4
Vybrané kapitoly z fyziologie které přicházejí k buňce a které budou popsány níže, dochází ke zvýšení intracelulární koncentrace vápenatých iontů na úroveň 500–1000 nM (tato koncentrace je už relativně vysoká), a to mobilizací intracelulárních zásob i influxem z extracelulárního prostředí, což vede ke spuštění vápník‑senzitivních procesů vedoucích k buněčné odpovědi. Tyto procesy jsou velmi variabilní a různorodé (svalová kontrakce, přenos akčního potenciálu a excitabilita buněk, buněčný transport a sekrece, buněčný metabolismus včetně metabolismu energetického a syntézy ATP, syntéza některých látek, např. steroidů, ale také procesy typu buněčné proliferace a buněčné smrti) a zajišťují základní biochemické a fyziologické děje. Jak vlastně tato mašinerie funguje? Velmi složitě, a přitom principiálně relativně jednoduše. Na počátku je nějaký signál, tedy první posel, molekula, která „přichází“ z extracelulárního prostředí k buňce. Tímto prvním poslem může být jakákoli molekula, která je schopná vázat se na receptor. Tedy, pokud je buňka vybavena příslušným receptorem (jedná se o protein, tedy sekvenci aminokyselin, které zaujímají určitou primární až kvarterní strukturu), který má vazebné místo nebo vazebná místa pro tuto molekulu (jednotné i množné číslo mají opodstatnění, i počet molekul schopných se vázat na receptor může být fyziologicky klíčový pro spuštění, iniciaci buněčné odpovědi), tento první posel se na receptor váže a vyvolá konformační změnu receptoru. V praxi to znamená, že receptor změní svoji trojrozměrnou strukturu, což vede ke spuštění signální kaskády, v případě vápníkové signalizace se jedná o signál, který „mobilizuje“ vápenaté ionty. A dostáváme se k druhé části onoho obecného a univerzálního mechanismu – a to k aktivaci ON mechanismu (skutečně, jako kdybychom rozsvítili vypínačem světlo), který vede ke zvýšení intracelulární koncentrace vápenatých iontů. Třetí část se přímo nabízí – vápenaté ionty „bloudí“ po cytoplazmě a hledají svá vazebná místa, tedy iniciují ony v úvodu zmiňované vápník‑senzitivní procesy. Slovo „bloudí“ je částečně na místě, nicméně je nutno vzít v potaz také nerovnoměrnou intracelulární distribuci proteinů s afinitou k vápenatým iontům. Představme si tedy ono bloudění jako proces vedoucí k vazbě vápenatých iontů na cílové proteiny s nejvyšší afinitou. Celý tento mechanismus však musí být ukončen, a ukončen je, když již byl zmíněn mechanismus ON, mechanismem OFF (světlo vypínačem zhasneme). Tento mechanismus vede k odstranění vápenatých iontů z cytoplazmy. Aktivují se tedy mechanismy, které vápenaté ionty odčerpávají nebo umožňují jejich přesun buď do specializovaných buněčných kompartmentů (nezapomínejme – endoplazmatické retikulum a mitochondrie), nebo mimo buňku, tedy do extracelulárního prostředí. S přihlédnutím ke koncentraci vápenatých iontů v cytoplazmě a jednotlivých buněčných kompartmentech a extracelulární koncentraci se tak děje proti koncentračnímu gradientu, tedy aktivně, případně prostřednictvím sekundárně aktivního transportu a mechanismu něco za něco, tedy vápenaté ionty ven z buňky a jiné ionty do buňky prostřednictvím gradientu vytvořeného Na+/ K+‑ATPázou. OFF mechanismus tedy vede k přerušení, ukončení signální funkce vápenatých iontů snížením jejich cytoplazmatické koncentrace. Celý tento proces je vlastně jednoduchý, ale jeho složitost spočívá v zapojení různých mechanismů, které na jednotlivých částech procesu participují. Pojďme se na ně podívat trochu blíže. Zdrojem vápenatých iontů je jednak extracelulární prostředí se svou vysokou koncentrací vápenatých iontů, jednak intracelulární zásobárny, kterými jsou zejména endoplazmatické retikulum (nebo jeho modifikace, tedy sarkoplazmatické retikulum) a mitochondrie a v menší míře také lysozomy a jádro, o kterém je pojednáno 98
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS511109
Úloha vápníku v organismu
4
samostatně dále. Ve všech těchto kompartmentech, organelách (od cytoplazmy jsou odděleny plazmatickou membránou, jedná se tedy o kompartment se svým specifickým prostředím), je koncentrace vápenatých iontů poměrně vysoká – 100 µM pro endoplazmatické/sarkoplazmatické retikulum a 25 µM pro mitochondrie. Obě tyto organely jsou v hospodaření s vápníkem velmi efektivní a intenzivně spolu komunikují. Uvolnění těchto zásob je kontrolováno iontovými kanály pro vápník, v případě endoplazmatického retikula se nazývají inozitol‑1,4,5‑trifosfátové receptory (IP3R) a ryanodinové receptory (RyR). Iontové kanály by se daly přirovnat k jakýmsi tunelům, které slouží pro pasivní transport bez vkladu energie, je zde tedy nezbytná podmínka elektrochemického, resp. koncentračního gradientu jako hnací síly. Nenechte se mást slovem receptor, opravdu se jedná o vápníkové iontové kanály, které jsou však aktivovány dominantně vápenatými ionty, jedná se tedy o Ca2+‑indukované uvolňování vápníku z těchto vnitřních rezerv. Existuje zde však velmi úzká souhra mezi vazbou prvního posla na membránový receptor a uvolněním vápenatých iontů. Vazba prvního posla na receptor vede k iniciaci signální kaskády, v případě endoplazmatického retikula je relevantní inozitol‑1,4,5‑trifosfát (IP3) jako druhý posel. První posel tak po vazbě na receptor předá štafetu druhému poslovi, což je IP3, a ten spolu s dostupnými vápenatými ionty (pro velké zjednodušení si můžeme představit, že vápenaté ionty se pohybují v cytoplazmě, nicméně kdybychom chtěli celý systém udělat ještě více složitým, museli bychom konstatovat, že koncentrace vápenatých iontů v cytoplazmě vykazuje významné lokální i časové odchylky) způsobí aktivaci a uvolnění zásob vápenatých iontů z endoplazmatického/sarkoplazmatického retikula. Otázky vzbuzuje, proč právě tento vysoce duální systém. Nebyla by jednodušší vazba pouze a jen IP3 na příslušný receptor? V buňce i v celém organismu má každá jednotlivá okolnost svůj význam i četné konsekvence. Zde bychom mohli vidět význam v jakémsi znásobení signálu – vazba IP3 a Ca2+ vede k aktivaci a uvolnění prvních endoplazmatických/sarkoplazmatických zásob, uvolněné vápenaté ionty se pak dle dostupnosti IP3 vážou na další a další IP3R a celý proces je tak extrémně zefektivněn a urychlen. Jedná se tak o příklad pozitivní zpětné vazby. Podobně v případě RyR je na prvním místě a klíčovým vápník, resp. vápenaté ionty – a jejich efekt je modulován druhou molekulou, a to cyklickou ADPribózou (cADPR). Tato molekula je opět druhým poslem, který významnou měrou moduluje uvolnění Ca2+ z endoplazmatického/sarkoplazmatického retikula. Aby byl výčet úplný, „vápník‑mobilizujícími“ druhými posly jsou i adenindinukleotidfosfát kyseliny nikotinové (NAADP) a sfingozin‑1‑fosfát (S1P), které působí na odlišné typy vápníkových kanálů, ale mají přitom schopnost mobilizovat vápenaté ionty z těchto rezerv. Význam rychlé a zefektivněné mobilizace vápenatých iontů se uplatňuje při svalové kontrakci nebo při sekreci, tedy v procesech, kde není možná velká časová prodleva. Typickým příkladem může být exokrinní pankreas, kde vazba acetylcholinu na muskarinový receptor (záměrně neuvádím, o který typ se jedná, neboť v případě M1 i M3 panuje ještě několik nejasností) vede k mobilizaci IP3, zatímco vazba cholecystokininu na příslušný typ receptoru mobilizuje cADPR jako druhého posla; na tomto příkladu vidíme i nutnost časové efektivity celého procesu (trávenina nemůže setrvávat v duodenu po dlouhé časové období). Ve vyprávění se dostáváme k části druhé. K mechanismu ON. Pokud se řekne ON, každý si představí, že se něco zapne. Stiskneme vypínač a rozsvítí se světlo, nebo zapneme nějaký spotřebič. V našich konsekvencích to znamená něco trošku jiného, a přitom 99
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS511109
4
Vybrané kapitoly z fyziologie velmi podobného – ON mechanismus vede ke zvýšení intracelulární koncentrace vápenatých iontů. Kde je brát? Dvě organely jsme si už představili – endoplazmatické, resp. sarkoplazmatické retikulum a mitochondrie, do výčtu bychom mohli přidat jádro a také velmi malé organely, které jsou obvykle spojovány s rozkladem intra‑ i extracelulárního materiálu, tedy lysozomy. To jsou zdroje intracelulární, tedy ty, které se nacházejí uvnitř buňky. Ale pak zde máme také prostředí extracelulární, tedy mimobuněčné, s poměrně vysokou koncentrací vápenatých iontů. Tedy zdroje vnější, externí. V tomto případě se uplatňují vápníkové kanály, ovšem s různým mechanismem řízení. Známe napěťově řízené vápníkové kanály (VOC), které jsou řízeny membránovým napětím, známe rovněž vápníkové kanály, které jsou spojeny s receptorem – receptorem řízené vápníkové kanály (ROC), jejichž stav je řízen ligandem, často ATP, acetylcholinem nebo také glutamátem. Pak zde máme zvláštní skupinu vápníkových kanálů, jejichž stav je řízen buněčnými zásobami vápenatých iontů – zásobami řízené vápníkové kanály (SOC), které jsou pod kontrolou IP3R, ale pravděpodobně také NAADP a S1P. Pokud se vrátíme k IP3R a RyR, tyto představují dva nejdůležitější receptory vedoucí k mobilizaci buněčných zásob vápenatých iontů z ER, resp. k jejich uvolnění do cytoplazmy. Jak již bylo uvedeno výše, jedná se o duální systém s významnou funkcí vápenatých iontů, které působí senzitizačně na IP3R a RyR, zvyšují tedy jejich citlivost k příslušným ligandům a celkově zefektivňují proces mobilizace zásob v ER. Aby situace nebyla až tak jednoduchá – podstatně záleží na koncentraci molekul druhého posla a na lokální koncentraci vápenatých iontů. Pokud je jejich koncentrace nízká, působí zde další stimulační efekt, pokud vysoká, uplatňuje se efekt inhibiční. A aby toho nebylo málo, máme zde různé izoformy IP3R s různou citlivostí k vápenatým iontům a ke koncentraci ligandu, tedy IP3, stejně tak různé izoformy RyR s odlišnou tkáňovou distribucí (typ 1 – kosterní sval, typ 2 – myokard, typ 3 – mozek). Podobnou situaci vidíme i u jiných druhých poslů, např. cADPR. K tomu přistupuje těsná kooperace jednotlivých systémů, zejména IP3R a RyR, a přítomnost pufrovacích systémů pro vápenaté ionty s rozdílnou tkáňovou distribucí, které zahrnují proteiny s vysokou afinitou k vápenatým iontům a schopností tyto ionty vázat, „pufrovat“ (např. parvalbumin, kalbindin nebo kalciretinin). Zapomínat bychom však neměli ani na extracelulární prostředí, které je díky vysoké koncentraci vápenatých iontů, která dalekosáhle překračuje tu intracelulární, vhodným a spolehlivým zdrojem vápníku, navíc tedy prostředím poskytujícím příslušný gradient pro pasivní intracelulární transport. Vápníkových kanálů je celá řada a je o nich pojednáno v jiné kapitole. Jen pro připomenutí a velmi zjednodušeně – jedná se o selektivní transportní systémy, které jsou řízeny různými mechanismy, ať již změnou membránového napětí (napěťově řízené, které jsou dále klasifikovány do dalších podskupin), nebo některým z ligandů (řízené ligandem; již jsme se s některými setkali, byť nejsou součástí plazmatické membrány – IP3R a RyR). V neexcitabilních, tedy nevzrušivých, tkáních se uplatňují vápníkové kanály řízené intracelulárními zásobami vápníku („store‑operated“, které rovněž reflektují vápenaté ionty uvolněné z endoplazmatického retikula nebo mitochondrií) nebo ligandem, u excitabilních tkání jsou potom často klíčové ty řízené membránovým napětím. Opět ovšem musíme zvažovat přítomnost vápník‑pufrujících systémů v cytoplazmě, tedy proteiny s vysokou afinitou k vápenatým iontům, které vážou. ON mechanismus je v různých buňkách tkání různě složitý a souvisí s funkcí dané buňky nebo tkáně. Vysoce specializované ON mechanismy nacházíme u svalových 100
Ukázka elektronické knihy