Vápnik v bunke

Ióny vápnika spolu s inými biologicky aktívnymi látkami zohrávajú vo vnútrobunkovej signalizácii významnú úlohu. Zúčastňujú sa na regulácii najrôznejších fyziologických procesov, ako sú rast a vývoj bunky, tvorba bielkovín, sťah svalových vlákien, či prenos signálu medzi nervovými bunkami. Preto neprekvapí, že sa vápnik teší mimoriadnej pozornosti a vedci venujú nemálo úsilia, aby odhalili jeho tajomstvá.

Kvôli názornejšej predstave na úvod ukážeme, akú úlohu zohráva vápnik pri činnosti svalu. K tomu, aby sa pokojný kostrový sval stiahol, čo je jeho hlavnou úlohou, musí byť stimulovaný nervom. Z podráždeného nervu sa v blízkosti svalového vlákna vylieva signálna látka (acetylcholín). Na membráne svalového vlákna sa nachádzajú receptory pre túto látku spojené s vápnikovými kanálmi. Len čo sa na receptory naviaže acetylcholín, vápnikové kanály sa otvoria, a vápnik z mimobunkového prostredia (kde je vo vysokej koncentrácii) začne prenikať do svalovej bunky (kde je koncentrácia vápnika o mnoho nižšia). Ca²⁺ ióny prenikajúce do svalového vlákna podnecujú kontraktilné bielkoviny k tomu, aby sa stiahli. Súčasný sťah veľkého množstva kontraktilných bielkovín sa prejaví ako sťah celého svalového vlákna.

Základom úspechu je veľmi jemná regulácia koncentrácie vápnika v bunke

Koncentrácia Ca²⁺ vnútri bunky dosahuje hodnoty nižšie ako 0,1 mol/l, v mimobunkovom prostredí viac ako 2 mmol/l. Aby bunka udržala takú nízku pokojovú hladinu vápenatých iónov v cytoplazme, musí ich neustále odčerpávať. Vylučuje ich sčasti cez plazmatickú membránu do mimobunkového prostredia a sčasti ich naberá do vnútrobunkových zásobníkov, najmä do endoplazmatického retikula. Toto prečerpávanie je aktívnym procesom (čerpadlá pri svojej práci spotrebúvajú ATP – bunkové platidlo) a sprostredkúvajú ho membránové bielkoviny – vápnikové pumpy a sodíkovo-vápnikový výmenník.

Pre riadne fungovanie bunky je nevyhnutné, aby v pravej chvíli hladina vápnika v cytoplazme stúpla. Vstup Ca²⁺ iónov z mimobunkového prostredia do bunky umožňujú vápnikové kanály – bielkovinové komplexy lokalizované v plazmatickej membráne. Ich priepustnosť pre ióny vápnika môže byť regulovaná buď zmenami elektrického potenciálu na bunkovej membráne (hovoríme o napätím riadených kanáloch) alebo informačnými molekulami – poslami – nachádzajúcimi sa či už v mimobunkovom alebo vo vnútrobunkovom prostredí (v tomto prípade sa jedná o chemicky riadené kanály). Spravidla je vstup vápnika riadený kombináciou viacerých signálov. Hoci u buniek existuje tento mechanizmus pre vstup vápnika, využívajúci jeho stabilnú a takmer bezlimitnú zásobu v mimobunkovom prostredí, vyvinula sa aj iná signálna cesta. Je založená na uvoľnení vápnika z vnútrobunkových rezervoárov, najmä endoplazmatického retikula. Vyvstáva otázka, aká je úloha vnútrobunkových zdrojov vápnika, a aké prinášajú bunkám výhody. Odpoveď je viac menej hypotetická, je však založená na nasledujúcich argumentoch.

Mobilizácia vápnika z vnútorných zdrojov je lacnejšia než jeho vtok z mimobunkového prostredia

U väčšiny eukaryotických buniek je hlavná časť intracelulárneho Ca²⁺ uchovaná v endoplazmatickom retikule (ER). Celková koncentrácia vápnika v tejto organele sa pohybuje v rozmedzí 2 – 5 mmol/l. Časť tohoto množstva je viazaná na špeciálne bielkoviny, preto nemožno presne určiť koncentráciu voľného ionizovaného Ca²⁺ vo vnútri ER, dá sa však predpokladať, že dosahuje úroveň medzi stovkami mol/l prípadne až mmol/l. Koncentrácia voľného vápnika v ER je teda porovnateľná s koncentráciou vápnika v mimobunkovom prostredí. Na plazmatickej membráne oddeľujúcej bunku od vonkajšieho prostredia sa neustále udržuje napätie (-40 – - 90 mV). Vonkajšia strana membrány nesie kladný náboj, vnútorná záporný. Detailnejšie vysvetlenie príčin tohoto javu presahuje rozsah nášho článku. Pre nás je v tejto chvíli zaujímavé, že na membráne ER takéto napätie neexistuje. Vápnikové katióny prečerpávané z cytoplazmy cez plazmatickú membránu von z bunky musia prekonávať existujúci gradient elektrického náboja, na rozdiel od vápenatých katiónov prečerpávaných z cytoplazmy do ER. Uskladnenie Ca²⁺ iónov v ER je preto energeticky menej náročné než ich uskladnenie v mimobunkovom priestore.

Mobilizácia vápnika z ER umožňuje rýchlejší vzostup jeho koncentrácie v hlbších partiách bunky

V dôsledku prítomnosti už spomínaných bielkovín viažúcich vápnik v cytoplazme je rýchlosť difúzie Ca²⁺ v bunke až tridsaťnásobne nižšia ako v čistej vode. Zistilo sa, že už vo vzdialenosti 100 nm od otvoreného Ca²⁺ kanála poklesne hladina Ca²⁺ až o 63 %. Aby došlo k dostatočnému nárastu koncentrácie Ca²⁺ hlboko v bunke, musela by koncentrácia vápnika v bezprostrednom okolí kanála dosiahnuť veľmi vysoké hodnoty, ktoré by mohli pôsobiť toxicky. Mobilizácia Ca²⁺ z ER poskytuje riešenie tohoto problému. Membrána ER obsahuje dva typy vnútrobunkových Ca²⁺ kanálov, jeden citlivý na cyklickú adenozíndifosfátribózu (cADPR) a druhý kanál, ktorý je stimulovateľný lipidickým druhým poslom inozitol-1,4,5-trisfosfátom (IP₃). Oba kanály sú štrukturálne podobné a otvárajú sa, ak sa na ne naviaže IP₃ respektíve cADPR. Molekuly IP₃ a cADPR vznikajú, ak hormón stimuluje receptor nachádzajúci sa na bunkovej membráne. Rýchlosť difúzie IP₃ a pravdepodobne aj cADPR je asi dvadsaťkrát vyššia ako rýchlosť difúzie samotného Ca²⁺, to umožňuje rýchly prenos signálu z plazmatickej membrány na membránu endoplazmatického retikula, a teda skoršie zvýšenie koncentrácie Ca²⁺ v cytoplazme. Je zaujímavé, že oba kanály môžu byť regulované spätnou väzbou – reagujú na zvýšenú hladinu Ca²⁺ jednak vo vnútri ER a taktiež v cytoplazme. Takto poskytuje tzv. spoločná regulácia oboch typov kanálov extrémnu možnosť časovej, ale najmä priestorovej organizácie bunkového signálu.

Endoplazmatcké retikulum zabezpečí rýchlejší návrat k pokojovej hladine vápnika

Pre normálne fungovanie buniek je nevyhnutné, aby po rýchlom vzostupe koncentrácie vápnika, vyvolanom mimobunkovým signálom, došlo k dostatočne rýchlemu návratu hladiny vápnika na pokojovú úroveň. Jednou z možností okamžitého zníženia koncentrácie voľného Ca²⁺ je jeho naviazanie na špeciálne bielkoviny. Tento mechanizmus však neumožňuje dostatočne rýchle zmeny koncentrácie Ca²⁺. Alternatívou je mechanizmus aktívneho transportu Ca²⁺ z cytoplazmy pomocou endoplazmatickej vápnikovej pumpy na úkor metabolickej energie vo forme ATP. Keďže u väčšiny buniek povrch ER presahuje celkový povrch plazmatickej membrány (niekedy až 38krát), je táto organela ideálnym a dostatočne rýchlym uchovávačom na strane jednej a zdrojom Ca²⁺ v bunke na strane druhej.

Intracelulárne signálne cesty musia mať schopnosť reagovať na opakujúce sa stimuly, nasledujúce v krátkom časovom intervale za sebou. Znamená to, že tvorba posla (IP₃) nesmie byť taká rýchla, aby spôsobila okamžité vyprázdnenie vnútrobunkových zásobníkov Ca²⁺ iónov. Ak porovnáme počet a vodivosť vápnikových kanálov (umožňujúcich uvoľňovanie vápnika z endoplazmatického retikula) s efektívnosťou pumpy, ktorá umožňuje spätné naberanie vápnika do ER, zistíme, že aktivácia už malého percenta receptorov by aj napriek 100% fungovaniu vápnikovej pumpy spôsobila veľmi rýchle a kompletné vyprázdnenie Ca²⁺ zásobníkov. Odpoveď na otázku, ako rýchlo mobilizovať Ca²⁺ z ER bez toho, aby došlo naraz ku kompletnému vyprázdneniu Ca²⁺ zásobníka, poskytuje nezvyklá kinetika IP₃ kanála (podobne sa správa aj cADPR kanál). Aj pri maximálnej koncentrácii IP₃ sa uvoľní len časť vápnika z IP₃ citlivých kalciových zdrojov. Hoci mechanizmus tohoto javu ostáva zatiaľ tajomstvom, je už dnes zrejmé, že sa dôležitou mierou podieľa na realizácii rýchlej a stupňovitej mobilizácie vápnika z vnútrobunkových zdrojov a tak zabezpečuje odpoveď bunky na hormonálnu stimuláciu.

Vápnik je len jedným z kamienkov v mozaike vnútrobunkových fyziologických procesov, a súčasnou úlohou výskumníkov je postupne objavovať kamienky ďalšie. Na dobu, kedy budeme môcť vzhliadnuť mozaiku v celej jej nádhere, si ešte nejaký čas počkáme. V každom prípade nám však bolo potešením poodkryť mechanizmy, ktoré umožňujú tajomstvami zahaleným živočíšnym bunkám vykonávať spoľahlivo ich úlohy v organizme.