировать обменник в прямом направлении даже в присутствии пониженной внеклеточной концентрации Na + . [1] Однако это также означает, что, когда внутриклеточные уровни Na + поднимаются выше критической точки, NCX начинает импортировать Ca 2+ . [1] [8] [9] NCX может работать как в прямом, так и в обратном направлении одновременно в разных областях клетки, в зависимости от совокупного воздействия градиентов Na + и Ca 2+ . [1] Этот эффект может продлевать переходные процессы кальция после всплесков активности нейронов, тем самым влияя на обработку нейронной информации. [10] [11]
Способность обменника Na + /Ca2 + менять направление тока проявляется во время потенциала сердечного действия . Из-за деликатной роли, которую Ca 2+ играет в сокращении сердечной мышцы, клеточная концентрация Ca 2+ тщательно контролируется. Во время потенциала покоя обменник Na + /Ca2 + использует большой внеклеточный градиент концентрации Na+, чтобы помочь выкачать Ca2 + из клетки. [12] Фактически, обменник Na + /Ca 2+ большую часть времени находится в положении выхода Ca 2+ . Однако во время подъема потенциала действия сердца происходит большой приток ионов Na + . Это деполяризует клетку и смещает мембранный потенциал в положительную сторону. В результате происходит значительное увеличение внутриклеточного [Na + ]. Это вызывает переключение обменника Na + /Ca 2+ на выкачивание ионов Na + из клетки и ионов Ca 2+ в клетку. [12] Однако это разворот обменника длится лишь мгновение из-за внутреннего повышения [Ca 2+ ] в результате притока Ca 2+ через кальциевый канал L-типа , и обменник возвращается в прямое направление. потока, выкачивающего Ca 2+ из клетки. [12]
Хотя обменник обычно работает в положении оттока Ca 2+ (за исключением начала потенциала действия), при определенных условиях обменник может ненормально переключиться в обратное положение (приток Ca 2+ , отток Na + ). Ниже перечислены несколько клеточных и фармацевтических состояний, при которых это происходит. [12]
На основании предсказаний вторичной структуры и гидрофобности первоначально предполагалось, что NCX будет иметь 9 трансмембранных спиралей . [13] Считается, что это семейство возникло в результате дупликации гена из-за очевидной псевдосимметрии в первичной последовательности трансмембранного домена. [14] Между псевдосимметричными половинками находится цитоплазматическая петля, содержащая регуляторные домены. [15] Эти регуляторные домены имеют структуры, подобные домену C2 , и отвечают за регуляцию кальция. [16] [17] Недавно структура архейного ортолога NCX была решена с помощью рентгеновской кристаллографии . [18] Это ясно иллюстрирует димерный транспортер из 10 трансмембранных спиралей с ромбовидным сайтом для связывания субстрата. На основе строения и структурной симметрии предложена модель попеременного доступа с конкуренцией ионов в активном центре. Структуры трех родственных протон-кальциевых обменников (CAX) были определены на примере дрожжей и бактерий . Хотя эти структуры структурно и функционально гомологичны, они иллюстрируют новые олигомерные структуры, связывание субстрата и регуляцию. [19] [20] [21]
В 1968 году Х. Рейтер и Н. Зейтц опубликовали данные о том, что, когда Na + удаляется из среды, окружающей клетку, отток Ca 2+ ингибируется, и они предположили, что может существовать механизм обмена двух ионов. [2] [22] В 1969 году группа под руководством П.Ф. Бейкера, которая экспериментировала с аксонами кальмаров , опубликовала открытие, в котором предполагалось, что существует способ выхода Na + из клеток, отличный от натриево-калиевого насоса . [2] [23] Наперстянка, более известная как наперстянка, как известно, оказывает большое влияние на Na/K-АТФазу, в конечном итоге вызывая более сильное сокращение сердца. Растение содержит соединения, которые ингибируют натриево-калиевый насос, что снижает электрохимический градиент натрия. Это делает выкачку кальция из клетки менее эффективной, что приводит к более сильному сокращению сердца. Людям со слабым сердцем иногда предлагается накачивать сердце с более высокой сократительной силой. Однако он также может вызвать гипертонию, поскольку увеличивает сократительную силу сердца.
{{cite book}}
: |author5=
имеет общее имя ( справка )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )