T-тру́бочки ( англ. T-tubules от англ. transverse tubules — поперечные трубочки) — впячивания клеточной мембраны , доходящие до центральной части клеток скелетных и сердечной мышц . Мембрана T-трубочек содержит большое количество ионных каналов , и насосов, благодаря чему они обеспечивают быструю передачу потенциала действия и играют важную роль в регуляции внутриклеточной концентрации ионов кальция . Обеспечивая синхронное высвобождение кальция из внутриклеточных депо, T-трубочки обеспечивают более сильное сокращение миоцитов. При некоторых заболеваниях функция T-трубочек нарушается, что в случае сердечной мускулатуры может приводить к аритмии и сердечному приступу . T-трубочки были впервые описаны в 1897 году.

Структура

T-трубочки представляют собой впячивания плазматической мембраны мышечной клетки ( сарколеммы ). В каждой мышечной клетке они образуют сеть трубочек, расположенных перпендикулярно или параллельно сарколемме. Внутренняя часть T-трубочек открывается отверстием на поверхности клетки, из-за чего T-трубочки наполнены той же жидкостью, которая окружает клетку. Мембрана T-трубочек содержит множество , натрий-кальциевых обменников , и β-адренорецепторов .

В кардиомиоцитах предсердий и желудочков T-трубочки появляются в течение первых нескольких недель жизни . У большинства видов они имеются в мышечных клетках желудочков , а у крупных млекопитающих — в мышечных клетках предсердий . Диаметр T-трубочек в кардиомиоцитах составляет от 20 до 450 нм ; как правило, T-трубочки располагаются в области Z-дисков , где заякориваются клеточные актиновые филаменты . В кардиомиоцитах T-трубочки тесно связаны с внутриклеточным депо кальция — саркоплазматическим ретикулумом , а именно с его терминальными цистернами. Комплекс T-трубочки и терминальной цистерны называется .

В скелетных мышцах T-трубочки имеют диаметр от 20 до 40 нм и обычно располагаются по обе стороны от полосы миозина , в месте соединения А- и I-полос. В мышцах T-трубочки связаны с двумя терминальными цистернами саркоплазматического ретикулума, этот комплекс получил название .

Форма T-трубочек поддерживается множеством белков . Белок амфифизин-2, кодируемый геном , отвечает за формирование T-трубочек и локализацию в них нужных белков, таких как кальциевые каналы L-типа . Джунктофилин-2, кодируемый геном , участвует в формировании связи T-трубочки с саркоплазматическим ретикулумом, необходимого для синхронного сокращения саркомеров клетки. , кодируемый геном TCAP, участвует в формировании T-трубочек и, возможно, отвечает за увеличение количества T-трубочек в растущей мышце .

Функции

Электромеханическое сопряжение

T-трубочки — важное звено на пути от электрического возбуждения мышечной клетки до её мышечного сокращения (электромеханическое сопряжение). Когда мышца должна сократиться, стимулирующий электрический сигнал, приходящий от нерва или соседней мышечной клетки, вызывает деполяризацию мембраны клетки — так запускается потенциал действия. В состоянии покоя внутренняя сторона мембраны клетки заряжена отрицательно, и внутри неё содержится больше ионов калия , чем во внешней среде, и меньше — натрия . В ходе потенциала действия положительно заряженные ионы натрия входят в клетку, уменьшая её отрицательный заряд (этот процесс называется деполяризацией ). При достижении определённого положительного значения заряда внутренней стороны мембраны ионы калия начинают выходить из клетки, постепенно возвращая её мембранный потенциал к значению, характерному для состояния покоя (этот процесс называется ) .

Запуск мышечного сокращения начинается с выделения ацетилхолина вблизи двигательной концевой пластинки. Из-за этого возникает потенциал действия, который проводится со скоростью 2 м/с вдоль сарколеммы всего мышечного волокна. Далее потенциал действия проникает внутрь волокна через T-трубочки .

В сердечной мышце потенциал действия проходит вдоль T-трубочки, вызывая активацию кальциевых каналов L-типа, благодаря чему кальций начинает заходить внутрь клетки. Концентрация кальциевых каналов L-типа в T-трубочках выше, чем в остальной сарколемме, поэтому большая часть ионов кальция входит в клетку через T-трубочки . Внутри клетки ионы кальция связываются с рианодиновыми рецепторами , которые находятся на мембране внутриклеточного кальциевого депо — саркоплазматического ретикулума. Активация рианодиновых рецепторов вызывает выход кальция из саркоплазматического ретикулума, что приводит к сокращению мышечной клетки . В скелетных мышцах кальциевый канал L-типа непосредственно связан с рианодиновым рецептором на саркоплазматическом ретикулуме, благодаря чему рианодиновые рецепторы активируются без входящего тока кальция .

Важность T-трубочек не исчерпывается высокой концентрацией кальциевых каналов L-типа: они способны синхронизировать высвобождение кальция в клетке. Быстрое распространение потенциала действия по сети T-трубочек приводит к тому, что кальциевые каналы L-типа активируются в них почти одновременно. Поскольку в области T-трубочек сарколемма очень близко подходит к саркоплазматическому ретикулуму, почти сразу же запускается выход кальция из последнего. Благодаря синхронизации выхода кальция достигается более сильное сокращение мышцы. В клетках, у которых нет T-трубочек, таких как клетки гладких мышц , утратившие функциональность кардиомиоциты или мышечные клетки, у которых T-трубочки были удалены искусственно, кальций, попадающий в клетку, медленно диффундирует в цитоплазме и достигает рианодиновых рецепторов гораздо медленнее, из-за чего мышца сокращается слабее, чем при наличии T-трубочек .

Поскольку именно в T-трубочках происходит электромеханическое сопряжение, ионные каналы и другие белки, необходимые для этого процесса, находятся в T-трубочках в гораздо большей концентрации, чем в остальной сарколемме. Это касается не только кальциевых каналов L-типа, но также β-адренорецепторов , и их стимуляция усиливает выход кальция из саркоплазматического ретикулума .

Контроль концентрации кальция

Поскольку внутреннее пространство T-трубочек, по сути, является продолжением окружающей среды, концентрации ионов в нём примерно такие же, как во внеклеточной жидкости. Однако, так как концентрация ионов внутри T-трубочек имеет очень важное значение (особенно концентрация кальция в T-трубочках кардиомиоцитов), необходимо, чтобы эти концентрации оставались более-менее постоянными. Из-за того, что диаметр T-трубочек очень маленький, в них происходит захват ионов. Благодаря этому при снижении концентрации кальция во внешней среде ( гипокальциемия ), концентрация кальция в T-трубочках не меняется и остаётся достаточной для запуска сокращения .

Через T-трубочки происходит не только вход кальция в клетку, но также его выход наружу из клетки. Благодаря этому внутриклеточную концентрацию кальция можно жёстко контролировать лишь на небольшом участке, а именно, в пространстве между T-трубочкой и саркоплазматическим ретикулумом . Натрий-кальциевый обменник, а также кальциевая АТФаза локализуются преимущественно в мембране T-трубочек . Натриево-кальциевый обменник пассивно выводит один ион кальция из клетки в обмен на вход трёх ионов натрия. Благодаря тому, что процесс пассивный, то есть для него не нужна энергия в виде АТФ , через обменник кальций может как входить в клетку, так и выходить из неё в зависимости от комбинации относительной концентрации ионов Ca ²⁺ и Na ⁺ , а также от напряжения на клеточной мембране ( электрохимический градиент ). Кальциевая АТФаза удаляет кальций из клетки активно, используя АТФ в качестве источника энергии .

Детубуляция

Чтобы изучить функции T-трубочек, можно искусственно разобщить T-трубочки и клеточную мембрану с помощью метода, известного как детубуляция. Во внеклеточную жидкость добавляют глицерин или формамид (для скелетных и сердечной мышц соответственно). Эти осмотически активные агенты не могут пройти через мембрану клетки, и при их добавлении во внеклеточную жидкость клетки начинают терять воду и сжиматься. При удалении этих веществ клетка быстро восстанавливает свой объём и возвращается к нормальным размерам, однако из-за быстрого расширения клетки T-трубочки отрываются от клеточной мембраны .

Клиническое значение

При некоторых болезнях структура T-трубочек изменяется, что может приводить к слабости сердечной мышцы или нарушению ритма её сокращения. Нарушения в структуре T-трубочек могут выражаться в полной утрате этих структур или только лишь изменении их ориентации и способе ветвления. Утрата или нарушение в строении T-трубочек нередко происходит при инфаркте миокарда . Сердечный приступ может приводить к нарушениям в T-трубочках в желудочках, из-за чего сила сокращения уменьшается, как и шансы на восстановление . Иногда при сердечном приступе происходит почти полная утрата T-трубочек в предсердиях, что снижает сократимость предсердий и может вызывать фибрилляцию предсердий .

При структурных изменениях в T-трубочках кальциевые каналы L-типа могут терять связь с рианодиновыми рецепторами. В результате время, необходимое для повышения концентрации кальция, увеличивается, что приводит к более слабому сокращению и аритмиям. Однако нарушения в T-трубочках могут быть обратимыми, и высказываются предположения, что структуру T-трубочек можно вернуть к нормальному состоянию при помощи интервальных тренировок .

История изучения

Идея существования клеточных структур, похожих на T-трубочки, была впервые высказана в 1881 году. Время, проходящее между стимуляцией клетки поперечнополосатой мышцы , и её сокращением слишком мало для того чтобы быть обусловленным перемещением химического сигнала от сарколеммы к саркоплазматическому ретикулуму. Было высказано предположение, что столь малое время может быть связано с наличием глубоких впячиваний мембраны мышечной клетки . В 1897 году T-трубочки впервые удалось увидеть в световой микроскоп в сердечной мышце, в которую предварительно ввели чернила. После изобретения просвечивающего электронного микроскопа структуру T-трубочек удалось изучить детальнее , и в 1971 году были описаны продольные компоненты сети T-трубочек . В 1990-х и 2000-х с помощью конфокальной микроскопии удалось получить пространственную модель сети T-трубочек, а также определить их размер и распределение . С открытием стала прослеживаться связь между T-трубочками и выходом кальция . Долгое время T-трубочки изучались только на примере скелетных мышц и желудочковой сердечной мышцы, но в 2009 году удалось увидеть хорошо развитую систему T-трубочек в мышечных клетках предсердий . Текущие исследования сфокусированы на регуляции структуры T-трубочках и их изменениях при различных сердечно-сосудистых заболеваниях .

Примечания