Na-Са-обменный механизм (NCX) как вариант вторично активного транспорта ионов

Существует семейство катион-кальциевых обменников, или катион/Са-антипортеров (Ca²⁺/cation antiporter superfamily, или СаСА), в которых ионы Са²⁺ переносятся за счет антипорта одного из катионов, в том числе ионов натрия (Na/Ca-обменник, или NCX), ионов калия (К/Са-обменник, или КСХ), ионов натрия и калия (Na- Са-К-обменник, или К-зависимый NCX, или NCKX), ионов водорода

(Н/Са-обменник, или НСХ). Все эти виды обменников представляют собой вариант вторично-активного транспорта. В клетках животных широко представлен такой катион-Са-обменник, как Na/Ca- обменник, сведения о котором и рассматриваются в этом разделе.

Na-Ca-обменный механизм, или Na+-Ca²⁺exchanger (NCX), представляет собой механизм антипорта, т. е. является частным случаем вторично-активного транспорта. В этом механизме энергия натриевого электрохимического градиента используется в двух режимах — прямом и обратном.

При прямом режиме работы NCX (forward-mode exchange) ионы Na⁺ по градиенту концентрации, т. е. без прямой затраты энергии входят внутрь клетки, а в ответ (также без затраты энергии) ионы Са²⁺ выносятся за пределы клетки, снижая тем самым концентрацию ионов Са²+ в цитозоле.

При обратном режиме работы NCX (reverse-mode exchange) ионы Na+ по градиенту концентрации (т. е. без затраты энергии) выходят из клетки, а ионы Са²⁺ входят в клетку (без затраты энергии). В физиологических условиях такой режим возникает в том случае, если концентрация ионов Na+ внутри клетки стала выше, чем в среде, например, при генерации ПД, или при искусственном снижении концентрации ионов Na+ в среде. В этом случае ионы Са²⁺ входят в клетку (без затраты энергии), повышая тем самым их концентрацию в цитозоле. Считается, что NCX играет важную роль в регуляции уровня ионов Са²⁺ в цитозоле наряду с другими Са-транспортерами, в том числе Са-каналами плазматической мембраны и саркоплазматического ретикулюма, Са-депо-управляемыми Са-каналами, Са-насосом плазматической мембраны (РМСА) и Са- насосом саркоплазматического ретикулюма (SERCA). В частности, при прямом режиме работы NCX препятствует накоплению избыточного количества ионов Са²⁺ в клетке, а тем самым препятствует индукции апоптоза, а при обратном режиме, наоборот, ЫСХ_л способствует накоплению ионов Са²+ в клетке, что может быть физиологически полезным, например при генерации ПД.

Режим работы NCX (прямой или обратный) определяет характер влияния различных факторов на результативность работы NCX. Например, производные бензилоксифенила могут ингибировать работу обменника только в том случае, если он функционирует в обратном режиме и не влиять на него, если он функционирует в прямом режиме. Поэтому при дальнейшем изложении материала о NCX ключевым понятием будет режим его работы.

Первые сведения о наличии NCX в кардиомиоцитах и в гладкомышечных клетках (ГМК) появились в 1960—1980 гг., а в 1990-е гг. началось интенсивное и планомерное исследование NCX нейронов спинного и головного мозга и других клеток организма. Особенно плодотворно процесс исследования NCX пошел после синтеза

в 1996 г. первого ингибитора NCX (обратный режим) препарата КВ- R7943 как производного бензилоксифенила.

Распространенность NCX и его изоформы. NCX содержится практически во всех клетках организма, в том числе в кардиомиоцитах, ГМК висцеральных органов, нейронах и глии всех регионов спинного и головного мозга (в коре головного мозга, гиппокампе, таламусе, гипоталамусе, мозжечке, в стволе мозга). Исключение составляют эритроциты, в которых не удалось выявить NCX.

Существуют три изоформы NCX: NCX1, NCX2 и NCX3. Их синтез контролируется соответствующими генами семейства SLC8, соответственно SLC8A1, SLC8A2 и SLC8A3, которые находятся в разных хромосомах. Благодаря альтернативному сплайсингу имеются варианты соответствующих изоформ, например NCX1.1. В нейронах и глиоци- тах спинного и головного мозга (как и в кардиомиоцитах, и в ГМК) экспрессированы все три изоформы NCX. В моноцитах и макрофагах человека выявлены лишь две изоформы: NCX1 и NCX3. Считается, что каждая изоформа и каждый вариант изоформы выполняют свою специфическую функцию. Например, в кардиомиоцитах вариант NCX1.3 защищает их от тяжелой Са-перегрузки, тогда как NCX1.1 способствует Са-перегрузке в ответ на ишемию миокарда.

Строение и механизм работы NCX. NCX, как и любой мембранный белок, представлен цепью из 968 аминокислотных остатков (молекулярная масса — 108 кДа), которые образуют 10—12 трансмембранных гидрофобных доменов, связанных между собой цитозольными и наружными петлями. Между 5-м и 6-м доменами имеется большая цитоплазматическая петля (петля F). На ней размещен сайт для связывания ионов Са²⁺ (регуляторный сайт, или сайт активации, 371—508 аминокислотные остатки). Он представлен двумя Са-связывающими областями — CBD1- и СВЭ2-доменами. Это два своеобразных электростатических переключателя: CBD1-домен, связывая ионы Са²+, аллостерически активирует всю молекулу обменника, а СВЭ2-домен, связывая ионы Са²⁺, дублирует эту активацию, регулируя при этом чувствительность CBD1 -доменов к ионам Са²⁺, что делает активацию надежной и неотвратимой.

Здесь же, т. е. на петле F, находится сайт аутоингибирования для связывания эндогенного ингибиторного пептида, состоящего из 20 аминокислотных остатков, получившего название обменник- ингибирующий пептид (exchanger inhibitory peptide, XIP), или эндогенный ингибитор NCX. Когда этот пептид связывается с сайтом аутоингибирования, то работа NCX в прямом режиме блокируется, так как NCX не может присоединять к себе ионы Са²⁺ и выносить их за пределы клетки в замен на входящие ионы Na⁺. Аутоингибирующий сайт, называется домен XIP (ингибитор обменника). Он представлен остатками аминокислот 562—679, поэтому нередко его называют как область Delta562-679.

Кроме того, на петле F и на домене 5 находятся сайты ингибирования, с которыми взаимодействуют экзогенные ингибиторы обратного режима работы NCX, например, препарат KB-R7943, в результате чего обменник перестает функционировать в обратном режиме.

За пределами цитоплазматической петли F имеются сайты (например, на петле, соединяющей 3-й и 4-й домены) для фосфорилирования обменника. Оно может происходить под влиянием активированных протеинкиназ (ПКС, ПКА, тирозинкиназы). Фосфорилирование повышает производительность обменника при его работе в прямом режиме, т. е. ускоряется выведение ионов Са²⁺ за пределы клетки в обмен на входящие ионы Na⁺.

Работа обменника в прямом режиме (при условии, что концентрация ионов Na⁺ в среде выше, чем в цитозоле) заключается в следующем. При повышении концентрации ионов Са²⁺ в цитозоле выше пороговых значений, что, к примеру, возникает при генерации нейроном ПД, один ион Са²⁺ взаимодействует с Са-связывающими доменами (CBD1, CBD2). Это снимает влияние эндогенного ингибитора на NCX и тем самым активирует NCX. Активация проявляется в том, что NCX повышает сродство (в области трансмембранного домена 2, где расположен остаток серина 110) к ионам Na+ и, связываясь с тремя ионами Na⁺, разрешает им войти в клетку (по градиенту концентрации, без затраты энергии). В ответ на вхождение трех ионов Na⁺ ион Са²⁺, утратив сродство к доменам связывания (CBD1 и CBD2), выходит (даже против градиента концентрации), но без затраты энергии за пределы клетки. Таким образом, при прямом режиме функционирования индуктором работы обменника является рост внутриклеточной концентрации ионов Са²⁺, а условием для его переноса является наличие концентрационного градиента для ионов Na+, который был создан ранее с участием натрий-кали- евого насоса, т. е. при затрате энергии АТФ. Поэтому этот механизм противопорта получил название вторично-активный транспорт.

В кардиомиоцитах вынос ионов Са²⁺ за пределы клетки происходит не только через наружную плазматическую мембрану, но и через систему поперечных Т-трубочек саркоплазматического ретику- люма, так как искусственное разрушение этих трубочек уменьшает суммарную производительность NCX.

Особенностью функционирования NCX является его способность работать в обратном режиме. Такая способность реализуется лишь в том случае, если по каким-то причинами (например, генерация ПД, уменьшение работы натрий-калиевого насоса из-за дефицита энергии) концентрация ионов Na⁺ внутри клетки становится выше, чем в среде (где она, как известно, составляет 140 мМ). В этом случае обменник автоматически переходит работать в обратный режим: 3 иона Na⁺ (с участием остатка серина 110) выходят из клетки

(по градиенту концентрации, без затраты энергии), а в ответ один ион Са²⁺ вносится в клетку (т. е. против градиента концентрации, но без затраты энергии). Обратный режим работы NCX, как правило, не всегда выгоден для клеток, так как он повышает вероятность перегрузки клеток ионами Са²⁺.

Работа NCX в обратном режиме может происходить также при искусственном создании длительной деполяризации клетки, при которой накапливаются ионы Na⁺; при намеренном снижении концентрации ионов Na+ в среде вплоть до нулевых значений; при ингибировании работы натрий-калиевого насоса (например, уабаином или оксидом азота или за счет уменьшения ресинтеза АТФ путем подавления субстратного окисления, или за счет создания гипоксии). Образно говоря, механизм работы NCX напоминает работу флюгера: в какую сторону дует ветер, в такую сторону и вращается флюгер.

В целом можно заключить, что прямой режим работы NCX снижает содержание ионов Са²⁺ в клетке, способствует восстановлению возбудимости клетки, полной релаксации ГМК или кардиомиоцита и тем самым препятствует развитию апоптоза (к чему особенно чувствительны нейроны), в то время как обратный режим, наоборот, повышает содержание ионов Са²⁺ в клетке, повышает базальный тонус и сократимость ГМК или кардиомиоцитов, и одновременно повышает вероятность индукции апоптоза в нейронах и глиоцитах. Из представленных данных о соотношении обмена (3 катионов Na⁺ на один катион Са²⁺) следует, что при обоих режимах обменник работает как электрогенная машина, т. е. вносит свой вклад в величину мембранного потенциала. При прямом режиме суммарное содержание всех катионов в клетке возрастает, что деполяризует мембрану (уменьшает величину мембранного потенциала), а при обратном режиме — возникает гиперполяризация мембраны, т. е. величина мембранного потенциала возрастает.

По мнению ряда авторов, в кардиомиоцитах помимо эндогенного ингибиторного белка NCX, есть еще один эндогенный ингибитор, который предложено называть эндогенным фактором ингибирования (the endogenous inhibitory factor, или NCXIF, либо, IF_NCX). Это низкомолекулярное вещество (0,35—0,55 кДа) углеводной природы (вероятно, дисахарид), который способен ингибировать оба режима работы NCX: прямой и обратный. Это ингибиторный фактор (NCXIF) связывается с особым сайтом на молекуле NCX, не затрагивая ион-связывающие или ион-переносящие сайты.

Регуляция активности NCX. Существуют активаторы синтеза NCX или, наоборот, ингибиторы синтеза NCX, что отражается соответственно на производительности обменника, независимого от режима его работы (прямой или обратный).

Активаторами синтеза NCX являются катехоламины (при их воздействии на альфа-АР), ангиотензин II, эндотелии, эстрогены, киназа

ERK1/2 (extracellular-signal-regulated kinases У2), киназа JNK (c-JunN- terminal kinases), киназа p38, митогенактивируемые протеинкиназы (mitogen-activated protein kinases, или MAP-киназы), фактор роста нервов, тромбоцитарный фактор роста, фактор роста эпидермиса.

Блокаторами синтеза NCX являются тироксин, трийодтиронин, дексаметазон, кортизол, альдостерон, альфа-адреноблокаторы, индукторы оксидативного стресса (например, перекись водорода, Н₂0₂), отдельные виды антибиотиков (циклоспорин А, рапамицин). Кроме того, разработаны методы искусственного подавления экспрессии генов NCX путем нокаута, нокдауна или путем введения антисмыслового олигонуклеотида (siPHK).

Набор биологически активных веществ, активирующих или ингибирующих производительность NCX, зависит от режима его функционирования.

Активаторами прямого режима работы NCX, т. е. при котором ионы Са²⁺ выносятся за пределы клетки, является повышение внутриклеточной концентрации ионов Са²⁺ (при наличии градиента концентрации ионов Na⁺, направленного из среды в клетку). Кроме того, активируют катехоламины (при взаимодействии с альфа-АР), АТФ, глюкоза, хлористое железо (FeCl₃), ионы лития (Li⁺), 17-бета- эстрадиол, инсулиноподобный фактор роста 1 (IGF), ангиотензин II, эндотелии, сорцин, инсулин, тромбин. Активирует NCX фосфорилирование, которое осуществляется активированными протеинкина- зами (ПКА, ПКС, тирозинкиназы).

Ингибиторами прямого режима работы NCX является эндогенный ингибитор активности NCX (ингибирующий белок, ингибирующий пептид, exchanger inhibitory peptide, XIP), или эндогенный ингибитор NCX, ингибирующий прямой режим работы NCX за счет связывания с сайтом аутоингибирования, который находится на цитоплазматической петле F.

Ингибируют также препарат GLU-XIP, или тирозин-6 гликозили- рованная форма NCX-ингибирующего пептида; эндогенный ингибитор NCX углеводной природы (эндогенный ингибиторный фактор, или IF_NCX), способный блокировать оба режима NCX, в том числе и прямой режим; кальпаины (протеазы), способные в активном состоянии расщеплять NCX и тем самым снижать активность NCX; концентрационный градиент ионов Na⁺, направленный из клетки за ее пределы, что возникает при повышении внутриклеточной концентрации ионов Na⁺ или при искусственном снижении содержания ионов Na⁺ в среде, т. е. создание гипонатриевой среды, в результате чего прямой режим работы переходит в обратный; повышение внутриклеточной концентрации ионов Na⁺ (и как следствие — смена направления концентрационного градиента для этих ионов из клетки за ее пределы) под влиянием гипоксии, механического повреждения клетки и других патологических состояний;

снижение pH цитозоля (закисление среды); снижение числа поперечных Т-трубочек, что уменьшает площадь поверхности, через которую происходит выход ионов Са²⁺ из цитозля (характерно для кардиомиоцитов).

Активатором обратного режима NCX, при котором ион Са²⁺ вносится в клетку в обмен на выходящие из клетки ионы Na+, является реверсия, т. е. изменение направления концентрационного градиента для ионов Na⁺, при котором он направлен из клетки во внеклеточную среду. Активатором является также воздействие ацетилхолина на М-холинорецепторы.

Ингибируют обратный режим функционирования NCX низкий уровень концентрации ионов Na+ в клетке, при котором концентрационный градиент ионов Na+ направлен из среды в клетку; повышение концентрации ионов Са²⁺ в цитозоле, т. е. переход обратного режима работы NCX в прямой режим (поэтому все факторы, которые снижают внутриклеточную концентрацию ионов Na⁺, например повышающие активность натрий-калиевого насоса, будут являться ингибиторами обратного режима работы NCX); эндогенный ингибитор углеводной природы (эндогенный ингибиторный фактор, или IF_ncx), способный блокировать оба режима NCX, в том числе и обратный режим; производные бензилоксифенила, в том числе препараты KB-R7943, SEA0400, SN-6, YM-244769, 7i и 10а, которые связываются со специальными сайтами обменника и ал- лостерически блокируют его работу в обратном режиме (так, для препарата SEA0400 такой сайт находится на первой цитозольной петле и в трансмембранном домене); оксид азота эндотелиального происхождения; антиаритмические препараты (амиодарон, дроне- дарон, бепридил, априндин, цибензолин, азимилид, дофетилид). Не исключено, что ингибиторами обратного режима NCX является додециламин, сфингозин, ранолазин (аналог триметазидина), каллипельтин A (Callipeltin — циклический пептид, выделенный из морских губок), а также ионы Ni²⁺, La³+, Cd²⁺, Со²⁺.

Отметим, что производные бензилоксифенила проявляют ингибирующий эффект в отношении NCX, работающего в обратном режиме, во многих клетках, в том числе в кардиомиоцитах, нейронах, глиоцитах и ГМК висцеральных органов. Поэтому их применение перспективно в тех ситуациях, при которых необходимо уменьшить избыточное содержание ионов Са²⁺ в цитозоле, например, с целью повышения диастолического расслабления миокарда или с целью снижения вероятности апоптоза нейронов.

Функции NCX. Так как NCX может работать в прямом (выведение ионов Са²⁺ из клетки) и в обратном (внесение ионов Са²⁺ в клетку) режиме, то у этого транспортера достаточно разнообразные функции и они во многом определяются направленностью градиента концентрации ионов Na⁺ между клеткой и средой.

Прямой режим во всех клетках предназначен для выведения избытка ионов Са²⁺ из цитозоля, где он образуется в результате входа из среды, из саркоплазматического (эндоплазматического) ретику- люма или из митохондрий, что происходит при возбуждении клетки или при индукции ее активного состояния. При работе в прямом режиме NCX наряду с РМСА и SERCA имеет отношение к пейсме- керной активности сердца и миометрия. Отдельные изоформы NCX (сплайс-варианты) способствуют реализации сопряжения процессов возбуждения и сокращения в ГМК. Обратный режим работы NCX используется в тех случаях, когда требуется максимально повысить содержание ионов Са²⁺ в цитозоле, например, в период генерации ПД (нейрон, кардиомиоцит, ГМК).

Обратный режим необходим для перехода предшественников олигодендроцитов в зрелые олигодендроциты, благодаря чему происходит миелинизация аксонов. В ГМК обратный режим работы NCX реализует тонотропный эффект ацетилхолина (трахея), тоно- тропный эффект фенилэфрина и гиперкалиевого раствора (миоциты сосудов).

Однако в условиях покоя, т. е. в отсутствии процесса возбуждения или активации клетки, NCX должен работать в прямом режиме, а переход в обратный режим, особенно, если он становится постоянным (перманентным), является нежелательным, так как в клетке возникает избыток ионов Са²⁺, что индуцирует апоптоз и гибель клетки. Собственно, многие повреждающие клетку воздействия заставляют перейти NCX с прямого режима на обратный режим и тем самым провоцируют гибель клеток.

Роль NCX в развитии патологии. Считается, что нарушение работы NCX лежит в основе ряда заболеваний сердца, сосудов и головного мозга. При этом общим для них является переход работы NCX с прямого режима (внесение в клетку трех ионов Na+ и вынос 1 иона Са²⁺) на обратный режим (вынос из клетки трех ионов Na+ и внесение в клетку 1 иона Са²⁺). Это способствует избыточному накоплению ионов Са²⁺ в клетках, запуску апоптоза, гибели миоцитов, следствием чего и является формирующаяся патология.

Известна ситуация, при которой дефицит NCX также приводит к формированию патологии. Так, при избыточном разрушении NCX под влиянием протеолитического фермента м-кальпаина, может возрастать базальный тонус сосудов, что проявляется в развитии гипертензии малого круга кровообращения. Более детально об участии NCX в развитии патологии указано ниже при описании особенностей функционирования NCX в нейронах, миокарде, в ГМК висцеральных органов.

Особенности NCX в нейронах и глиоцитах спинного и головного мозга. Сведения, излагаемые ниже, получены в основном при исследовании мозга крысы и мыши, причем главным образом

при исследовании коры больших полушарий и гиппокампа. Установлено, что в нейронах, наряду с РМСА и SERCA экспрессированы все три изоформы NCX, т. е. NCX1, NCX2 и NCX3. И насосы (РМСА, SERCA), и обменник обеспечивают вывод ионов Са²⁺ за пределы нейрона, но удельная роль каждого транспортера в удалении ионов Са²⁺ до конца не ясна.

В нейронах экспрессия NCX неравномерна. Так, в нейронах коры и гиппокампа крысы NCX1, NCX2 и NCX3 экспрессируется преимущественно в нейропиле, NCX2 — в теле и в дендритах нейронов, в то время как NCX3 преимущественно — вокруг кровеносных сосудов. При этом все изоформы NCX в дендритах и в дендритных ши- пиках (т. е. в возбуждающих постсинаптических сайтах) экспрессированы более выражено, чем в пресинаптических терминалах. В целом интенсивность экспрессии генов NCX и отдельных изоформ зависит от области мозга. Это говорит о том, что каждая изоформа NCX выполняет предназначенную ей функцию.

В процессе постнатального онтогенеза экспрессия NCX1, NCX2 и NCX3 меняется, но характер этих изменений зависит от вида изоформы. Так, в нейронах и астроцитах коры крысы в процессе постнатального развития уровень экспрессии NCX2 возрастает, а уровень экспрессии NCX1 и NCX3 уменьшается. Основная задача NCX нейронов мозга — не допустить перегузки нейронов ионами Са²⁺. Как правило, в физиологических условиях NCX работает в прямом режиме. В физиологических условиях обратный режим работы в нейронах NCX возникает всякий раз, когда концентрация ионов Na⁺ внутри цитозоля становится больше, чем во внеклеточной среде. В этом случае ионы Na⁺ выносятся из цитозоля за пределы клетки, а ионы Са²⁺ вносятся внутрь цитозоля и тем самым повышают уровень ионов Са в нем. Такая ситуация создается в период возбуждения, т. е. в период генерации ПД. Вместе с ионами Са²⁺, которые входят во время возбуждения из среды в цитозоль по потенциал- чувствительным и (или) рецептор-управляемым Са-каналам, а также из эндоплазматического ретикулюма по инозитолтрифосфатным Са-каналам и по рианодиновым Са-каналам, это создает такую концентрацию ионов Са²⁺ в цитозоле, которая необходима для реализации основных функций нейрона. Однако по окончанию генерации ПД обратный режим переходит в прямой, и вошедшие в цитозоль во время возбуждения ионы Са²⁺ выносятся за пределы клетки.

Полагают, что NCX способствует высвобождению нейромедиатора, а также миграции и дифференцировке нейронов и нейрогенезу, а работа NCX1 в обратном режиме способствует переходу предшественников олигодендроцитов в зрелые миелинизирующие олиго- дендроциты, благодаря чему происходит миелинизация аксонов. Поэтому переход режима работы NCX с прямого на обратный — это не всегда только негативно для нейрона.

Отмечено, что отдельные изоформы NCX (сплайс-варианты) способствуют долгосрочному потенцированию мозга и обучению. Тем не менее, считается, что вне периода возбуждения и вне процесса нейрогенеза переход NCX в обратный режим (вкачивание ионов Са²⁺ в нейрон) является крайне нежелательным, так как повышает вероятность развития апоптоза и гибель нейрона. Переход в почти перманентный обратный режим функционирования NCX возникает под влиянием ишемии-реперфузии, гипоксии, гипогликемии, механической травмы, повышенной продукции оксида азота, избыточного выделения глутамата глутаматергическими нейронами. Поэтому для выживания нейронов требуется перевод режима работы NCX в прямой. В экспериментах это достигается применением активаторов NCX (например, введением хлористого железа, 17бета-эстра- диола или инсулиноподобного фактор роста1), а также применением веществ, повышающих экспрессию NCX, особенно NCX3, так как в экстремальных для мозга условиях эта изоформа продолжает удалять ионы Са из нейронов и тем самым способствовать их выживанию. Этому же способствует введение ингибиторов обратного режима работы NCX (например, производных бензилоксифенила). Судороги, которые в эксперименте на крысах возникают из-за избыточного накопления ионов Са²⁺ в цитозоле, в том числе по причине работы NCX в обратном режиме, блокируются ингибиторами обратного режима работы NCX препаратом KB-R7943, или другими производными бензилоксифенила. Избыточное образование оксида азота в нейронах переводит прямой режим работы NCX в обратный. Это индуцирует апоптоз нейронов и их гибель. Введение ингибиторов обратного режима работы NCX (например, препарата SEA0400) повышает выживаемость нейронов. Аналогично, при механической травме мозга возрастает гибель глиоцитов спинного мозга, что существенно снижает миелинизацию нервных волокон. Это обусловлено тем, что при травме NCX из прямого режима работы переходит в обратный, чему противодействует ингибитор обратного режима NCX препарат KB-R794.

В целом можно утверждать, что, несомненно, режим NCX работы определяет характер клинического течения стрессорных состояний для нейронов мозга, и поэтому адекватное применение лекарственных препаратов с учетом режима работы NCX является перспективным направлением в лечении этих состояний.

Особенности функционирования NCX в кардиомиоцитах. У кардиомиоцитов NCX представлен, главным образом, изоформой NCX1. Он выполняет такую же роль, как и NCX нейронов. В частности, в систолу, т. е. в период генерации ПД и сокращения, когда уровень ионов Na⁺ внутри кардиомиоцита становится выше, чем в среде, NCX работает в обратном режиме — т. е. выносит ионы Na⁺

и вносит в кардиомиоцит ионы Са²+, что «полезно» для систолы. В диастолу, т. е. в период расслабления, уровень ионов Na⁺ в кардиомиоцитах вновь снижается (главным образом, за счет работы на- трий-калиевого насоса и прекращения входа ионов Na⁺ в цитозоль из среды), и NCX переходит на прямой режим функционирования, т. е. вместе с РМСА и SERCA он выносит ионы Са²⁺ из кардиомиоцитов и вносит внутрь клетки ионы натрия Na+, тем самым создаются условия для расслабления (диастолы), для подготовки к следующему сокращению и для предотвращения апоптоза. Избыточное накопление ионов Са²⁺ в миокарде приводит к развитию аритмий, фиброзному перерождению миокарда, систолической и диастолической дисфункции, а в итоге — к сердечной недостаточности. Причинами этих патологий является ишемия-реперфузия, гипертрофия миокарда. Вопрос о целесообразности применения при этих видах патологии модуляторов NCX, в том числе ингибиторов, не решен.

В связи с тем, что эстрогены повышают экспрессию и активность NCX у женщин чаще, чем у мужчин, наблюдается нарушение работы сердца, в том числе в виде пируэта (torsade de pointes, TdP), т. e. удлинения интервала QT 2-го типа (удлинение систолы)

Особенности функционирования NCX в гладкомышечных клетках висцеральных органов. ГМК сосудов и висцеральных органов содержат NCX, который может работать как в прямом режиме, так и в обратном режиме.

При работе NCX в прямом режиме он способствует поддержанию концентрации ионов Са²⁺ на определенном уровне, при котором развивается базальный тонус, а также препятствует избыточному накоплению ионов Са²⁺ в цитозоле, что предотвращает развитие апоптоза. Недостаточная работа NCX в прямом режиме может привести к гибели клеток, т. е. к индукции апоптоза.

При работе в обратном режиме NCX повышает содержание ионов Са²⁺ в цитозоле, что сопровождается ростом базального тонуса. Подобный эффект наблюдается при повышении концентрации ионов Na⁺ в цитозоле, например, при блокаде работы натрий-ка- лиевого насоса уабаином, при действии карбохола, фенилэфрина, эндотелина I, при действии гиперкалиевого раствора, при действии растяжения или при повышении внутрисосудистого давления, т. е. при реализации миогенной вазоконстрикции.

Обратный режим работы NCX, вызванный гипоксией, ишемией- перфузией, является причиной развития соль-зависимой гипертонии, т. е. избыточного повышения тонуса сосудов, что может быть снято ингибиторами обратного режима работы NCX. При избыточном разрушении NCX, например под влиянием протеолитического фермента м-кальпаина, возрастает базальный тонус сосудов, что может приводить к развитию гипертензии малого круга кровообращения.

Особенности функционирования NCX в других клетках. Показано, что NCX (за счет его фосфорилирования с участием про- теинкиназы С) в хромаффинных клетках надпочечников способствует секреции катехоламинов, а в фибробластах NCX регулирует их способность к пролиферации и продукции коллагена, эластина и мукополисахаридов. В эпителии почек NCX играет важную роль в процессах реабсорбции ионов Са²⁺ из первичной мочи. Для тромбоцитов NCX имеет прямое отношение к реализации их основной функции — обеспечение гемостаза. Удаление избытка ионов Са²⁺, поступающих постоянно в цитозоль, снижает вероятность спонтанного тромбообразования. Считается, что имеющийся в сперматозоидах NCX совместно с РМСА обеспечивает подвижность сперматозоидов и их способность к оплодотворению. В невозбудимых клетках NCX способствует реализации иммунного ответа, секреции инсулина, образованию энергии в митохондриях.

Митохондриальный NCX. Недавно открыт митохондриальный Na-Ca-обменник. Он идентифицирован как белок NCLX, а его синтез контролирует ген SLC8B1. Он выявлен в митохондриях нейронов, глиоцитов, кардиомиоцитов и других клетках. Вероятно, NCX митохондрий отличается от NCX плазматической мембраны тем, что после Na-Ca-обмена происходит быстрый обмен ионов Na+ на ионы Н⁺. В нейронах и астроцитах коры головного мозга крысы митохондрии экспрессируют NCLX1, NCLX2 и NCLX3. Такие митохондрии находятся в дендритах, часто расположены под плазмолеммой и вблизи постсинаптической мембраны. В астроцитах большинство митохондриальных NCLX расположены близко к поверхности клетки.

Полагают, что наличие NCLX в митохондриях способствует подержанию гомеостаза ионов Са²⁺ в митохондриях нейронов и глиальных клеток. В обычных условиях вклад митохондрий в удаление ионов Са²⁺ из цитозоля нейронов невысок, однако он существенно возрастает при значительном повышении уровня ионов Са²⁺ в цитозоле (выше 2,5 мкМ).

Na-Са-обменник, или NCКX

Помимо NCX в клетках, в том числе в нейронах, имеется еще один вариант обменника, который в обмен на вносимые в клетку ионы Na⁺, выносит из клетки одновременно ион Са²⁺ и ион К⁺. Этот обменник принято называть как калий-зависимый NCX, или Na-Ca-K-обменник, или NCKX. Этот вид транспортера выявлен в фоторецепторах сетчатки глаза, во многих нейронах мозга, а также в коже, тромбоцитах, эндометрии и плаценте.

Семейство NCKX состоит из 5 изоформ (NCKX1 — NCKX5), синтез которых контролируется 5 генами семейства SLC24. Имеются региональные особенности распределения изоформ NCKX, например:

NCKX1 экспрессируется в стержне фоторецепторов сетчатки глаза, NCKX2 экспрессируется в конусе фоторецепторов сетчатки, а также экспрессируется во многих нейронах мозга, NCKX3, NCKX4 и NCKX5 широко представлены в мозге.

Подобно NCX, NCKX представляет собой белок, который многократно пронизывает мембрану, содержит 10 трансмембранных доменов и имеет внецитоплазматические и цитоплазматические петли. Также подобно NCX, калий-зависимый обменник, т. е. NCKX, работает в двух режимах: прямом (forward-mode exchange) режиме, при котором ионы Na+ входят в клетку, а ионы Са²⁺ и К⁺ покидают ее, и в обратном (reverse-mode exchange) режиме, при котором ионы Na+ покидают клетку, а ионы Са²⁺ и К⁺ поступают в нее. Так как в клетках обменники локализованы в клеточной мембране, то их режим работы зависит от мембранного потенциала.

До настоящего времени функции NCKX остаются неясными. Предполагают, что этот вид транспортера играет важную роль в адаптации фоторецепторов, в синаптической пластичности и в пигментации кожи. Значение NCKX1, содержащегося в тромбоцитах, вероятно, заключается в выведении ионов Са²⁺ из цитозоля, так как его блокировка (с помощью анти-NCKXl) приводит к более выраженному накоплению ионов Са²⁺ в тромбоцитах в ответ на воздействие коллагена.