KALMODULINA: BUDOWA, FUNKCJE I MECHANIZM DZIAŁANIA - BIOLOGIA - 2025

Kalmodulina to termin oznaczający „białko modulowane wapniem” i odnosi się do małego białka wewnątrzkomórkowego, które ma właściwość wiązania jonu wapnia (Ca ++) i pośredniczenia w wielu jego działaniach wewnątrzkomórkowych. Pochodzenie tego słowa pochodzi z połączenia angielskich słów „wapń”, „modulowany” i „białko”, które razem wzięte pochodzą z CAL cium MODUL ated prote IN .

Spośród pierwiastków mineralnych, które stają się częścią składową organizmów zwierzęcych, zdecydowanie najobficiej występuje wapń, a po nim fosfor, ponieważ kość powstaje w wyniku osadzania się w jej macierzy dużych ilości soli mineralnych utworzony z tego jonu.

Schemat kalmoduliny i jej miejsc wiązania wapnia (źródło: PDB za Wikimedia Commons)

Oczywiście te mineralne sole wapnia są niezbędne dla budowy i budowy układu kostnego kręgowców, ale to zjonizowana postać wapnia (Ca ++) w roztworze w płynach ustrojowych nabiera odpowiedniego fizjologicznego znaczenia dla życia zwierząt. organizmy.

Ten kation, z dwoma dodatnimi dodatnimi ładunkami elektrycznymi w swojej strukturze, może działać jako transporter prądu, przemieszczając się przez błonę komórkową i modyfikując jego poziom potencjału elektrycznego w wielu pobudliwych komórkach ciała, głównie w mięśniu sercowym.

Jednak większe znaczenie fizjologiczne ma fakt, że wiele komórkowych reakcji regulacyjnych wyzwalanych przez bodźce zewnętrzne, takie jak neuroprzekaźniki, hormony lub inne czynniki fizyczne lub biochemiczne, to gatunki kaskad metabolicznych, w których uczestniczy po kolei kilka białek, z których część to enzymy, które wymagają wapnia do ich aktywacji lub inaktywacji.

Następnie mówi się w tych przypadkach, że wapń działa jako drugi przekaźnik w kaskadzie metabolicznej, której celem jest uzyskanie ostatecznego wyniku, który byłby podobny do odpowiedzi komórkowej niezbędnej do zaspokojenia potrzeby wykrytej na innym poziomie niż sama komórka i że wymaga jej ta konkretna odpowiedź.

Wapń może oddziaływać bezpośrednio na swój cel biochemiczny, wpływając na jego aktywność, ale często wymaga udziału białka, z którym musi się związać, aby wywrzeć wpływ na modyfikowane białko (białka). Kalmodulina jest jednym z tych białek mediatorów.

Struktura

Kalmodulina, która jest wysoce wszechobecna, ponieważ ulega ekspresji w prawie wszystkich typach komórek organizmów eukariotycznych, jest małym kwaśnym białkiem o masie cząsteczkowej około 17 kDa, którego struktura jest silnie konserwowana wśród gatunków.

Jest białkiem monomerycznym, to znaczy składa się z pojedynczego łańcucha polipeptydowego, który na swoich końcach przyjmuje postać domen globularnych połączonych alfa helisą. Każda domena globularna ma dwa motywy znane jako ręka EF (ręka EF), które są typowe dla białek wiążących wapń.

Kalmodulina związana z czterema jonami wapnia (źródło: Webridge za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Te motywy topologiczne „dłoni EF” reprezentują rodzaj struktur nadwykonawczych; Są one połączone ze sobą w każdej domenie kulistej regionem o dużej elastyczności, aw każdym z nich znajduje się miejsce wiązania dla Ca ++, co daje łącznie 4 miejsca dla każdej cząsteczki kalmoduliny.

Wiązanie dodatnio naładowanych jonów wapnia jest możliwe dzięki obecności reszt aminokwasowych z ujemnie naładowanymi łańcuchami bocznymi w miejscach wiązania wapnia kalmoduliny. Te pozostałości to trzy asparaginiany i jeden glutaminian.

Funkcje kalmoduliny

Wszystkie dotychczas znane funkcje kalmoduliny mieszczą się w grupie działań promowanych przez wzrost cytozolowego wapnia wytwarzanego przez jego wejście z przestrzeni zewnątrzkomórkowej lub wyjście ze złogów wewnątrzkomórkowych: mitochondriów i retikulum endoplazmatycznego.

Wiele działań wapnia jest wykonywanych przez ten jon działający bezpośrednio na jego białka docelowe, które mogą mieć różne typy i funkcje. Na niektóre z tych białek nie można bezpośrednio wpływać, ale wymagają one wapnia do wiązania kalmoduliny i to właśnie ten kompleks działa na białko, na które ma wpływ jon.

Mówi się, że te białka docelowe są zależne od wapnia i kalmoduliny i obejmują dziesiątki enzymów, takich jak kinazy białkowe, fosfatazy białkowe, cyklazy nukleotydów i fosfodiesterazy; wszystkie z nich biorą udział w niezliczonych funkcjach fizjologicznych, w tym:

- metabolizm

- Transport cząstek

- Ruchliwość trzewna

- Wydzielanie substancji

- Zapłodnienie zalążków

- Ekspresja genetyczna

- Proliferacja komórek

- Strukturalna integralność komórek

- Komunikacja międzykomórkowa itp.

Wśród kinaz białkowych zależnych od kalmoduliny wymienia się: kinazę łańcucha lekkiego miozyny (MLCK), kinazę fosforylazy i kinazy Ca ++ / kalmoduliny I, II i III.

W ten sposób informacje kodowane przez sygnały wapnia (wzrost lub spadek jego wewnątrzkomórkowego stężenia) są „dekodowane” przez to i inne białka wiążące wapń, które przekształcają sygnały w zmiany biochemiczne; innymi słowy kalmodulina jest białkiem pośrednim w zależnych od wapnia procesach sygnałowych.

Mechanizm akcji

Kalmodulina to bardzo wszechstronne białko, ponieważ jej „docelowe” białka są bardzo zróżnicowane pod względem kształtu, sekwencji, wielkości i funkcji. Ponieważ jest to białko, które działa jako „czujnik” jonów wapnia, jego mechanizm działania zależy od zmian wywołanych w jego strukturze i / lub konformacji po związaniu się z czterema z tych jonów.

Jego mechanizmy działania można zilustrować na przykładzie krótkiego przeglądu jego udziału w kilku procesach fizjologicznych, takich jak skurcz mięśni gładkich trzewnych i adaptacja do zapachów wydzielanych przez komórki rzęsate błony węchowej nosa.

Skurcz kalmoduliny i mięśni gładkich

Struktura mostków krzyżowych miozyny 1A i kalmoduliny w wiązkach aktynowych mikrokosmków. Źródło: Jeffrey W. Brown, C. James McKnight

Skurcz mięśnia szkieletowego i mięśnia sercowego jest wyzwalany, gdy wzrost cytozolowego Ca ++ osiąga poziom powyżej 10-6 mol / l, a jon ten wiąże się z troponiną C, która ulega allosterycznym zmianom wpływającym na tropomiozynę. Z kolei tropomiozyna porusza się, odsłaniając miejsca wiązania miozyny w aktynie, powodując pożar procesu kurczenia się.

Troponina C nie występuje w mięśniach gładkich, a wzrost Ca ++ powyżej wskazanego poziomu sprzyja jej wiązaniu z kalmoduliną. Kompleks Ca-kalmoduliny aktywuje kinazę łańcucha lekkiego miozyny (MLCK), która z kolei fosforyluje ten łańcuch lekki, aktywuje miozynę i wyzwala proces skurczu.

Wzrost Ca ++ następuje poprzez jego wejście z zewnątrz lub wyjście z retikulum sarkoplazmatycznego przez działanie trifosforanu inozytolu (IP3) uwalnianego przez fosfolipazę C w kaskadzie aktywowanej przez receptory sprzężone z białkiem Gq. Relaksacja następuje, gdy Ca ++, w wyniku działania transporterów, jest usuwany z cytozolu i powraca do swoich miejsc pochodzenia.

Istotną różnicą między oboma typami skurczów jest to, że w mięśniach poprzecznie prążkowanych (sercowych i szkieletowych) Ca ++ indukuje zmiany allosteryczne poprzez wiązanie się ze swoim białkiem troponiną, podczas gdy w mięśniach gładkich zmiany wywoływane przez kalmodulinę Ca są kowalencyjne i obejmują fosforylacja miozyny.

Dlatego po zakończeniu działania Ca ++, do usunięcia fosforanu dodanego przez kinazę wymagany jest udział innego enzymu. Ten nowy enzym to fosfataza łańcucha lekkiego miozyny (MLCP), której aktywność nie zależy od kalmoduliny, ale jest regulowana przez inne szlaki.

W rzeczywistości proces skurczu mięśni gładkich nie ustaje całkowicie, ale stopień skurczu pozostaje na poziomie pośrednim w wyniku równowagi działania obu enzymów, MLCK kontrolowanego przez Ca ++ i kalmodulinę oraz MLCP poddanego innym kontrolom regulacyjnym.

Adaptacja w czujnikach węchowych

Wrażenie zapachowe jest wyzwalane, gdy aktywowane są receptory węchowe zlokalizowane w rzęskach komórek znajdujących się na powierzchni śluzówki węchowej.

Te receptory są sprzężone z heterotrimerycznym białkiem G znanym jako „golf” (węchowe białko G), które ma trzy podjednostki: „αolf”, „ß” i „γ”.

Kiedy receptory węchowe są aktywowane w odpowiedzi na zapach, podjednostki tego białka dysocjują, a podjednostka „αolf” aktywuje enzym cyklazę adenylową, wytwarzając cykliczny monofosforan adenozyny (cAMP).

CAMP aktywuje kanały podobne do CNG (aktywowane przez cykliczne nukleotydy) dla wapnia i sodu. Jony te wnikają do komórki, depolaryzują ją i powodują inicjację potencjałów czynnościowych, których częstotliwość będzie determinować intensywność zapachu.

Wchodzący do komórki wapń, który ma tendencję do depolaryzacji komórki, ma działanie antagonistyczne w postaci negatywnego sprzężenia zwrotnego, nieco później, wiążąc się z kalmoduliną, a pomiędzy nimi zamykając kanał i eliminując bodziec depolaryzujący, mimo że bodziec zapachowy utrzymuje się. . Nazywa się to dopasowaniem czujnika.

Kalmodulina w roślinach

Rośliny reagują również na różnice wewnątrzkomórkowego stężenia jonów wapnia za pomocą białka kalmoduliny. W tych organizmach kalmoduliny mają wiele cech strukturalnych i funkcjonalnych z ich odpowiednikami zwierzęcymi i drożdżowymi, chociaż różnią się one pod pewnymi względami funkcjonalnymi.

Na przykład kalmodulina w roślinach wiąże się z krótkimi sekwencjami peptydów w obrębie ich białek docelowych, wywołując zmiany strukturalne, które zmieniają ich aktywność w odpowiedzi na wewnętrzne wahania wapnia.

W jakim stopniu kalmodulina kontroluje procesy analogiczne do tych, które zachodzą u zwierząt w roślinach, jest nadal przedmiotem dyskusji.

Bibliografia

1. Brenner B: Musculatur, w: Physiologie, wyd. 6; R Klinke i in. (Red.). Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 2010.
2. Ganong WF: Cellular & Molecular Basis of Medical Physiology, w: Review of Medical Physiology, 25th ed. Nowy Jork, McGraw-Hill Education, 2016.
3. Guyton AC, Hall JE: Introduction to endocrinology, w: Textbook of Medical Physiology, wydanie 13, AC Guyton, JE Hall (red.). Filadelfia, Elsevier Inc., 2016.
4. Kaup UB, Müller F: Olfactorisches System, In: Physiologie, 4. wyd .; P Deetjen i in. (Red.). München, Elsevier GmbH, Urban & Fischer, 2005.
5. Korbmacher C, Greger R, Brenner B, Silbernagl S: Die Zelle als Grundbaustein, w: Physiologie, 6th ed; R Klinke i in. (Red.). Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 2010.
6. Zieliński, RE (1998). Białka wiążące kalmodulinę i kalmodulinę u roślin. Coroczny przegląd biologii roślin, 49 (1), 697-725.