== Кальцій ==
Кальцій - або точніше, його йон (Ca2+) –представник одного з класів вторинних месенджерів (два інших – це циклічні нуклеотиди (цАМФ та цГМФ), та диацилгліцерол (ДАГ) і інозитол-3-фосфат (ІФ3) відповідно).
Низький рівень у цитоплазмі клітини підтримується кальцієвими АТФ-азами (кальцієвими помпами) і натрій-кальцієвими обмінниками.
Різке підвищення концентрації іонів Ca2+ в цитоплазмі (до 500-1000 нМ) відбувається в результаті відкривання кальцієвих каналів плазматичної мембрани або внутрішньоклітинних кальцієвих депо (гладкого і шорсткого ендоплазматичного ретикулума).
Відкривання каналів може бути викликано деполяризацією мембран або дією сигнальних речовин, нейромедіаторів (глутамат і АТФ,), вторинних месенджерів (ІФ3 і цАМФ), а також ріанодіном. У цитоплазмі і клітинних органелах є велика кількість білків,здатних зв'язувати Ca2+, деякі з них виконують роль буфера.
При високій концентрації в цитоплазмі іони Ca2+ є цитотоксичними. Тому рівень кальцію в окремій клітині короткочасні сплески, збільшуючись в 5-10 разів, а стимуляція клітини збільшує лише частоту цих флуктуацій.
Дія кальцію опосередкована спеціальними Ca2+-зв'язуючими білками («кальцієвими сенсорами»), до яких належать аннексин, кальмодулін і тропонін . Кальмодулін - порівняно невеликий білок (17 кДа) - присутній у всіх тваринних клітинах. При зв'язуванні чотирьох іонів Ca2+ кальмодулін переходить в активну форму, здатну взаємодіяти з численними білками.
Існують два основних місця локалізації Ca2+ для клітин – це позаклітинна рідина, де концентрація кальцію є близько 2 ммоль/л), та ендоплазматичний ретикулум (саркоплазматичний ретикулум у скелетних м'язах ).
== Дихання ==
див схема
Клітинне дихання – основний процес, завдяки якому клітина здатна отримати АТФ. Відбувається у внутрішньому матриксі мітохондрій і має надзвичайну важливість для нормальної життєдіяльності, і як наслідок. має багато зон впливу.
== Вплив Ca2+ на окисне фосфорилювання ==
Вплинути на процес окисного фосфорилюваня можливо, якщо діяти на такі складові:
Елементи циклу Кребса
Власне НАД
Концентрацію вільного кисню
Концентрацію фосфору неорганічного
Елементи електронтранспортного ланцюга
мітохондріальний мебранний потенціал
АТФ-синтаза
Нижче подано детальніше досліджений вплив кальцію на ці ключові елементи окисного фосфоилювання
На даний час є відомо, що мітохондрії є не просто пасивним буфером Ca2+ ,як вважалося раніше (?), але використовують Ca2+ сигнали для регулювання окисного фосфорилювання (Rizzuto, Pozzan, 2006). Вони можуть реагувати на великі і малі зміни цитозольної концентрації Ca2+ (Pitter, Maechler,2002).
Відносини між мітохондріями і каскадом Ca2+ сигналізації є динамічними, тобто мітохондрії не є стаціонарними, вони можуть переміщуватися по цитозолі клітин під впливом Ca2+ сигналів (Brough, Schell, 2005) і регулювати власні властивості і функці, (мітохондріальний мембранний потенціал, внутрімітохондріальний рН, швидкість циклу Кребса, виробництва АТФ ) відповідно до Ca2+ відповіді (Jouaville, Pinton, 1999)
1. Елементи циклу Кребса
Три ключові ферменти метаболізму (піруват, α-КГ, і ізоцитратдегідрогеназа) активуються Ca2+, за допомогою різних механізмів: у випадку піруватдегідрогенази -через Ca2+-залежне дефосфорилювання, а в останніх двох випадках - через пряме зв'язування Ca2+ з ферментним комплексом (Кольман Я.,Рем, 2000)
Також виявлено, що підвищення концентрації Ca2+ (як і Sr2),створене за допомогою EGTA буферів, спричняє 4 - кратне збільшення початкової активності піруват дегідрогенази, НАД - дегідрогенази і ізоцитрат оксоглутарат дегідрогенази у інтактних мітохондріях жирової тканини щурів.
(Cormack, Denton, 1980)
Кальцій також є активатором для родини білків-переносників аспартату\глутамату (AGC), зокрема для аралару і цитрину – двох білків малат-аспартат НАДН шунта . Щоправда, дія кальцію відрізняється, залежно від типу клітини – зокрема,
Також показали, що Ca2+ активує оксоглутарат дегідрогеназу і ізоцитрат дегідрогеназу у серцевих і інших тканинах щурів. Подібні ефект Ca2+ спостерігалися з цими ж ферментами з клітин інших хребетних ( голуба, форелі, жаби і людського серця), але на ті ж ферменти, які були взяті із м’язів м'ясної мухи, літальних м'язів сарани чи кишкової палички, кальцій не діє. (McCormack, Denton,2001)
2.Атф синтаза і швидкість синтезу атф
Встановлено, що існує концентрація Ca2+, при якій наявна максимальна швидкість синтезу АТФ (як визначено полярографічним методом). У дослідах (Moreno-Sanchez, 1985) це близько 10-6 М Ca2+ , але він може змінюватися залежно від присутності або відсутності Mg2+, і концентрації фосфатів в середовищі. Також показано, що більш низькі рівні синтезу АТФ спостерігалася при 10-9 М Ca2+ порівняно з тими, які спостерігаються з 10-6 М Ca2+ (що звязано також і з пошкодженням мітохондрій, оскільки високі концентрації Ca2+ є токсичними).
Представлені дані показують, що швидкість синтезу АТФ в мітохондріях зменшується залежно від часу процесу. Більше того, в умовах, в яких внутрішній Ca2+ постійно зберігається на рівні близько 20 нмоль/мг білка, швидкість дихання майже не змінюється. Тобто рівень мітохондріального Ca2+ модулюється клітинною концентрацією Ca2+, що впливає на швидкість окисного фосфорилювання (Moreno-Sanchez, 1985).
Мітохондріальне накопичення Ca2+ спричиняє активацію мітохондріальної діяльності, яка і збільшує синтез АТФ в мітохондріях і, отже, рівень АТФ у цитозолі. Зниження мітохондріального Ca2+ накопичення зменшує рівень АТФ, підкреслюючи залежність зростання АТФ від Ca2+ що дає можливість припускати про Ca2+ чутливість матричних дегідрогеназ.
Стійка залежність синтезу АТФ від Ca2+ також дає можливість припускати, що виробництво АТФ є тонко регульоване рівнем цитозольного (отже, і мітохондріального АТФ), (Jouaville, Pinton, 1999).
3. Елементи електронтранспортного ланцюга
Відомо, що цитохром с, що служить переносником елетронів між 3 і 4 комплексами, приймає участь у формуванні апоптосоми. Виявлено, що Ca2+ здатен інгібувати його вихід з мітохондрії (через деполяризацію мебрани мітохондрії, яка пригнічує утворення АФК, що і спричиняють викид цитохрому). Проте per se (напряму) Ca2+ проявляє протилежну дію - при цьому спостерігається нелінійна залежність від концентрації Ca2+ та часу інкубування. - див презентацію –
Вище наведені дані характерні для пермеабілізовнаих ацинарних мітохондрій підшлункової щура – оскільки на мітохондрії печінки щура Ca2+ per se діє однозначно, а саме – стимулює вивільнення цитохрому. (Odinokova, Sung, 2009) Проте часті хвилі-«спайки» Ca2+ у цілісних клітинах (при застосуванні менадіону,який спричиняє більші хвилі Ca2+, ніж вони є при нормі.) спричиняють апоптоз через вивільнення цитохрому (Gerasimenko, Gerasimenko, 2002) В обох випадках деполяризація здійснюється через mPTP пору.
4.НАДН
Стимуляція клітин фізіологічною дозою холецистокініну викликає повільні коливання
NADH в мітохондріальних кластерах навколо секреторних гранул. Дуже швидкі апікальні сигнали кальцію, індуковані ацетилхоліном, не спричиняють змін в NADH; трохи більш тривалі апікальні (або переважно апікальної ) кальцієві транзієнти викликають чіткі відповіді NADH.
У клітині збільшення цитозольного кальцію спричиняє наступне підвищення мітохондріального кальцію, і з невеликою затримкою - збільшення NADH. Далі відбувається відновлення цитозольного кальцію до звичайного рівня, і з невеликою затримкою - відновлення мітохондріального кальцію. Підйом NADH відбуваєтьсья при підвищенні мітохондрілаьної концентрації Ca2+.
При транзієнтній кальцієвій хвилі. спричиненій середньою дозою ацетилхоліну спостерігається невелике збільшення NADH після першої хвилі – кожна з наступних хвиль кальцію спричиняє двофазні зміни NADH (початкове невелике зниження із подальшим відновленням підвищений рівень кальцію.
При великих синусоподібних коливаннях кальцію , спричинених ацетилхоліном NADH відповіді зливаються в плавний підйом , який змінюється повільним зниженням. Надвеликі дози холецистокініну і ацетилхоліну продукують одну велику НАДФ хвилю (Voronina, Sukhomlin, 2002).