28 березня 2025 року в Інституті біохімії ім. О.В.Палладіна НАН України відбулося чергове засідання загальноакадемічного міждисциплінарного семінару в галузі природничих наук «Актуальні питання фізико-хімічної та математичної біології».
Із доповіддю «Молекулярні механізми кальцієвої сигналізації в збудливих клітинах: функціональна роль ріанодинових рецепторів» виступив старший дослідник Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України доктор біологічних наук В’ячеслав Шкриль.
Засідання відкрив його головуючий – академік НАН України Сергій Костерін, який розповів про науковий доробок доповідача у галузі вивчення ролі ріанодинових рецепторів у формуванні та модуляції концентрації іонів Са у м’язових і нервових клітинах.
У своїй доповіді науковець відзначив, що іони кальцію (Ca²⁺) є універсальним вторинним посередником, який у клітинах регулює багато фізіологічних процесів, зокрема збудження, м’язове скорочення, вивільнення медіаторів, синаптичну пластичність, секрецію, транскрипцію генів та апоптоз. Внутрішньоклітинна концентрація Ca²⁺ контролюється завдяки різноманітним молекулярним механізмам, які включають іонні канали, кальцій-зв'язувальні білки, канали вивільнення Ca²⁺ з внутрішньоклітинних депо, а також катіонні обмінники та помпи, що забезпечують видалення кальцію з цитозолю. У збудливих клітинах, таких як нейрони або м'язові клітини, стимульований збудженням вхід Ca²⁺ в клітину може додатково спричиняти підвищення його концентрації шляхом вивільнення Ca²⁺ із внутрішньоклітинних кальцієвих депо, що відіграє регуляторну роль у реалізації відповідних клітинних функцій.
Експериментальні дослідження свідчать, що внутрішньоклітинна концентрація Ca²⁺ змінюється від 50 нМ у стані спокою до приблизно 10 мкМ під час пікових фізіологічних стимулів. Надходження Ca²⁺ із позаклітинного середовища здійснюється через активацію різних мембранних каналів: потенціалзалежних кальцієвих каналів (VGCC), іонотропних рецепторів глутамату та ацетилхолінових рецепторів, а також каналів транзієнтного рецепторного потенціалу плазматичної мембрани. Крім того, в деяких випадках до цього процесу можуть залучатися Na⁺/Ca²⁺-обмінник плазматичної мембрани або інші додаткові сигнальні шляхи. Основною внутрішньоклітинною органелою, що сприймає і обробляє кальцієві сигнали, які надходять від кальцієвих каналів плазматичної мембрани, є ендоплазматичний ретикулум (ЕР), а у м'язових волокнах — саркоплазматичний ретикулум (СР).
Далі доповідач відзначив, що ріанодинові рецептори (RyRs) — це клас кальцієвих каналів, розташованих усередині клітини на мембрані ЕР або СР. Активність RyRs регулюється різними факторами, зокрема змінами концентрації іонів кальцію, фосфорилюванням, а також взаємодією з іншими білками. Ріанодинові рецептори чутливі до внутрішньоклітинного Ca²⁺, тому підвищення його концентрації в цитозолі може стимулювати вивільнення Ca²⁺ через ці рецептори — процес, відомий як Ca²⁺-індуковане вивільнення Ca²⁺ (CICR). Вивільнення Ca²⁺ із ретикулуму відбувається у вигляді дискретних подій, що мають стереотипну форму та можуть бути візуалізовані за допомогою конфокальної флуоресцентної мікроскопії та флуоресцентних Ca²⁺-чутливих барвників. Ці події отримали назву Ca²⁺-спалахів (Ca²⁺ sparks).
Цікаво, підкреслив доповідач, що взаємодія VGCC та RyRs у скелетному м’язі є алостеричною, тобто активність ріанодинового рецептора може змінюватися не шляхом безпосередньої взаємодії з його активним центром, а через пряме зв'язування з кальцієвими каналами плазматичної мембрани. При цьому активація рецептора не вимагає механізму CICR. За фізіологічних умов Ca²⁺-спалахи, що є мініатюрними проявами CICR, майже не фіксуються в інтактних скелетних м'язових волокнах дорослих ссавців.
У своїй доповіді доповідач також звернув увагу присутніх на те, що мітохондрії виконують не лише функцію фабрики клітинної енергії у вигляді АТФ, а й відіграють ключову роль в інших клітинних процесах. Підвищення концентрації Ca²⁺ в мітохондріях посилює продукцію нікотинамідаденіндинуклеотиду, активує транспорт електронів, змінює рівень протонів і сприяє утворенню активних форм кисню. Вважається, що окислення або нітрозативна модифікація RyRs, викликана підвищеною концентрацією реактивних кисневих сполук, може бути однією з причин появи Ca²⁺-спалахів або активації механізму CICR у скелетних м’язах.
У кардіоміоцитах поява Ca²⁺-спалахів зумовлена CICR не лише для ініціації цієї події, але й є важливою для поширення активації серед групи RyRs, відзначив В’ячеслав Шкриль. Спонтанний характер Ca²⁺-спалахів та невизначеність місця їх виникнення ускладнюють точне визначення параметрів таких мініатюрних сигналів. Сучасні методи швидкої конфокальної мікроскопії дають змогу детально досліджувати зміни внутрішньоклітинної концентрації Ca²⁺ у збудливих клітинах як на локальному рівні, так і в контексті швидких змін у межах всієї клітини.
Мобілізація Ca²⁺-сигналізації також спостерігається в нейронах головного мозку. Зокрема, RyRs у периферичних і центральних нейронах можуть підсилювати та подовжувати вхідні Ca²⁺-сигнали завдяки механізму CICR. Встановлено, що в сомі пірамідальних нейронів наявна ретикулярна мережа ЕР, яка простягається до дендритів та по всій довжині аксона, включаючи пресинаптичні бутони. Крім того, довготривала стимуляція пірамідальних клітин CA1-зони гіпокампу індукує вивільнення Ca²⁺ із дендритних або пресинаптичних ріанодинчутливих Ca²⁺-депо.
На завершення доповіді В’ячеслав Шкриль підкреслив важливу обставину - дисфункція ріанодинових рецепторів може призводити до порушень у вивільненні Ca²⁺ з внутрішньоклітинних депо, що, своєю чергою, може спричиняти м’язову слабкість і дегенерацію тканин. У серцевих клітинах неправильне функціонування RyRs може викликати порушення циклічних змін концентрації Ca²⁺, необхідних для нормального скорочення серцевого м’яза, що підвищує ризик розвитку аритмій. Дисфункція RyRs також асоціюється з різними патологіями, включаючи м’язову дистрофію Дюшена, серцеві аритмії та нейродегенеративні розлади, такі, наприклад, як хвороба Альцгеймера.
Із запитаннями до доповідача та обговоренням доповіді виступили член-кореспондент НАН України Микола Куліш, член-кореспондент НАН України Ігор Фрицький, академік НАН України Сергій Костерін, доктори біологічних наук Лідія Бабіч, Юрій Данилович, Ольга Матишевська, Артем Тихомиров, кандидат біологічних наук Галина Косякова та інші.
Наступне засідання загальноакадемічного міждисциплінарного наукового семінару «Актуальні питання фізико-хімічної та математичної біології» заплановане на квітень 2025 року.
ВІДЕОЗАПИС СЕМІНАРУ: https://youtu.be/4djoVvK3q74
Фото: кандидат біологічних наук М.В.Григор'єва
За інформацією Інституту біохімії ім. О.В.Палладіна НАН України
