T-tubuli ( eng. T-tubuli fra engelsk. transverse tubuli - transversale tubuli) - invaginationer af cellemembranen , der når den centrale del af cellerne i skelet- og hjertemusklerne . T-tubulus membranen indeholder et stort antal ionkanaler , transportører og pumper, på grund af hvilke de giver hurtig transmission af aktionspotentialet og spiller en vigtig rolle i reguleringen af intracellulær calciumionkoncentration . Ved at give en synkron frigivelse af calcium fra intracellulære depoter giver T-tubuli en stærkere sammentrækning af myocytter. Ved nogle sygdomme er funktionen af T-tubulierne nedsat, hvilket ved hjertemuskler kan føre til arytmier og hjerteanfald . T-tubuli blev først beskrevet i 1897.
T-tubuli er invaginationer af muskelcellens plasmamembran ( sarcolemma ). I hver muskelcelle danner de et netværk af tubuli placeret vinkelret eller parallelt med sarcolemmaet. Indersiden af T-tubulierne åbnes af et hul i celleoverfladen, hvilket får T-tubulierne til at fyldes med den samme væske, som omgiver cellen. T-tubulus membranen indeholder mange L-type calciumkanaler , natrium-calcium udvekslere , calcium ATPaser og β-adrenerge receptorer [1] .
I atrielle og ventrikulære kardiomyocytter opstår T-tubuli i løbet af de første par uger af livet [2] . Hos de fleste arter findes de i muskelcellerne i ventriklerne og hos store pattedyr i muskelcellerne i atrierne [3] . Diameteren af T-tubuli i cardiomyocytter varierer fra 20 til 450 nm ; som regel er T-tubuli placeret i området af Z-skiver , hvor cellulære aktinfilamenter forankres [1] . I kardiomyocytter er T-tubuli tæt forbundet med det intracellulære calciumdepot - det sarkoplasmatiske retikulum , nemlig med dets terminale cisterner. Komplekset af T-tubuli og terminalcisterne kaldes dyaden [4] .
I skeletmuskulatur er T-tubuli 20 til 40 nm i diameter og er normalt placeret på hver side af myosinbåndet , ved krydset mellem A- og I-båndene. I muskler er T-tubulierne forbundet med de to terminale cisterner i det sarkoplasmatiske reticulum, dette kompleks kaldes triaden [1] [5] .
Formen på T-tubuli opretholdes af en række forskellige proteiner . Amphiphysin-2-proteinet kodet af BIN1 genet er ansvarlig for dannelsen af T-tubuli og lokaliseringen af de nødvendige proteiner i dem, såsom L-type calciumkanaler [6] . Junctophilin-2, kodet af JPH2 genet , er involveret i dannelsen af T-tubulus forbindelsen med det sarkoplasmatiske reticulum, som er nødvendigt for den synkrone sammentrækning af cellesarkomerer. Teletonin , kodet af TCAP-genet, er involveret i dannelsen af T-tubuli og kan være ansvarlig for stigningen i antallet af T-tubuli i voksende muskler [4] .
T-tubuli er et vigtigt led på vejen fra elektrisk excitation af en muskelcelle til dens muskelsammentrækning (elektromekanisk kobling). Når en muskel er ved at trække sig sammen, får et stimulerende elektrisk signal, der kommer fra en nerve eller en nærliggende muskelcelle, cellens membran til at depolarisere, hvilket udløser et aktionspotentiale. I hvile er den indre side af cellemembranen negativt ladet, og inde i den indeholder den flere kaliumioner end i det ydre miljø og mindre natrium . Under aktionspotentialet kommer positivt ladede natriumioner ind i cellen, hvilket reducerer dens negative ladning (denne proces kaldes depolarisering ). Når en vis positiv værdi af ladningen på indersiden af membranen er nået, begynder kaliumioner at forlade cellen og gradvist returnere dens membranpotentiale til den værdi, der er karakteristisk for hviletilstanden (denne proces kaldes repolarisering ) [ 7] .
Udløsningen af muskelsammentrækning begynder med frigivelsen af acetylcholin nær den motoriske endeplade. På grund af dette opstår et aktionspotentiale, som udføres med en hastighed på 2 m/s langs hele muskelfiberens sarkolemma. Yderligere trænger aktionspotentialet ind i fiberen gennem T-tubulierne [8] .
I hjertemusklen bevæger aktionspotentialet sig langs T-tubuli, hvilket forårsager aktivering af L-type calciumkanaler, på grund af hvilke calcium begynder at trænge ind i cellen. Koncentrationen af L-type calciumkanaler i T-tubuli er højere end i resten af sarkolemmaet, så de fleste af calciumionerne kommer ind i cellen gennem T-tubuli [9] . Inde i cellen binder calciumioner til ryanodin-receptorer , som er placeret på membranen af det intracellulære calciumdepot - det sarkoplasmatiske retikulum. Aktivering af ryanodin-receptorer forårsager frigivelse af calcium fra det sarkoplasmatiske retikulum, hvilket fører til kontraktion af muskelcellen [10] . I skeletmuskulaturen er L-type calciumkanalen direkte koblet til ryanodinreceptoren på det sarkoplasmatiske reticulum, hvorved ryanodinreceptorer aktiveres uden indgående calciumstrøm [11] .
Betydningen af T-tubuli er ikke begrænset til den høje koncentration af L-type calciumkanaler: de er i stand til at synkronisere frigivelsen af calcium i cellen. Den hurtige udbredelse af aktionspotentialet langs netværket af T-tubuli fører til, at L-type calciumkanaler aktiveres i dem næsten samtidigt. Da sarcolemmaet kommer meget tæt på det sarkoplasmatiske reticulum i området af T-tubulierne, udløses frigivelsen af calcium fra sidstnævnte næsten øjeblikkeligt. På grund af synkroniseringen af calciumfrigivelse opnås en stærkere muskelsammentrækning. I celler, der ikke har T-tubuli, såsom glatte muskelceller , dysfunktionelle kardiomyocytter eller muskelceller, hvor T-tubuli er blevet kunstigt fjernet, diffunderer calcium, der trænger ind i cellen, langsomt ind i cytoplasmaet og når ryanodin-receptorerne meget langsommere, fra - hvor musklen trækker sig svagere sammen end ved tilstedeværelse af T-tubuli [12] .
Da det er i T-tubulierne, at elektromekanisk kobling sker, findes ionkanalerne og andre proteiner, der er nødvendige for denne proces, i T-tubuli i en meget højere koncentration end i resten af sarkolemmaet. Dette gælder ikke kun for L-type calciumkanaler, men også for β-adrenerge receptorer [13] , og deres stimulering øger frigivelsen af calcium fra det sarkoplasmatiske reticulum [14] .
Da det indre af T-tubulierne i virkeligheden er en fortsættelse af miljøet, er koncentrationen af ioner i det omtrent den samme som i den ekstracellulære væske. Men da koncentrationen af ioner inde i T-tubulierne er meget vigtig (især calciumkoncentrationen i T-tubuli af kardiomyocytter), er det nødvendigt, at disse koncentrationer forbliver mere eller mindre konstante. På grund af det faktum, at diameteren af T-tubuli er meget lille, fanger de ioner. På grund af dette, når calciumkoncentrationen i det ydre miljø falder ( hypocalcæmi ), ændres calciumkoncentrationen i T-tubuli ikke og forbliver tilstrækkelig til at udløse kontraktion [4] .
Calcium kommer ikke kun ind i cellen gennem T-tubulierne, men det forlader også cellen. På grund af dette kan den intracellulære calciumkoncentration kun kontrolleres tæt i et lille område, nemlig i rummet mellem T-tubuli og det sarkoplasmatiske reticulum [15] . Natrium-calcium-bytteren, såvel som calcium ATPase , er overvejende lokaliseret i T-tubulus membranen [4] . Natrium-calcium-bytteren fjerner passivt én calciumion fra cellen i bytte for, at tre natriumioner trænger ind. På grund af at processen er passiv, det vil sige at den ikke har brug for energi i form af ATP , kan calcium både komme ind i cellen og forlade den gennem veksleren, afhængig af kombinationen af den relative koncentration af Ca 2+ og Na + ioner , samt på spænding på cellemembranen ( elektrokemisk gradient ). Calcium ATPase fjerner aktivt calcium fra cellen ved at bruge ATP som energikilde [7] .
For at studere funktionen af T-tubuli kan man kunstigt afkoble T-tubuli og cellemembranen ved hjælp af en teknik kendt som detubulation. Glycerol [16] eller formamid [12] (til henholdsvis skelet- og hjertemuskler) tilsættes den ekstracellulære væske . Disse osmotisk aktive midler kan ikke passere gennem cellemembranen, og når de tilsættes den ekstracellulære væske, begynder cellerne at tabe vand og skrumpe. Når disse stoffer fjernes, genopretter cellen hurtigt sit volumen og vender tilbage til normal størrelse, men på grund af cellens hurtige ekspansion løsnes T-tubuli fra cellemembranen [17] .
I nogle sygdomme ændres strukturen af T-tubulierne, hvilket kan føre til svaghed i hjertemusklen eller en krænkelse af rytmen af dens sammentrækning. Krænkelser i strukturen af T-tubuli kan udtrykkes i fuldstændigt tab af disse strukturer eller kun en ændring i deres orientering og forgreningsmønster. Tab eller beskadigelse af strukturen af T-tubuli forekommer ofte ved myokardieinfarkt [18] . Et hjerteanfald kan føre til forstyrrelser i T-tubulierne i ventriklerne, hvorved sammentrækningskraften reduceres, samt chancerne for helbredelse [19] . Nogle gange er der ved et hjerteanfald et næsten fuldstændigt tab af T-tubuli i atrierne, hvilket reducerer atriel kontraktilitet og kan forårsage atrieflimren [20] .
Med strukturelle ændringer i T-tubuli kan L-type calciumkanaler miste kontakten med ryanodin-receptorer. Som følge heraf øges den tid, det tager at stige calciumkoncentrationen, hvilket resulterer i svagere sammentrækninger og arytmier. Forstyrrelser i T-tubuli kan dog være reversible, og det er blevet foreslået, at T-tubulus struktur kan vendes tilbage til normal med intervaltræning [4] [20] .
Ideen om eksistensen af cellulære strukturer svarende til T-tubuli blev først foreslået i 1881. Den tid, der går mellem stimulering af en tværstribet muskelcelle og dens kontraktion, er for kort til at skyldes bevægelsen af et kemisk signal fra sarcolemmaet til det sarkoplasmatiske retikulum. Det er blevet foreslået, at så kort tid kan skyldes tilstedeværelsen af dybe invaginationer af muskelcellemembranen [21] [22] . I 1897 blev T-tubuli først set under et lysmikroskop i hjertemuskel, der tidligere var blevet injiceret med blæk. Efter opfindelsen af transmissionselektronmikroskopet blev strukturen af T-tubuli undersøgt mere detaljeret [23] , og i 1971 blev de langsgående komponenter i T-tubuli-netværket beskrevet [24] . I 1990'erne og 2000'erne var det ved hjælp af konfokal mikroskopi muligt at opnå en rumlig model af netværket af T-tubuli, samt at bestemme deres størrelse og fordeling [25] . Med opdagelsen af calciumudbrud begyndte en forbindelse mellem T-tubuli og calciumfrigivelse at blive sporet [26] . I lang tid blev T-tubuli kun undersøgt på eksemplet med skeletmuskler og ventrikulær hjertemuskel, men i 2009 var det muligt at se et veludviklet system af T-tubuli i atrielle muskelceller [20] . Aktuel forskning er fokuseret på reguleringen af T-tubulus struktur og dens ændringer i forskellige hjerte- kar-sygdomme [27] .