Введение. 
Натрий-кальциевый обменник

Цитозольный Ca ²⁺ играет ключевую роль во внутриклеточной передаче сигналов практически во всех типах клеток животных. Во многих случаях, например сокращение сердечной мышцы или высвобождение нейромедиаторов, сопровождается повышением в течение короткого периода времени свободного Са ²⁺.Фракция ионов Са ²⁺ затем быстро удаляется из цитозоля. В других случаях, например, во время поддержания тонического напряжения в гладких мышцах, повышенное содержание [Са ²⁺ ] может потребоваться в течение длительных периодов времени. Следовательно, концентрация [Са²⁺ ]:

• 1) должна точно контролироваться,
• 2) должна иметь возможность увеличиваться и быстро уменьшаться, чтобы сделать возможными переходные сигналы,
• 3) должна быть подвижной, чтобы установившаяся [Са ²⁺ ] могла быть изменена, в соответствии с потребностями клетки.
• 4) должна быть хорошо регулируемой, некоторые клетки (нейроны являются хорошим примером), претерпевают пространственные, а также временные изменения в [Са ²⁺ ] так, что все Ca ²⁺ управляемые процессы в этих клетках активируются не одновременно и не без разбора. По этим нескольким причинам, большой интерес был сосредоточен на регулировании [Са ²⁺ ] во всех типах клеток.

Кальций уникально подходит для сигнальных функций, из-за его изобилия (Са ²⁺ является наиболее распространенным катионом в организме), а также его необычной химии (сочетание ионного радиуса, плотности заряда, и координационного числа). Кроме того, «фоновая» концентрация внутриклеточного свободного Са ²⁺ достаточно низка (порядка 10 ^-7 М), так что большое отношение сигнала к фону {Д [Са ²⁺ ] I / [Са ²⁺ ] I (остальное) } может быть получено с относительно небольшим приростом абсолютного количества Са ²⁺ в цитозоле. Этот «Са ²⁺ сигнал «может исходить либо из внеклеточной жидкости, через потенциалзависимые или оперируемые рецепторами Са ²⁺селективные каналы, расположенные в плазматической мембране или из внутриклеточных хранилищ [особенно эндоплазматический ретикулум или, в мышцах, саркоплазматического ретикулума]. Кальций высвобождается из этих внутриклеточных хранилищ посредством инозитолтрифосфатного механизма или через активированные Ca ²⁺ каналы.

Кальций-зависимая передача сигнала опосредована специфическими рецепторами для Ca ²⁺, таких как кальмодулин, тропонин C, протеинкиназа С. Клетки также должны иметь механизмы для удаления Са ²⁺ из цитозоля. Два важных механизма помогают поддерживать устойчивый Ca ²⁺ баланс: АТФ-зависимые Ca ²⁺ насосы в ER (или SR) для обратного захвата Ca ²⁺, и в ПМ, для удаления Ca ²⁺. АТФ-зависимые Ca ²⁺ насосы связывают ионы с высоким сродством, но имеют относительно низкие показатели текучести (то есть, количество Ca ²⁺ транспортируемое на носителе в единицу времени). Их способность к транспорту Са ²⁺ зависит от скорости оборота и плотности молекул транспорта в мембране.

ПМ большинства клеток животных также содержат другую Са ²⁺ транспортную систему, Na ⁺ / Ca ²⁺ обменник, который работает параллельно с Ca ²⁺ селективными каналами и АТФзависимыми Ca ²⁺ насосами. Na ⁺ / Ca ²⁺ обменник может перемещать Ca ²⁺ в или из клеток, в зависимости от электрохимической движущей силы в ионообменнике. Интересно отметить, что движение Са ²⁺ опосредованное обменником, может изменить направление во время цикла. Na ⁺ / Ca ²⁺ обменник имеет примерно в 10 раз более низкое сродство к Ca ²⁺, но от 10 до 50 раз более высокую скорость оборота, чем у энергозависимого Ca ²⁺ насоса. Следовательно, NCX исключает существенное повышение внутриклеточного Ca^{2 +}, в то время как энергозависимый Са⁺ насос тонко регулирует концентрацию цитозольного свободного Са²⁺ в пределах нормы.

Особенностью регулирования клетками содержания Ca ²⁺ является очевидная избыточность в ПМ Ca ²⁺ транспортных систем, так как Na ⁺/Ca ²⁺ обменник работает параллельно с Ca ²⁺ селективными каналами и АТФ-зависимым насосом. Однако, обменник имеет несколько уникальных особенностей, которые могут объяснить необходимость этой избыточности, а также его незаменимость. Например, максимальная скорость оборота на Na ⁺ / Са ²⁺ обменнике может быть важна в клетках, которые быстро выбрасывают много Ca ²⁺ (как сердечные мышечные клетки). Кроме того, электрохимическая движущая сила на обменник заметно изменяется в течение клеточного цикла в возбудимых клетках. Таким образом, в некоторых случаях (например, во время плато потенциала действия сердца), уменьшение движущей силы приведет к снижению чистой скорости Ca 2+ экструзии по сравнению со скоростью, ожидаемой в -80 мВ. Таким образом, теплообменник может помочь поддерживать [Са ²⁺ ] I при относительно повышенном уровне в течение длительного периода времени. Одной из особенностей обменника, которая недавно была обнаружена и может внести свой вклад в объяснении его физиологической роли, является его локализация в ограниченных участках ПМ по меньшей мере, некоторых типов клеток.