ร่างแห sarcoplasmic ( SR ) เป็นเมมเบรนโครงสร้าง -bound พบในเซลล์กล้ามเนื้อที่มีความคล้ายคลึงกับร่างแหเอนโดพลาซึมอื่น ๆ ในเซลล์ หน้าที่หลักของ SR คือเก็บแคลเซียมไอออน (Ca 2+ ) ระดับแคลเซียมไอออนจะคงที่ค่อนข้างคงที่โดยความเข้มข้นของแคลเซียมไอออนภายในเซลล์จะน้อยกว่าความเข้มข้นของแคลเซียมไอออนภายนอกเซลล์ถึง 10,000 เท่า [1]ซึ่งหมายความว่าการเพิ่มขึ้นเล็กน้อยของแคลเซียมไอออนภายในเซลล์สามารถตรวจพบได้ง่ายและสามารถนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญของเซลล์ (แคลเซียมถูกกล่าวว่าเป็นสารตัวที่สองดูแคลเซียมในชีววิทยาสำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม) แคลเซียมจะใช้เพื่อให้แคลเซียมคาร์บอเนต (ที่พบในชอล์ก) และแคลเซียมฟอสเฟตสองสารประกอบที่ใช้ร่างกายเพื่อให้ฟันและกระดูก ซึ่งหมายความว่าแคลเซียมที่มากเกินไปภายในเซลล์สามารถนำไปสู่การแข็งตัว ( กลายเป็นปูน ) ของโครงสร้างภายในเซลล์บางอย่างรวมถึงไมโทคอนเดรีย[2] ซึ่งนำไปสู่การตายของเซลล์ ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องควบคุมระดับแคลเซียมอิออนอย่างเข้มงวดและสามารถปล่อยเข้าสู่เซลล์ได้เมื่อจำเป็นแล้วจึงนำออกจากเซลล์
ส่วนการ์ตูนของ กล้ามเนื้อโครงร่างซึ่งแสดงให้เห็น T-tubules ที่วิ่งลึกเข้าไปในใจกลางเซลล์ระหว่างสองท่อน้ำทิ้ง / ทางแยก SR เส้นโครงร่างที่บางกว่าซึ่งทำงานในแนวนอนระหว่างถังเก็บน้ำสองขั้วคือส่วนตามยาวของ SR
เรติคูลัม sarcoplasmic เป็นเครือข่ายของ tubules ที่ขยายไปทั่วเซลล์กล้ามเนื้อล้อมรอบ (แต่ไม่สัมผัสโดยตรงกับ) myofibrils (หน่วยหดตัวของเซลล์) เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจและโครงร่างประกอบด้วยโครงสร้างที่เรียกว่าท่อตามขวาง (T-tubules)ซึ่งเป็นส่วนขยายของเยื่อหุ้มเซลล์ที่เดินทางเข้าสู่ศูนย์กลางของเซลล์ T-tubules มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับบริเวณเฉพาะของ SR หรือที่เรียกว่าTerminal cisternaeในกล้ามเนื้อโครงร่างโดยมีระยะทางประมาณ 12 นาโนเมตรโดยแยกออกจากกัน นี่คือสถานที่หลักของการปลดปล่อยแคลเซียม [3] SR ตามยาวเป็นโปรเจ็กต์ที่บางกว่าซึ่งวิ่งระหว่างเทอร์มินัล cisternae / junctional SR และเป็นตำแหน่งที่ช่องไอออนที่จำเป็นสำหรับการดูดแคลเซียมไอออนมีมากที่สุด [4]กระบวนการเหล่านี้มีการอธิบายในรายละเอียดด้านล่างและเป็นพื้นฐานสำหรับกระบวนการของการกระตุ้นการหดเพศสัมพันธ์ในโครงกระดูก , การเต้นของหัวใจและกล้ามเนื้อเรียบ
SR มีปั๊มช่องไอออนภายในเมมเบรนที่ทำหน้าที่สูบ Ca 2+เข้าสู่ SR เนื่องจากความเข้มข้นของแคลเซียมไอออนภายใน SR สูงกว่าส่วนอื่น ๆ ของเซลล์แคลเซียมไอออนจะไม่ไหลเข้าสู่ SR ได้อย่างอิสระดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ปั๊มซึ่งใช้พลังงานซึ่งได้รับจากโมเลกุลที่เรียกว่าอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต ( เอทีพี) ปั๊มแคลเซียมเหล่านี้เรียกว่าSarco (Endo) ร่างแห plasmic Ca 2+ ATPases (serca) SERCA มีหลากหลายรูปแบบโดย SERCA 2a ส่วนใหญ่พบในกล้ามเนื้อหัวใจและโครงร่าง [5]
SERCA ประกอบด้วยหน่วยย่อย 13 หน่วย (ชื่อ M1-M10, N, P และ A) แคลเซียมไอออนจับกับหน่วยย่อย M1-M10 (ซึ่งอยู่ภายในเมมเบรน) ในขณะที่ ATP จับกับหน่วยย่อย N, P และ A (ซึ่งอยู่นอก SR) เมื่อแคลเซียมไอออน 2 ตัวพร้อมกับโมเลกุลของ ATP จับกับด้านไซโตโซลิกของปั๊ม (เช่นบริเวณของปั๊มนอก SR) ปั๊มจะเปิดขึ้น สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจาก ATP (ซึ่งประกอบด้วยกลุ่มฟอสเฟตสามกลุ่ม ) ปล่อยหมู่ฟอสเฟตเดี่ยว (กลายเป็นอะดีโนซีนไดฟอสเฟต ) กลุ่มฟอสเฟตที่ปล่อยออกมาจะจับตัวกับปั๊มทำให้ปั๊มเปลี่ยนรูปร่าง การเปลี่ยนแปลงรูปร่างนี้ทำให้ด้านไซโตโซลิกของปั๊มเปิดออกทำให้สามารถป้อนCa 2+ทั้งสองได้ จากนั้นด้านไซโตโซลิกของปั๊มจะปิดลงและด้านเรติคูลัม sarcoplasmic จะเปิดขึ้นปล่อย Ca 2+ลงใน SR [6]
โปรตีนที่พบในกล้ามเนื้อหัวใจที่เรียกว่าphospholamban (PLB)ได้รับการแสดงเพื่อป้องกันไม่ให้ serca จากการทำงาน ทำได้โดยการผูกมัดกับ SERCA และลดแรงดึงดูด (ความสัมพันธ์) กับแคลเซียมดังนั้นจึงป้องกันการดูดซึมแคลเซียมเข้าสู่ SR ความล้มเหลวในการกำจัด Ca 2+ออกจากไซโตซอลจะป้องกันการคลายตัวของกล้ามเนื้อและหมายความว่าการหดตัวของกล้ามเนื้อจะลดลงด้วย อย่างไรก็ตามโมเลกุลเช่นadrenalineและnoradrenalineสามารถป้องกันไม่ให้ PLB ยับยั้ง SERCA ได้ เมื่อฮอร์โมนเหล่านี้ผูกไว้กับตัวรับที่เรียกว่าเบต้า 1 adrenoceptorที่ตั้งอยู่บนเยื่อหุ้มเซลล์ที่พวกเขาผลิตชุดของปฏิกิริยา (ที่รู้จักกันเป็นทางเดินเป็นวงกลม AMP ) ที่ผลิตเอนไซม์ที่เรียกว่าโปรตีนไคเนส A (PKA) PKA สามารถเพิ่มฟอสเฟตให้กับ PLB (ซึ่งเรียกว่า phosphorylation) ป้องกันไม่ให้ยับยั้ง SERCA และช่วยให้กล้ามเนื้อคลายตัว [7]
ตั้งอยู่ในอาร์เป็นโปรตีนที่เรียกว่าcalsequestrin โปรตีนนี้สามารถจับกับประมาณ 50 Ca 2+ซึ่งจะลดปริมาณของ Ca 2+อิสระภายใน SR (เนื่องจากมีจำนวนมากขึ้นกับ calsequestrin) [8]ดังนั้นจึงสามารถเก็บแคลเซียมได้มากขึ้น (กล่าวว่าแคลซีเวสทรินเป็นบัฟเฟอร์) โดยส่วนใหญ่จะอยู่ภายในช่อง SR / luminal ของทางแยกโดยมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับช่องปล่อยแคลเซียม (อธิบายไว้ด้านล่าง) [9]
ปล่อยไอออนแคลเซียมจากอาร์, เกิดขึ้นใน junctional SR / ขั้ว cisternaeผ่านryanodine รับ (RyR)และเป็นที่รู้จักในฐานะที่เป็นประกายแคลเซียม [10]ตัวรับไรยาโนดีนมีสามประเภท ได้แก่RyR1 (ในกล้ามเนื้อโครงร่าง ), RyR2 (ในกล้ามเนื้อหัวใจ ) และRyR3 (ในสมอง ) [11] การปลดปล่อยแคลเซียมผ่านตัวรับไรยาโนดีนใน SR จะถูกกระตุ้นให้แตกต่างกันในกล้ามเนื้อต่างๆ ในกล้ามเนื้อหัวใจและกล้ามเนื้อเรียบแรงกระตุ้นไฟฟ้า ( ศักยภาพในการทำงาน ) กระตุ้นให้แคลเซียมไอออนเข้าสู่เซลล์ผ่านช่องแคลเซียมชนิด L ที่อยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ (กล้ามเนื้อเรียบ) หรือเยื่อหุ้มท่อ T (กล้ามเนื้อหัวใจ) แคลเซียมไอออนเหล่านี้จับและกระตุ้น RyR ทำให้แคลเซียมในเซลล์เพิ่มขึ้นมากขึ้น อย่างไรก็ตามในกล้ามเนื้อโครงร่างช่องแคลเซียมชนิด L นั้นถูกผูกไว้กับ RyR ดังนั้นการกระตุ้นช่องแคลเซียมชนิด L ผ่านทางศักยภาพในการออกฤทธิ์จะกระตุ้น RyR โดยตรงทำให้เกิดการปลดปล่อยแคลเซียม (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมในประกายไฟของแคลเซียม ) [12]นอกจากนี้คาเฟอีน (ที่พบในกาแฟ) สามารถจับและกระตุ้น RyR ได้ คาเฟอีนทำให้ RyR มีความไวต่อศักยภาพในการออกฤทธิ์ (กล้ามเนื้อโครงร่าง) หรือแคลเซียม (กล้ามเนื้อหัวใจหรือกล้ามเนื้อเรียบ) ซึ่งจะทำให้เกิดประกายไฟของแคลเซียมบ่อยขึ้น (ซึ่งมีส่วนรับผิดชอบต่อผลของคาเฟอีนต่ออัตราการเต้นของหัวใจ) [13]
Triadinและ Junctin เป็นโปรตีนที่พบในเยื่ออาร์, ที่ถูกผูกไว้กับRyR บทบาทหลักของโปรตีนเหล่านี้คือการยึดแคลซีเวสทริน (ดูด้านบน) กับตัวรับไรยาโนดีน ที่ระดับแคลเซียม SR 'ปกติ' (ทางสรีรวิทยา) calsequestrin จะจับกับ RyR, Triadin และ Junctin ซึ่งป้องกันไม่ให้ RyR เปิดออก [14]ถ้าความเข้มข้นของแคลเซียมใน SR ต่ำเกินไปจะมีแคลเซียมน้อยกว่าที่จับกับแคลซีเวสทริน ซึ่งหมายความว่ามีพื้นที่มากขึ้นบนแคลซีเอสทรินเพื่อจับกับตัวรับ junctin, triadin และ ryanodine ดังนั้นจึงจับตัวได้แน่นขึ้น อย่างไรก็ตามหากแคลเซียมภายใน SR สูงเกินไปแคลเซียมจะจับกับแคลซีเวสทรินมากขึ้นดังนั้นมันจึงจับกับคอมเพล็กซ์ junctin-triadin-RyR ให้แน่นน้อยลง RyR จึงสามารถเปิดและปล่อยแคลเซียมเข้าสู่เซลล์ได้ [15]
นอกเหนือจากผลกระทบที่ PKA มีต่อฟอสโฟแลมบัน (ดูด้านบน) ที่ส่งผลให้กล้ามเนื้อหัวใจคลายตัวเพิ่มขึ้นแล้ว PKA (เช่นเดียวกับเอนไซม์อื่นที่เรียกว่าคาโมดูลินไคเนส II ) ยังสามารถรับฟอสโฟรีเลตไรยาโนดีนได้อีกด้วย เมื่อ phosphorylated RyRs จะไวต่อแคลเซียมมากขึ้นดังนั้นจึงเปิดได้บ่อยขึ้นและเป็นเวลานานขึ้น สิ่งนี้จะเพิ่มการปลดปล่อยแคลเซียมจาก SR ทำให้อัตราการหดตัวเพิ่มขึ้น [16]ดังนั้นในกล้ามเนื้อหัวใจการกระตุ้นPKAผ่านทางเดินแอมป์วงจรส่งผลให้กล้ามเนื้อหดตัวเพิ่มขึ้น (ผ่านRyR2 phosphorylation) และเพิ่มการผ่อนคลาย (ผ่านphospholamban phosphorylation) ซึ่งจะเพิ่มอัตราการเต้นของหัวใจ
กลไกที่อยู่เบื้องหลังการยุติการปลดปล่อยแคลเซียมผ่าน RyR ยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างสมบูรณ์ นักวิจัยบางคนเชื่อว่าเกิดจากการสุ่มปิดตัวรับ ryanodine (เรียกว่าการขัดสีแบบสุ่ม) หรือตัวรับ ryanodine ไม่ทำงานหลังจากเกิดประกายไฟของแคลเซียม[17]ในขณะที่คนอื่น ๆ เชื่อว่าการลดลงของแคลเซียม SR ทำให้ตัวรับปิด ( ดูประกายไฟของแคลเซียมสำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม)
การสลายตัวของเรติคูลัมซาร์โคพลาสมิกพร้อมกับการปลดปล่อยแคลเซียมออกมาเป็นตัวการสำคัญในการตายของกล้ามเนื้ออย่างรุนแรงการทำให้กล้ามเนื้อแข็งขึ้นหลังการตาย