КАЛЬЦИЙ
Значение кальция как активатора клеточных функций было выяснено почти 100 лет назад, когда Ringer показал его роль в сократимости сердечной мышцы лягушки. Помимо участия кальция в мышечном сокращении и нейромышечной передаче, было установлено, что он играет существенную роль в секреторных процессах, а также участвует в более общих механизмах внутриклеточной регуляции [53]. Функция кальция в качестве внутриклеточного медиатора постулируется гипотезой сопряжения стимула и секреции, которая исходит из того, что ионы кальция служат первичным соединительным звеном между стимулом и секрецией [54]. Позднее выяснилось значение кооперативных взаимодействий между кальцием и циклическими нуклеотидами при действии гормонов [29]. В настоящее время кальций и циклические нуклеотиды считаются главными компонентами внутриклеточной сигнальной системы, которая регулирует активность клеток в ответ на внешние стимулы [29, 30]. Каждый из этих медиаторов совершает быстрый кругооборот, так что их внутриклеточная концентрация отражает динамическое равновесие между возникновением и исчезновением сигнала. Этот динамический баланс и быстрый кругооборот молекул медиатора обусловливает возможность быстрого реагирования на прекращение стимула. Повышение внутриклеточного содержания «вторых медиаторов» при действии гормонов обычно обусловливается ускорением их образования, что наблюдается при стимуляции аденилатциклазы или притоке кальция. В некоторых случаях, однако, изменение уровня сигнала определяется снижением скорости его исчезновения, что происходит при изменении уровня цАМФ вследствие изменения активности фосфодиэстеразы. В этом отношении взаимодействия, существующие между кальцием и генерацией и метаболизмом циклических нуклеотидов, весьма важны, поскольку ферменты, контролирующие как синтез, так и разрушение цАМФ и цГМФ, регулируются зависимыми от кальция механизмами обратной связи, которые интегрируют активность «вторых медиаторов» при гормональной стимуляции [30].
Регуляция внутриклеточной концентрации кальция
Функция кальция в качестве медиатора требует возможности быстрых изменений его концентрации в нужных участках клетки во время действия гормонов с последующим влиянием на конкретные метаболические процессы. Это влияние обычно зависит от модуляции активности специфических регуляторных ферментов, например, перечисленных в табл. 4—4.
Таблица 4—4. Некоторые ферменты, активность которых модулируете» кальцием
Аденилатциклаза |
Кальцийзависимая протеинкиназа |
Гуанилатциклаза |
Фосфорилаза киназы |
Фосфодиэстераза циклических нуклеотидов |
Гликогенсинтаза |
Ca2+/Mg2+-ATФaaa |
Пируватдегидрогеназа |
С точки зрения гормонального эффекта влияние кальция на активность аденилат- и гуанилатциклазы, а также фосфодиэстеразы является важнейшим фактором динамического контроля за внутриклеточным содержанием циклических нуклеотидов. В настоящее время известно, что регуляторные влияния кальция на ферментные системы зависят от его связывания белком с низкой молекулярной массой, называемым кальций-зависимым регулятором (КЗР) или кальмодулином. Этот белок, первоначально идентифицированный в качестве регулятора активности фосфодиэстеразы в головном мозге [55], известен в настоящее время как выполняющий важную промежуточную функцию в контроле кальциевой регуляции ферментов во многих тканях. В некоторых случаях активность кальмодулина тесно связана с регулируемым ферментом, и комплекс Са2+—кальмодулин служит регуляторным лигандом, опосредующим эффекты свободного Са2+ на активацию или ингибирование фермента.
Первичным сдвигом при опосредованных кальцием клеточных реакциях на внешние стимулы является поступление ионов кальция в цитоплазму клетки. Кальций, участвующий в этом движении, должен поступать из одного, из двух главных источников: либо из внутриклеточных запасов, либо из внеклеточной жидкости, в которой концентрация свободного кальция составляет примерно-1,25 мМ. Хотя внутриклеточная концентрация свободного кальция очень низка (от 0,1 до 10 мкМ), в митохондриях и микросомах концентрация его сравнительно высока (1—20 мМ). Плазматическая мембрана также содержит существенные количества связанного кальция и обнаруживает высокий трансмембранный кальциевый градиент. Помимо высокого концентрационного градиента между внеклеточным и внутриклеточным кальцием, трансмембранный электрический градиент способствует поступлению кальция в клетку, хотя скорость притока кальция в отсутствие внешних стимулов обычно низка. Эта ограниченная проницаемость вкупе с наружным перимембранным пулом связанного кальция придает многим клеткам относительную толерантность к изменениям концентрации кальция в окружающей среде, особенно в условиях покоя. Однако повышенная чувствительность к кальцию, часто сопровождающая стимуляцию, свидетельствует о том, что важным этапом активации клеток является изменение проницаемости мембран [30]. Таким образом, хотя перераспределение внутренних запасов кальция могло бы служить фактором повышения внутриклеточного уровня этого иона, основной формой регуляции является, вероятно, изменение проницаемости плазматической мембраны или процессов транспорта кальция в клетку.
Поступление кальция через плазматическую мембрану может обусловливаться изменением проницаемости мембраны или мембранного потенциала под действием стимула. Хотя это, вероятно, имеет меньшее отношение к действию пептидных гормонов, изменение мембранного потенциала связано, по-видимому, со способностью высоких концентраций калия стимулировать многие гормон-зависимые процессы за счет деполяризации мембраны и увеличения поступления кальция. В общем, увеличение внутриклеточного содержания кальция вследствие изменений мембранной проницаемости сопровождается выходом кальция из клетки, что можно видеть при проведении опытов с 45Са. Однако изменения потока радиоактивного кальция обычно невелики и могут стимулироваться повышением обмена кальция между его внутриклеточными запасами. Прирост количества внутриклеточного кальция в нервных и мышечных клетках активно ликвидируется за счет его обмена на натрий, а в невозбудимых клетках — за счет работы мембранного кальциевого насоса (вероятно, Ca/Mg-АТФазы). В связи с этим стимулы, опосредуемые перераспределением внутриклеточного кальция, часто сопровождаются увеличением выхода 45Са из клетки вследствие быстрого вытеснения мобилизованного кальция через плазматическую мембрану.