Информация

Прирост плотности кальция нейрона

Прирост плотности кальция нейрона


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Я узнал, что по мере возникновения импульса в нейроне концентрация ионов кальция увеличивается из-за открытия потенциалозависимых кальциевых каналов.

Из-за расположения этих каналов мне интересно, увеличивается ли концентрация кальция только на кончике аксона или во всей клетке.


Кальций в биологии

Ионы кальция (Ca 2+) вносят вклад в физиологию и биохимию клеток организмов. Они играют важную роль в путях передачи сигналов [1] [2], где они действуют как вторичные посредники, в высвобождении нейромедиаторов из нейронов, в сокращении всех типов мышечных клеток и в оплодотворении. Многим ферментам в качестве кофактора требуются ионы кальция, включая несколько факторов свертывания крови. Внеклеточный кальций также важен для поддержания разности потенциалов на мембранах возбудимых клеток, а также для правильного формирования костей.

Уровни кальция в плазме у млекопитающих строго регулируются [1] [2], при этом кость выступает в качестве основного места хранения минералов. Ионы кальция, Ca 2+, высвобождаются из кости в кровоток в контролируемых условиях. Кальций транспортируется через кровоток в виде растворенных ионов или связывается с белками, такими как сывороточный альбумин. Гормон паращитовидной железы, секретируемый паращитовидной железой, регулирует резорбцию Са 2+ из костей, реабсорбцию в почках обратно в кровоток и увеличивает активацию витамина D.3 кальцитриолу. Кальцитриол, активная форма витамина D3, способствует всасыванию кальция из кишечника и костей. Кальцитонин, секретируемый парафолликулярными клетками щитовидной железы, также влияет на уровень кальция, противодействуя паратиреоидному гормону, однако его физиологическое значение для людей сомнительно.

Внутриклеточный кальций накапливается в органеллах, которые периодически высвобождают и затем повторно накапливают ионы Ca 2+ в ответ на определенные клеточные события: места накопления включают митохондрии и эндоплазматический ретикулум. [3]

Характерные концентрации кальция в модельных организмах: в Кишечная палочка 3 мМ (связанный), 100 нМ (свободный), в почкующихся дрожжах 2 мМ (связанный), в клетках млекопитающих 10-100 нМ (свободный) и в плазме крови 2 мМ. [4]


Ионный транспорт: кальциевые каналы ☆

Наоми Нисато, Ёсинори Марунака, Справочный модуль по биомедицинским наукам, 2020

Каналы Ca 2 + со стробированием по напряжению

Са 2+ каналы на плазматической мембране в целом характеризуются как потенциалзависимые Са 2+ каналы (таблица 2 и рисунок 1) (Isom et al., 1994 Catterall et al., 2003 Belkacemi et al., 2005) . Это означает, что потенциал-зависимый канал Са 2+ активируется деполяризацией мембраны, т.е. вероятность открытия канала Са 2+ увеличивается за счет деполяризации плазматической мембраны (Moczydlowski, 2003a). Управляемые по напряжению каналы Ca 2+ классифицируются как типы L, T, N P / Q и R на основе профилей тока через каналы (Catterall et al., 2003). Эти типы каналов обычно расположены в скелетных мышцах, сердечных мышцах и нейронах. Управляемый по напряжению канал Ca 2 + принадлежит к суперсемейству потенциал-управляемых катионных каналов, включая каналы Na +, K + и Ca 2 +. Катионные каналы, управляемые по напряжению, имеют последовательность сегментов S4 для образования пор для проникновения ионов через мембрану, которая называется α1 субъединица. Управляемый по напряжению канал Ca 2 + состоит из псевдоолигомерного α1 субъединицу, а также внеклеточную α2 субъединица, цитоплазматическая субъединица β и охватывающие мембрану субъединицы γ и δ. α1 субъединица состоит из четырех внутренне гомологичных повторов, доменов I, II, III и IV. Каждый домен содержит трансмембранный мотив от S1 до S6. Таким образом, α1 субъединица имеет всего 24 трансмембранных домена. Млекопитающее α1 субъединицы Са 2+ каналов L, T, N, P / Q и R кодируются разными генами α1S, α, α1D, а α1F гены Ca 2 + канала L-типа, α1G, α1H, а α1I гены Ca 2 + канала Т-типа, α1B ген Ca 2 + канала N-типа, α ген Ca 2 + канала P / Q-типа и α1E ген Ca 2 + канала R-типа. В респираторных тканях канал Ca 2+ L-типа, экспрессируемый в гладких мышцах дыхательных путей (Ge et al., 2013 Gui et al., 2011), гладких мышцах сосудов (Wan et al., 2013 De Proost et al., 2007) , эпителиальные клетки (De Proost et al., 2007) и нейроэпителиальные тела (De Proost et al., 2007): Ca 2+ каналы Т-типа в гладких мышцах сосудов (Wan et al., 2013) и гладкие мышцы бронхов и сосудистые эндотелиальные клетки (De Proost et al., 2007): Ca 2+ -каналы N- и P / Q-типа в инспираторных нейронах (Koch et al., 2013): Ca 2 + -канал R-типа в Clara-подобных клетки (De Proost et al., 2007).

Таблица 2 . Свойства и классификация потенциалзависимых каналов Ca 2+.

Канальный тип собственностиКинетикаАктивация напряженияФармакологияМесто нахожденияФункцияГены
LДлительная продолжительностьВысокий порог (& ampgt − 30 мВ)Заблокировано DHPСердце, скелетная мышца, гладкие мышцы сосудов, нейроэндокринная системаСвяжите деполяризацию мембраны с передачей сигналов Ca 2+ в цитозолеαS,
αC,
αD,
αF
ТПереходныйНизкий порог (& ampt − 30 мВ)Блокируется DHP в меньшей степениСиноатриальный узел сердца,
нейроны головного мозга
Повторяющееся срабатывание потенциалов действияαграмм,
αЧАС,
αя
NПромежуточная-большая продолжительностьВысокий порог (& ampgt − 30 мВ)Нечувствителен к DHP,
Блокируется ω-конотоксином GVIA
пресинаптические терминалы, дендриты,
клеточные тела нейронов
Экзоцитотический выброс нейротрансмиттераαB
P / QПромежуточная-большая продолжительностьВысокий порог (& ampgt − 30 мВ)Нечувствителен к DHP,
Блокируется ω-агатоксином IVA
мозжечок Пуркинье, гранулярные клетки и клеточные тела центральных нейроновЭкзоцитотический выброс нейротрансмиттераαА
рСреднийВысокий порог (& ampgt − 30 мВ)Нечувствителен к DHP,
Блокируется ω-агатоксином IIIA
гранулярные клетки мозжечка, нейроныЭкзоцитотический выброс нейротрансмиттераαE

Рисунок 1 . Модель сворачивания мембраны потенциалозависимого канала Ca 2 +. Катионный канал, управляемый напряжением, имеет последовательность сегментов S4, образующих поры для проникновения ионов через мембрану, которая называется α1 субъединица. Управляемый по напряжению канал Ca 2 + состоит из псевдоолигомерного α1 субъединицу, а также внеклеточную α2 субъединица, цитоплазматическая субъединица β и охватывающие мембрану субъединицы γ и δ. α1 субъединица состоит из четырех внутренне гомологичных повторов, доменов I, II, III и IV, и эта α1 субъединица образует ионопроницаемую пору. Каждый домен содержит трансмембранный мотив от S1 до S6. Таким образом, α1 субъединица имеет всего 24 трансмембранных домена.

Модифицировано из Isom LL, De Jongh KS, Catterall WA (1994) Вспомогательные субъединицы потенциалзависимых ионных каналов. Нейрон 12: 1183–1194, с разрешения на повторное использование.

L-тип Ca 2 + канал: Канал Ca 2+ L-типа активируется, когда плазматическая мембрана деполяризуется (высокий порог> -30 мВ) (Striessnig et al., 2004 Belkacemi et al., 2005). Кроме того, как только канал Ca 2+ L-типа активируется, этот канал сохраняет свою активность в течение длительного периода времени. Канал Ca 2 + L-типа блокируется 1,4-дигидропиридинами (1,4-DHP), такими как нитрендипин, путем связывания 1,4-DHP с каналом, в то время как Bay K 8644, аналог 1,4-DHP. DHP активирует канал, блокируя его, чтобы он оставался в открытом состоянии. Канал Ca 2+ L-типа расположен в сердечных мышцах, скелетных мышцах, гладких мышцах, нейронах, матке и нейроэндокринных клетках. Каналы Ca 2+ L-типа классифицируются как CaV1.1, CaV1.2, CaV1.3, а СаV1.4. Канал Ca 2+ L-типа активируется протеинкиназой А за счет увеличения вероятности его открытия и играет роль в взаимодействии возбуждения и сокращения. Канал Ca 2+ L-типа также способствует поддержанию базовой концентрации Ca 2+ в гладких мышцах дыхательных путей, а ERK1 / 2 фосфорилирует Ser496 в β2-субъединица или Ser1928 в α1-субъединица, переключающая канал Ca 2+ L-типа между открытым и закрытым состояниями, соответственно.

T-тип Ca 2 + канал: Канал Ca 2+ Т-типа активируется, когда плазматическая мембрана деполяризуется (нижний порог <-30 мВ), а также инактивируется в более отрицательном диапазоне напряжения (Belkacemi et al., 2005). Когда канал Ca 2+ Т-типа активирован, канал сохраняет свою активность в течение короткого периода времени (переходной длительности). Эти характеристики Ca 2+ канала Т-типа указывают на то, что канал функционирует в начальное время действия потенциала действия и производит повторяющееся возбуждение (Moczydlowski, 2003b). Канал Ca 2+ Т-типа расположен в синоатриальном (SA) узле нейронов сердца и головного мозга. По сравнению с каналом Ca 2+ L-типа, канал Ca 2+ T-типа специфически блокируется мибефрадилом, эфонидипином и Ni 2+. Каналы Ca 2+ T-типа классифицируются как CaV3.1, CaV3.2, а СаV3.3 на основе аминокислотной последовательности.

N-тип Ca 2 + канал: Канал Ca 2 + N-типа активируется, когда плазматическая мембрана деполяризуется (высокий порог> -30 мВ), как канал Ca 2 + L-типа (Belkacemi et al., 2005). Когда канал Ca 2+ N-типа активирован, этот канал сохраняет свою активность в течение относительно длительного периода времени (промежуточная длительность). Канал Ca 2 + N-типа нечувствителен к 1,4-дигиропиридинам и блокируется ω-конотоксином GVIA. Канал Ca 2+ этого типа расположен в пресинаптических окончаниях, дендритах и ​​телах нейронов, участвуя в высвобождении экзоцитотических нейротрансмиттеров. Канал Ca 2+ N-типа классифицируется как CaV2.2.

P / Q-тип Ca 2 + каналКанал Ca 2+ P / Q-типа активируется, когда плазматическая мембрана деполяризуется (высокий порог> -30 мВ) (Belkacemi et al., 2005). Когда канал Ca 2+ P / Q-типа активирован, этот канал сохраняет свою активность в течение относительно длительного периода времени (промежуточная длительность). Канал Ca 2+ P / Q-типа нечувствителен к 1,4-дигидропиридинам и блокируется ω-агатоксином IVA. Этот тип канала Са 2+ находится в мозжечке Пуркинье, гранулярных клетках и телах центральных нейронов. Канал Ca 2+ P / Q-типа играет роль в высвобождении экзоцитотических нейротрансмиттеров. Канал Ca 2+ P / Q-типа классифицируется как CaV2.1 на основе аминокислотной последовательности.

R-тип Ca 2 + канал: Канал Ca 2+ R-типа активируется, когда плазматическая мембрана деполяризуется (высокий порог> -30 мВ), как канал Ca 2+ L-типа (Belkacemi et al., 2005). Когда канал Ca 2+ R-типа активирован, канал поддерживает свою активность в течение относительно длительного периода времени (промежуточная продолжительность), но меньше времени, чем каналы Ca 2+ T, N и P / Q-типа. Канал Ca 2 + N-типа нечувствителен к 1,4-дигидропиридинам и блокируется ω-агатоксином IIIA. Этот тип канала Са 2+ расположен в гранулярных клетках и нейронах мозжечка и играет роль в высвобождении экзоцитотических нейромедиаторов, как и канал Са 2+ N-типа. Канал Ca 2+ R-типа классифицируется как CaV2.3 на основе аминокислотной последовательности.


Передача сигналов кальция в нейронах: функция и дисфункция

Кальций (Ca (2+)) - это универсальный вторичный мессенджер, который регулирует наиболее важные действия всех эукариотических клеток. Это критически важно для нейронов, поскольку участвует в передаче деполяризующего сигнала и способствует синаптической активности. Таким образом, нейроны развили обширные и сложные пути передачи сигналов Ca (2+), чтобы связывать сигнал Ca (2+) со своим биохимическим механизмом. Приток Са (2+) в нейроны происходит через рецепторы плазматической мембраны и потенциал-зависимые ионные каналы. Высвобождение Ca (2+) из внутриклеточных хранилищ, таких как эндоплазматический ретикулум, по внутриклеточным каналам также способствует повышению цитозольного Ca (2+). Внутри клетки Ca (2+) контролируется буферным действием цитозольных Ca (2+) - связывающих белков, а также его захватом и высвобождением митохондриями. Поглощение Ca (2+) в митохондриальном матриксе стимулирует цикл лимонной кислоты, тем самым увеличивая выработку АТФ и удаление Ca (2+) из цитозоля с помощью насосов, управляемых АТФ, в эндоплазматическом ретикулуме и плазматической мембране. Обменник Na (+) / Ca (2+) в плазматической мембране также участвует в контроле нейронов Ca (2+). Нарушение способности нейронов поддерживать адекватный уровень энергии может влиять на передачу сигналов Ca (2+): это происходит во время старения и в процессах нейродегенеративных заболеваний. Основное внимание в этом обзоре уделяется передаче сигналов Ca (2+) в нейронах и его участию в синаптических процессах передачи сигналов, энергетическом метаболизме нейронов и нейротрансмиссии. Затем будет рассмотрен вклад измененной передачи сигналов Ca (2+) в наиболее важные неврологические расстройства.


Какова роль кальция в высвобождении нейромедиаторов?

Форма кальций белок канала позволяет только кальций ионы проходят через канал. Там кальций ионы взаимодействуют с нейромедиатор содержащие везикулы (мембраносвязанные контейнеры), заставляющие их сливаться с клеточной мембраной, и выпускать в нейротрансмиттеры в синаптическую щель.

Точно так же, что делает кальций в потенциале действия? Потенциалы действия открытый чувствительный к напряжению кальций каналов в возбудимых клетках, что приводит к притоку кальций ионы. Кальций ионы могут контролировать, среди прочего, возбудимость клеток, высвобождение нейромедиаторов или транскрипцию генов.

Точно так же вы можете спросить, какова роль кальция в синапсе?

Один важный роль кальция ионы в химическом синапс к а. действовать как передающее вещество. облегчить связывание передающего вещества с рецепторными молекулами в пост-синаптический мембрана.

Как выпускается нейромедиатор?

Молекулы нейротрансмиттеры хранятся в небольших «упаковках», называемых пузырьками (см. рисунок справа). Нейротрансмиттеры находятся выпущенный от конца аксона, когда их везикулы «сливаются» с мембраной терминала аксона, высвобождая нейромедиатор в синаптическую щель.


Абрамс Т.В., Кандел Э.Р .: Обнаружение смежности в классическом кондиционировании - это система или свойство клетки? Тенденции в Neurosci 11 (1988) 128–135

Окерман Кео, Д. Г. Николлс: физиологические и биоэнергетические аспекты митохондриального транспорта кальция. Rev Physiol Biochem Pharmacol 95 (1983) 149–201

Альварес-Лифманс Ф.Дж., Т.Дж. Ринк, Р.Ю. Цзянь: Свободные ионы кальция в нейронахспираль асперса измеряется ионоселективными микроэлектродами. J. Physiol (Лондон) 315 (1981) 531–548

Andrews SB, RD Leapman, DMD Landis, TS Reese: Распределение кальция и калия в пресинаптических нервных окончаниях из коры мозжечка. Proc Natl Acad Sci USA 84 (1987) 1713–1717

Andrews SB, RD Leapman, DMD Landis, TS Reese: Зависимое от активности накопление кальция в дендритных шипах клеток Пуркинье. Proc Natl Acad Sci USA 85 (1988) 1682–1685

Армстронг CM, Д. Р. Маттесон: Роль ионов кальция в закрытии K-каналов. J Gen Physiol 87 (1986) 817–832

Ашер П., Л. Новак: роль двухвалентных катионов в ответах N-метил-D-аспартата центральных нейронов мыши в культуре. J. Physiol (Лондон) 399 (1988) 247–266

Августин Дж. Дж., М. П. Чарльтон, С. Дж. Смит: Поступление кальция в пресинаптические терминалы кальмаров с фиксированным напряжением. J. Physiol (Лондон) 367 (1985) 143–162

Августин Дж. Дж., М. П. Чарльтон, С. Дж. Смит: Действие кальция при высвобождении синаптического передатчика. Annu Rev Neurosci 10 (1987) 633–693

Баимбридж К.Г., Миллер Дж., Паркс К.О .: Распределение связывающих кальций белков в головном мозге крыс. Brain Res 239 (1982) 519–525

Бейкер П.Ф .: Транспорт и метаболизм ионов кальция в нервах. Прог Биофиз Мол Биол 24 (1972) 177–223

Бейкер П.Ф., Диполо Р.: Аксональный гомеостаз кальция и магния. Curr Top Membr Transp 22 (1984) 195–247

Бейкер, П.Ф., А.Л. Ходжкин, Э.Б. Риджуэй: Деполяризация и проникновение кальция в гигантские аксоны кальмаров. J Physiol (Лондон) 218 ​​(1971) 709–755

Baker PF, JA Umbach: Буферизация кальция в аксонах и аксоплазме лолиго. J. Physiol (Лондон) 383 (1987) 369–394

Берридж М.Дж., Ирвин РФ: трифосфат инозитола, новый вторичный посредник в передаче клеточного сигнала. Природа 312 (1984) 315–321

Blatz AL, KL Magleby: Калиевые каналы, активируемые кальцием. Тенденции в Neurosci 11 (1987) 463–467

Blaustein MP: Кальций и синаптическая функция. Handb Exp Pharmacol 83 (1988) 275–304

Брэдбери М: Концепция гематоэнцефалического барьера. John Wiley & amp Sons, Чичестер, 1979 г.

Кэмпбелл АК: Внутриклеточный кальций. John Wiley & amp Sons, Чичестер, 1983 г.

Carbone E, HD Lux: кинетика и селективность активируемого низким напряжением тока кальция в сенсорных нейронах цыплят и крыс. J. Physiol (Лондон) 386 (1987) 547–570

Celio MR: Парвальбумин в большинстве нейронов коры головного мозга крыс, содержащих γ-аминомасляную кислоту. Наука 231 (1986) 995–997

Чой DW: Ионная зависимость нейротоксичности глутамата. J Neurosci 7 (1987) 369–379

Cohan CS, JA Connor, SB Kater: электрически и химически опосредованное увеличение внутриклеточного кальция в конусах роста нейронов. J Neurosci 7 (1987) 3588–3599

Коллингридж Г.Л., TVP Bliss: рецепторы NMDA - их роль в долговременной потенциации. Тенденции в Neurosci 10 (1987) 288–293

Койл Дж. Т.: Нейротоксическое действие каиновой кислоты. J Neurochem 41 (1983) 1–11

Дуглас WW: Участие кальция в экзоцитозе и последовательности экзоцитоза-везикуляции. Biochem Soc Symp 39 (1974) 1-28

Drust DS, CE Creutz: Агрегация хромаффинных гранул кальпактином на микромолярных уровнях кальция. Природа 331 (1988) 88–91

Фарбер Дж. Л.: Роль кальция в гибели клеток. Life Sci 29 (1981) 1289–1295

Fox AP, MC Nowycky, RW Tsien: Кинетические и фармакологические свойства, различающие три типа кальциевых потоков в сенсорных нейронах цыплят. J. Physiol (Лондон) 394 (1987) 149–172

Frankenhaeuser B, AL Hodgkin: Действие кальция на электрические свойства аксонов кальмаров. J. Physiol (Лондон) 137 (1957) 218–244

Gilly WF, CM Armstrong: Замедление кинетики открытия натриевых каналов в аксоне кальмаров внеклеточным цинком. J Gen Physiol 79 (1982) 935–964

Горман Альф, А. Герман, М. В. Томас: Ионные требования для мембранных колебаний и их зависимость от концентрации кальция в нейроне-стимуляторе моллюска. J. Physiol (Лондон) 327 (1982) 185–217

Горман Альф, С. Леви, Э. Наси, Д. Тиллотсон: внутриклеточный кальций, измеренный с помощью кальций-чувствительных микроэлектродов, и арсеназо III в напряжении с фиксированным напряжением.аплизия нейроны. J. Physiol (Лондон) 353 (1984) 127–142

Gustafsson B, H Wigström: физиологические механизмы, лежащие в основе долгосрочной потенциации. Тенденции в Neurosci 11 (1988) 156–162

Хэмилл О.П., А. Марти, Э. Неер, Б. Сакманн, Ф. Дж. Сигворт: Усовершенствованные методы фиксации патч-клампа для записи тока с высоким разрешением с клеточных и бесклеточных участков мембраны. Pflugers Arch 391 (1981) 85–100

Хансен А.Дж., Т. Цойтен: Концентрации внеклеточных ионов во время распространения депрессии и ишемии в коре головного мозга крыс. Acta Physiol Scand 113 (1981) 437–445

Heizmann CW: Парвальбумин, внутриклеточный кальций-связывающий белок: распределение, свойства и возможная роль в клетках млекопитающих. Experientia 40 (1984) 910–921

Heuser JE, TS Reese: Структурные изменения после высвобождения передатчика в нервно-мышечном соединении лягушки. J Cell Biol 88 (1981) 564–580

Hirning LD, AP Fox, EW McCleskey, BM Olivera, SA Thayer, RJ Miller, RW Tsien: Доминирующая роль каналов Ca 2+ N-типа в вызванном высвобождении норадреналина из симпатических нейронов. Наука 239 (1988) 57–61

Ходжкин А.Л .: Проведение нервного импульса. Издательство Ливерпульского университета, Ливерпуль, 1964 г.

Hofmann F, W Nastainczyk, A. Röhrkasten, T. Schneider, M Sieber: Регулирование кальциевого канала L-типа. Тенденции в Pharmacol Sci 8 (1987) 393–398

Jahnsen H, R Llinas: Ионная основа электрореактивности и колебательных свойств таламических нейронов морских свинокin vitro. J. Physiol (Лондон) 349 (1984) 227–247

Kaczmarek LK: Роль протеинкиназы C в регуляции ионных каналов и высвобождения нейромедиаторов. Тенденции в Neurosci 10 (1987) 30–34

Кац Б. Высвобождение веществ, передающих нервные импульсы. Издательство Ливерпульского университета, Ливерпуль, 1969 г.

King MM, CY Huang, PB Chock, AC Nairn, HC Hemmings, K-FJ Chan, P Greengard: Фосфопротеины мозга млекопитающих как субстраты для кальциневрина. J Biol Chem 259 (1984) 8080–8083

Knight DE, PF Baker: Кальций-зависимость высвобождения катехоламинов из мозговых клеток надпочечников крупного рогатого скота после воздействия сильных электрических полей. J Membr Biol 68 (1982) 107–140

Knight DE, NT Kesteven: Вызванные временные внутриклеточные изменения свободного Ca 2+ и секреция в изолированных мозговых клетках надпочечников крупного рогатого скота. Proc R Soc Lond [Biol] 218 (1983) 177–199

Крецингер Р.Х .: Информационная роль кальция в цитозоле. Adv Cyclic Nucleotide Res 11 (1979) 1-26

Крец Р., Э. Шапиро, Э. Р. Кандел: Посттетаническая потенциация в идентифицированном синапсе вАплизия коррелирует с активированным Ca 2+ током K + в пресинаптическом нейроне: свидетельство накопления Ca 2+. Proc Natl Acad Sci USA 79 (1982) 5430–5434

Кудо Y, K Ho, H Miyakawa, Y Izumi, A Ogura, H Kato: повышение содержания кальция в цитоплазме в гранулярных клетках гиппокампа, вызванное стимуляцией перфорантного пути и повышением уровня L-глутамата. Brain Res 407 (1987) 168–172

Лауритцен М: Кортикальная распространяющаяся депрессия как предполагаемый механизм мигрени. Тенденции в Neurosci 10 (1987) 8–12

Lehmann A: Нейротоксичность кальциевого ионофора A 23187 в срезах мозжечка незрелых крыс. Neurosci Lett 79 (1987) 263–266

Llinas R, C Nicholson: Роль кальция в взаимодействии деполяризации и секреции: исследование экворинов в гигантских синапсах кальмаров. Proc Natl Acad Sci USA 72 (1975) 187–190

Линч G, M Бодри: Биохимия памяти: новая и конкретная гипотеза. Наука 224 (1984) 1057–1063

McBurney RN, IR Neering: нейрональный гомеостаз кальция. Тенденции в Neurosci 10 (1987) 164–169

Маккормак Дж. Г., Р. М. Дентон: Ca 2+ в качестве второго мессенджера в митохондриях. Тенденции в биохим. Науке 11 (1986) 258–262

Маналон AS, CB Klee: Кальмодулин. Adv Cyclic Nucleotide Protein Phosphorylation Res. 18 (1984) 227–278

Майер М.Л., Г.Л. Вестбрук: проникновение и блокирование каналов рецептора N-метил-D-аспарагиновой кислоты двухвалентными катионами в культивируемых центральных нейронах мышей. J. Physiol (Лондон) 394 (1987) 501–527

Миледи Р., И. Паркер, Г. Шалов: Передатчик индуцировал проникновение кальция через постсинаптическую мембрану на концевых пластинах лягушки, измеренное с использованием арсеназо III. J. Physiol (Лондон) 300 (1980) 197–212

Миллер Р.Дж .: Сколько типов кальциевых каналов существует в нейронах? Тенденции в Neurosci 8 (1985) 45–47

Montarsolo PG, ER Kandel, S. Shacher: Долгосрочное гетеросинаптическое ингибирование ваплизия. Природа 333 (1988) 171–174

Murphy TH, AT Malrouf, A Sastre, RL Schnaar, JT Coyle: Кальций-зависимая цитотоксичность глутамата в линии нейрональных клеток. Brain Res 444 (1988) 325–332

Nestler EJ, P Greengard: фосфорилирование белков в головном мозге. Природа 305 (1983) 583–588

Нохми М., К. Куба, А. Огура, Ю. Кудо: Измерение внутриклеточного Ca 2+ в клетках симпатических ганглиев лягушки-быка с использованием флуоресценции фура-2. Brain Res 438 (1988) 175–181

Нордманн Дж. Дж., Дж. Шевалье: Роль микровезикул в буферизации [Ca 2+]я в нейрогипофизе. Природа 287 (1980) 54–58

Патридж Л.Д., Д. Свандулла: активируемые кальцием неспецифические катионные каналы. Тенденции в Neurosci 11 (1988) 69–72

Перрин Д., О. К. Лэнгли, Д. Аунис: Анти-α-фодрин подавляет секрецию хромаффинных клеток с проницаемостью. Природа 326 (1987) 498–501

Pontremoli S, E Melloni: Экстрализосомная деградация белка. Анну Рев Биохим 55 (1986) 455–481

Расмуссен Х .: Кальций и цАМФ как синархические посланники. Wiley-Interscience, Нью-Йорк, 1981.

Reuter H: Модуляция кальциевых каналов нейротрансмиттером, ферментами и лекарствами. Природа 301 (1983) 569–574

Росс В. Н., Х. Аречига, Дж. Г. Николлс: Оптическая запись переходных процессов кальция и напряжения после импульсов в телах клеток и процессов идентифицированных нейронов пиявки в культуре. J Neurosci 7 (1987) 3877–3887

Schatzmann HJ: Кальциевый насос плазматической мембраны эритроцитов и других клеток животных. В: Carafoli E (ed): Мембранный транспорт кальция. Academic Press, Лондон, 1982 г.

Storm JF: Реполяризация потенциала действия и быстрая постгиперполяризация пирамидных клеток гиппокампа крысы. J. Physiol (Лондон) 385 (1987) 733–759

Танабе Т., Х. Такешима, А. Миками, В. Флокерзи, Х. Такахаши, К. Кангава, М. Кодзима, Х. Мацуо, Т. Хиросе, С. Нума: Первичная структура рецептора для блокаторов кальциевых каналов из скелетных мышц. Природа 328 (1987) 313–318

Тейлер, Т.Дж., П. Discenna: Долгосрочное потенцирование. Annu Rev Neurosci 10 (1987) 131–161

Цзянь Р.В.: Кальциевые каналы в мембранах возбудимых клеток. Annu Rev Physiol 45 (1983) 341–358


Целенаправленный подход к визуализации нейронной активности в головном мозге

Изображения для загрузки на веб-сайте MIT News office предоставляются некоммерческим организациям, прессе и широкой публике в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives. Вы не можете изменять предоставленные изображения, кроме как обрезать их до нужного размера. При воспроизведении изображений необходимо использовать кредитную линию, если она не указана ниже, предоставьте изображения «MIT».

Предыдущее изображение Следующее изображение

Когда нейроны выдают электрический импульс, они также испытывают выброс ионов кальция. Измеряя эти выбросы, исследователи могут косвенно отслеживать активность нейронов, помогая им изучить роль отдельных нейронов во многих различных функциях мозга.

Один из недостатков этого метода - перекрестные помехи, создаваемые аксонами и дендритами, которые исходят от соседних нейронов, что затрудняет получение отличительного сигнала от исследуемого нейрона. Инженеры Массачусетского технологического института разработали способ решения этой проблемы, создав индикаторы кальция или датчики, которые накапливаются только в теле нейрона.

«Люди используют кальциевые индикаторы для мониторинга нейронной активности во многих частях мозга», - говорит Эдвард Бойден, профессор нейротехнологии Y. Eva Tan и профессор биологической инженерии, мозга и когнитивных наук в Массачусетском технологическом институте. «Теперь они могут получать лучшие результаты, получая более точные нейронные записи, менее подверженные перекрестным помехам».

Чтобы достичь этого, исследователи объединили обычно используемый индикатор кальция под названием GCaMP с коротким пептидом, который направляет его в тело клетки. Исследователи говорят, что новую молекулу, которую исследователи называют SomaGCaMP, можно легко включить в существующие рабочие процессы для визуализации кальция.

Бойден - старший автор исследования, которое публикуется сегодня в Нейрон. Ведущими авторами статьи являются научный сотрудник Ор Шемеш, постдок Чангуань Линху и бывший постдок Кирилл Пяткевич.

Молекулярный фокус

Индикатор кальция GCaMP состоит из флуоресцентного белка, присоединенного к кальций-связывающему белку, называемому кальмодулином, и кальмодулин-связывающему белку, называемому пептидом M13. GCaMP флуоресцирует, когда он связывается с ионами кальция в головном мозге, что позволяет исследователям косвенно измерять активность нейронов.

«Кальций легко визуализировать, потому что его концентрация в клетке меняется от очень низкой до очень высокой, когда нейрон активен», - говорит Бойден, который также является членом Института исследований мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте, лаборатории СМИ и Кох Институт интегративных исследований рака.

Самый простой способ обнаружить эти флуоресцентные сигналы - это визуализация, называемая однофотонной микроскопией. Это относительно недорогой метод, позволяющий получать изображения больших образцов мозга с высокой скоростью, но недостатком является то, что он улавливает перекрестные помехи между соседними нейронами. GCaMP проникает во все части нейрона, поэтому сигналы от аксонов одного нейрона могут выглядеть так, как будто они исходят от тела соседней клетки, что делает сигнал менее точным.

Более дорогостоящий метод, называемый двухфотонной микроскопией, может частично преодолеть это за счет очень узкой фокусировки света на отдельных нейронах, но этот подход требует специального оборудования и работает медленнее.

Лаборатория Бойдена решила применить другой подход, изменив сам индикатор, а не оборудование для визуализации.

«Мы думали, вместо того, чтобы фокусировать свет оптически, а что, если бы мы сфокусировали индикатор на молекулярном уровне?» он говорит. «Многие люди используют оборудование, такое как двухфотонные микроскопы, для очистки изображения. Мы пытаемся построить молекулярную версию того, что другие люди делают с оборудованием ».

В соответствующей статье, опубликованной в прошлом году, Бойден и его коллеги использовали аналогичный подход для уменьшения перекрестных помех между флуоресцентными зондами, которые непосредственно отображают напряжение на мембране нейронов. Параллельно они решили попробовать аналогичный подход с визуализацией кальция, которая является гораздо более широко используемой техникой.

Чтобы нацелить GCaMP исключительно на клеточные тела нейронов, исследователи попытались объединить GCaMP со многими различными белками. Они исследовали два типа кандидатов - природные белки, которые, как известно, накапливаются в теле клетки, и пептиды, созданные человеком - в сотрудничестве с профессором биологии Массачусетского технологического института Эми Китинг, которая также является автором статьи. Эти синтетические белки представляют собой спиральные белки, которые имеют отличительную структуру, в которой несколько спиралей белков скручиваются вместе.

Меньше перекрестных помех

Исследователи проверили около 30 кандидатов в нейронах, выращенных в лабораторных чашках, а затем выбрали двух - одну искусственную спиральную спираль и один природный пептид - для тестирования на животных. Работая с Мишей Аренсом, который изучает рыбок данио в исследовательском кампусе Janelia, они обнаружили, что оба белка предлагают значительные улучшения по сравнению с исходной версией GCaMP. Отношение сигнал / шум - мера силы сигнала по сравнению с фоновой активностью - выросло, а активность между соседними нейронами показала меньшую корреляцию.

В исследованиях на мышах, проведенных в лаборатории Сюэ Хана в Бостонском университете, исследователи также обнаружили, что новые индикаторы уменьшают корреляцию между активностью соседних нейронов. Дополнительные исследования с использованием миниатюрного микроскопа (так называемого микроэндоскопа), проведенные в лаборатории Кей Тай в Институте биологических исследований Солка, показали значительное увеличение отношения сигнал / шум с новыми индикаторами.

«Наш новый индикатор делает сигналы более точными. Это говорит о том, что сигналы, которые люди измеряют с помощью обычного GCaMP, могут включать перекрестные помехи », - говорит Бойден. «Есть возможность артефакта синхронности между ячейками».

Во всех исследованиях на животных они обнаружили, что искусственный белок спиральной спирали дает более яркий сигнал, чем природный пептид, который они тестировали. Бойден говорит, что непонятно, почему белки спиральной спирали работают так хорошо, но одна из возможностей заключается в том, что они связываются друг с другом, что снижает вероятность их перемещения очень далеко внутри клетки.

Бойден надеется использовать новые молекулы, чтобы попытаться отобразить весь мозг мелких животных, таких как черви и рыбы, и его лаборатория также делает новые индикаторы доступными для всех исследователей, которые хотят их использовать.

«Это должно быть очень легко реализовать, и на самом деле многие группы уже используют его», - говорит Бойден. «Они могут просто использовать обычные микроскопы, которые они уже используют для визуализации кальция, но вместо использования обычной молекулы GCaMP они могут заменить нашу новую версию».

Исследование в основном финансировалось Национальным институтом психического здоровья и Национальным институтом злоупотребления наркотиками, а также наградой за первопроходца директора Национальных институтов здравоохранения и Лизой Янг, Джоном Дёрром, программой стипендиатов факультета HHMI-Саймонс. и Программа Human Frontier Science.


Потребление кальция и здоровье

Существует поразительное неравенство в потреблении кальция между богатыми и бедными слоями населения. Appropriate calcium intake has shown many health benefits, such as reduction of hypertensive disorders of pregnancy, lower blood pressure particularly among young people, prevention of osteoporosis and colorectal adenomas, lower cholesterol values, and lower blood pressure in the progeny of mothers taking sufficient calcium during pregnancy. Studies have refuted some calcium supplementation side effects like damage to the iron status, formation of renal stones and myocardial infarction in older people. Attention should be given to bone resorption in post-partum women after calcium supplementation withdrawal. Mechanisms linking low calcium intake and blood pressure are mediated by parathyroid hormone raise that increases intracellular calcium in vascular smooth muscle cells leading to vasoconstriction. At the population level, an increase of around 400-500 mg/day could reduce the differences in calcium intake between high- and middle-low-income countries. The fortification of food and water seems a possible strategy to reach this goal.

Ключевые слова: calcium calcium intake fortification health hypertensive disorders.


Neurobiology of Psychiatric Disorders

Jiang-Zhou Yu , Mark M. Rasenick , in Handbook of Clinical Neurology , 2012

Intracellular calcium channels

Intracellular calcium stores release calcium in response to specific receptors on their surface. These receptors function as channels to allow the release of calcium from those intracellular stores. The molecules responsible for this fall into two basic and similar groups: one is called the inosotol 1,4,5‐trisphosphate (IP3) receptors and the other is known as ryanodine receptors. IP3 receptors bind IP3 as well as ATP, and have the capability for regulation by phosphorylation. IP3 activates the IP3 receptor and allows calcium to be released from the intracellular stores into the cell.

Ryanodine receptors were first isolated in skeletal muscle, but appear to enjoy a wide tissue distribution as well, particularly within excitable cells. They allow for a rapid release of calcium from intracellular stores in response to cyclic adenosine diphosphate ribose and perhaps other intracellular messengers. Several subclasses of both IP3 receptors and ryanodine receptors are known to exist.

In addition to releasing calcium, the intracellular calcium stores must have the capability of rapidly concentrating calcium. This is important because, if calcium is a diffusible messenger which is going to deliver a really discrete message, then there must be the capability of rapidly taking calcium up. A variety of calcium ATPases are found on the plasma membrane, and these calcium ATPases are capable of exporting calcium from the cell into the extracellular milieu quite rapidly. These calcium ATPases are activated by calcium and calmodulin and, in the presence of these compounds, increase significantly their sensitivity to calcium and their ability to pump it out of the cell. The calcium ATPases located on the endoplasmic reticulum or the sarcoplasmic reticulum likewise are able to transport calcium rapidly back into these cellular storage sites for calcium. The primary difference between these calcium pumps and those found on the plasma membrane is that the regulation by calcium calmodulin is not known to occur in microsomal calcium ATPases. Figure 2.13 shows intraneuronal mechanisms for maintaining and modulating calcium concentration.

Fig. 2.13 . Calcium signaling in neuron. Mechanisms for calcium entry, regulation of cellular calcium concentration and intracellular calcium-responsive proteins are demonstrated. Several calcium-binding proteins are omitted for the sake of simplicity.