Sygnalizacja wapniowa - Calcium signaling

Pokazuje uwalnianie Ca ²⁺ z retikulum endoplazmatycznego przez szlak fosfolipazy C (PLC) .

Sygnalizacja wapniowa to wykorzystanie jonów wapnia (Ca ²⁺ ) do komunikacji i kierowania procesami wewnątrzkomórkowymi, często jako etap przekazywania sygnału . Ca ²⁺ jest ważne dla sygnalizacji komórkowej , raz wejdzie on w cytozolu w cytoplazmie wywiera allosteryczne efekty regulacyjne w wielu enzymów i białek . Ca2 ⁺ może działać w przekazywaniu sygnału w wyniku aktywacji kanałów jonowych lub jako drugi przekaźnik wywołany przez pośrednie szlaki przekazywania sygnału, takie jak receptory sprzężone z białkiem G .

Regulacja koncentracji

Spoczynkowe stężenie Ca2 ⁺ w cytoplazmie jest normalnie utrzymywane na poziomie około 100 nM . Jest to od 20 000 do 100 000 razy niższe niż typowe stężenie pozakomórkowe. Aby utrzymać to niskie stężenie, Ca2 ⁺ jest aktywnie pompowany z cytozolu do przestrzeni pozakomórkowej, retikulum endoplazmatycznego (ER), a czasami do mitochondriów . Niektóre białka cytoplazmy i organelli działają jako bufory, wiążąc Ca2 ⁺ . Sygnalizacja występuje, gdy komórka jest stymulowana do uwalniania jonów Ca ²⁺ z wewnątrzkomórkowych zapasów i/lub gdy Ca ²⁺ wchodzi do komórki przez kanały jonowe błony komórkowej .

Szlak fosfolipazy C

Fosfolipaza C rozszczepia PIP2 na IP3 i DAG

Specyficzne sygnały mogą wywołać nagły wzrost cytoplazmatycznego stężenia Ca2 ⁺ do 500–1000 nM poprzez otwarcie kanałów w ER lub błonie komórkowej . Najczęstszym szlakiem sygnalizacyjnym, który zwiększa cytoplazmatyczne stężenie wapnia, jest szlak fosfolipazy C (PLC) .

1. Wiele receptorów powierzchniowych komórki , w tym receptory sprzężone z białkiem G i receptorowe kinazy tyrozynowe , aktywuje enzym PLC.
2. PLC wykorzystuje hydrolizę błonowego fosfolipidu PIP ₂ do utworzenia IP ₃ i diacyloglicerolu (DAG), dwóch klasycznych przekaźników drugorzędowych.
3. DAG przyłącza się do błony komórkowej i rekrutuje kinazę białkową C (PKC).
4. IP ₃ dyfunduje do ER i jest związany z receptorem IP3 .
5. IP ₃ Receptor służy jako Ca ²⁺ kanału i uwalnia Ca ²⁺ z ER.
6. Ca ²⁺ wiążą się z PKC i innymi białkami i aktywują je.

Ubytek z retikulum endoplazmatycznego

Zubożenie Ca ²⁺ z ER doprowadzi do wejścia Ca ²⁺ z zewnątrz komórki przez aktywację „kanałów obsługiwanych w sklepie” ( SOC ). Ten napływ Ca ²⁺ jest określany jako Ca ²⁺ -release aktywowane Ca ²⁺ prądu ( ICRAC ). Mechanizmy, dzięki którym działa ICRAC, są obecnie nadal badane. Chociaż Orai1 i STIM1 zostały połączone w kilku badaniach, dla proponowanego modelu napływu wapnia sterowanego w magazynach. W ostatnich badaniach wymieniono fosfolipazę A2 beta, fosforan dinukleotydu adeninowego kwasu nikotynowego (NAADP) oraz białko STIM 1 jako możliwe mediatory ICRAC.

Jako drugi posłaniec

Wapń jest wszechobecnym drugim posłańcem , pełniącym szerokie role fizjologiczne. Obejmują one skurcz mięśni , transmisję neuronalną (jak w synapsie pobudzającej ), ruchliwość komórek (w tym ruch wici i rzęsek ), zapłodnienie , wzrost komórek (proliferację), neurogenezę , uczenie się i pamięć, jak w przypadku plastyczności synaptycznej , oraz wydzielanie śliny . Wysoki poziom cytoplazmatycznego Ca2 ⁺ może również powodować apoptozę komórki . Inne biochemiczne role wapnia obejmują regulację aktywności enzymów , przepuszczalność kanałów jonowych , aktywność pomp jonowych i składniki cytoszkieletu .

Wiele zdarzeń, w których pośredniczy Ca ²⁺ , występuje, gdy uwolniony Ca ²⁺ wiąże się i aktywuje białko regulatorowe kalmodulinę . Kalmodulina może aktywować kinazy białkowe zależne od Ca2 ⁺ -kalmoduliny lub może działać bezpośrednio na inne białka efektorowe. Oprócz kalmoduliny istnieje wiele innych białek wiążących Ca ²⁺ , które pośredniczą w biologicznych skutkach Ca ²⁺ .

W skurczach mięśni

Porównanie skurczu mięśni gładkich i mięśni szkieletowych

Skurcze włókien mięśni szkieletowych są spowodowane stymulacją elektryczną. Proces ten jest powodowany przez depolaryzację z węzłów poprzecznego rurowych . Po depolaryzacji siateczka sarkoplazmatyczna (SR) uwalnia Ca2 ⁺ do mioplazmy, gdzie wiąże się z wieloma buforami wrażliwymi na wapń. Ca ²⁺ w mioplazmie dyfunduje do miejsc regulatorowych Ca ²⁺ na cienkich włóknach . Prowadzi to do faktycznego skurczu mięśnia.

Skurcze włókien mięśni gładkich zależą od tego, jak następuje dopływ Ca ²⁺ . Kiedy dochodzi do napływu Ca ²⁺ , między miozyną i aktyną tworzą się mostki krzyżowe , prowadzące do skurczu włókien mięśniowych. Napływy mogą następować z zewnątrzkomórkowej dyfuzji Ca2 ⁺ przez kanały jonowe. Może to prowadzić do trzech różnych wyników. Pierwszy to równomierny wzrost stężenia Ca ^{2+ w} całej komórce. To jest odpowiedzialne za wzrost średnic naczyń. Drugi to gwałtowna, zależna od czasu zmiana potencjału błonowego, która prowadzi do bardzo szybkiego i równomiernego wzrostu Ca ²⁺ . Może to powodować spontaniczne uwalnianie neuroprzekaźników przez współczulne lub przywspółczulne kanały nerwowe. Ostatnim potencjalnym wynikiem jest specyficzne i zlokalizowane subplazmalne uwalnianie Ca2 ⁺ . Ten rodzaj uwalniania zwiększa aktywację kinazy białkowej i jest obserwowany w mięśniu sercowym, gdzie powoduje sprzężenie pobudzenie-stężenie. Ca ²⁺ może również pochodzić z wewnętrznych zapasów znajdujących się w SR. Takie uwalnianie można spowodowane Ryaodine (RYRs) lub adres IP _3- receptory. Uwalnianie Ca ^{2+ z} RYR jest spontaniczne i zlokalizowane. Zaobserwowano to w wielu tkankach mięśni gładkich, w tym tętnicach , żyle wrotnej , pęcherzu moczowym , tkankach moczowodu, tkankach dróg oddechowych i tkankach przewodu pokarmowego . Uwalnianie IP ₃ Ca ²⁺ jest spowodowane aktywacją receptora IP ₃ na SR. Te napływy są często spontaniczne i zlokalizowane, jak widać w okrężnicy i żyle wrotnej, ale mogą prowadzić do globalnej fali Ca2 ^+, co obserwuje się w wielu tkankach naczyniowych.

W neuronach

W neuronach równoczesny wzrost stężenia cytozolowego i mitochondrialnego Ca2 ⁺ jest ważny dla synchronizacji aktywności elektrycznej neuronów z mitochondrialnym metabolizmem energetycznym. Poziom Ca ^{2+ w} macierzy mitochondrialnej może osiągnąć dziesiątki μM poziomów, które są niezbędne do aktywacji dehydrogenazy izocytrynianowej , która jest jednym z kluczowych enzymów regulatorowych cyklu Krebsa .

ER w neuronach może służyć w sieci integrującej liczne sygnały zewnątrzkomórkowe i wewnątrzkomórkowe w binarny układ błonowy z błoną komórkową. Taki związek z błoną komórkową tworzy stosunkowo nowe postrzeganie ER i tematu „neurona w neuronie”. Cechy strukturalne ER, zdolność do działania jako pochłaniacz Ca ²⁺ i specyficzne białka uwalniające Ca ²⁺ służą do stworzenia systemu, który może wytwarzać regeneracyjne fale uwalniania Ca ²⁺ . Mogą one komunikować się w komórce zarówno lokalnie, jak i globalnie. Te sygnały Ca2 ⁺ integrują przepływy zewnątrzkomórkowe i wewnątrzkomórkowe i odgrywają rolę w plastyczności synaptycznej, pamięci, uwalnianiu neuroprzekaźników , pobudliwości neuronalnej i długoterminowych zmianach na poziomie transkrypcji genów. Stres ER jest również powiązany z sygnalizacją Ca2 ⁺ i wraz z odpowiedzią na rozwinięte białko może powodować degradację związaną z ER (ERAD) i autofagię.

W nawożeniu

U wielu gatunków zaobserwowano napływ Ca ²⁺ podczas zapłodnienia jako wyzwalacz rozwoju oocytu . Napływy te mogą występować jako pojedynczy wzrost stężenia , jak obserwowany u ryb i szkarłupni , lub mogą występować przy wahaniach stężeń , jak obserwowane u ssaków . Wyzwalacze tych napływów Ca ²⁺ mogą się różnić. Napływ zaobserwowano, że występuje poprzez membrana Ca ²⁺ przewodów i Ca ²⁺ składowych w nasieniu . Zaobserwowano również, że plemniki wiążą się z receptorami błonowymi, które prowadzą do uwolnienia Ca ²⁺ z ER. Zaobserwowano również, że plemniki uwalniają rozpuszczalny czynnik, który jest specyficzny dla tego gatunku. Zapewnia to brak nawożenia międzygatunkowego. Te rozpuszczalne w wodzie czynniki prowadzą do aktywacji OD ₃ , co powoduje Ca ²⁺ uwalnianie z ER przez IP ₃ receptorów. Zaobserwowano również, że niektóre systemy modelowe mieszają te metody, takie jak obserwowane u ssaków. Po uwolnieniu Ca ²⁺ z ER jajo rozpoczyna proces tworzenia połączonego przedjądrza i wznowienie mitotycznego cyklu komórkowego. Uwalnianie Ca2 ⁺ jest również odpowiedzialne za aktywację kinazy NAD ^+, która prowadzi do biosyntezy błony komórkowej oraz egzocytozy ziarnistości korowych oocytów, co prowadzi do powstania warstwy szklistej umożliwiającej powolną blokadę polispermii .

Zobacz też

• Nanodomena
• Europejskie Towarzystwo Wapniowe

Bibliografia

Dalsza lektura

• Petersena OH (2005). „Sygnalizacja Ca2+ i aktywowane przez Ca2+ kanały jonowe w zewnątrzwydzielniczych komórkach groniastych”. Wapń w komórce . 38 (3–4): 171–200. doi : 10.1016/j.ceca.2005.06.024 . PMID  16107275 .