T-трубочки

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 реполяризацией)[7].

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[8].

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[9]. 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[10]. В скелетных мышцах кальциевый канал L-типа непосредственно связан с рианодиновым рецептором на саркоплазматическом ретикулуме, благодаря чему рианодиновые рецепторы активируются без входящего тока кальция[11].

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[12].

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[13], и их стимуляция усиливает выход кальция из саркоплазматического ретикулума[14].

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[4].

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[15]. Натрий-кальциевый обменник, а также кальциевая АТФаза локализуются преимущественно в мембране T-трубочек[4]. 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 Ca²⁺ и Na⁺, а также от напряжения на клеточной мембране (электрохимический градиент). Кальциевая АТФаза удаляет кальций из клетки активно, используя АТФ в качестве источника энергии[7].

Чтобы изучить функции T-трубочек, можно искусственно разобщить T-трубочки и клеточную мембрану с помощью метода, известного как детубуляция. Во внеклеточную жидкость добавляют глицерин[16] или формамид[12] (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[17].