Kalciumsignalering - Calcium signaling

Visar Ca ²⁺ -frisättning från det endoplasmatiska retikulum genom fosfolipas C (PLC) -väg.

Kalciumsignalering är användningen av kalciumjoner (Ca ²⁺ ) för att kommunicera och driva intracellulära processer ofta som ett steg i signaltransduktion . Ca ²⁺ är viktig för cellsignalering , för en gångs skull kommer in i cytosolen i cytoplasman det utövar allosteriska reglerande effekter på många enzymer och proteiner . Ca ²⁺ kan verka vid signaltransduktion som härrör från aktivering av jonkanaler eller som en andra budbärare orsakad av indirekta signaltransduktionsvägar, såsom G-proteinkopplade receptorer .

Koncentrationsförordning

Den vilande koncentrationen av Ca ²⁺ i cytoplasman bibehålls normalt omkring 100 nM . Detta är 20 000- till 100 000 gånger lägre än typisk extracellulär koncentration. För att bibehålla denna låga koncentration pumpas Ca ²⁺ aktivt från cytosolen till det extracellulära utrymmet, det endoplasmatiska retikulum (ER), och ibland in i mitokondrierna . Vissa proteiner i cytoplasman och organellerna fungerar som buffertar genom att binda Ca ²⁺ . Signalering sker när cellen stimuleras att släppa ut Ca ²⁺ joner från intracellulära butiker och/eller när Ca ²⁺ kommer in i cellen genom plasmamembranjonjonkanaler .

Fosfolipas C -väg

Fosfolipas C klyver PIP2 till IP3 och DAG

Specifika signaler kan utlösa en plötslig ökning av de cytoplasmatiska Ca ²⁺ -nivåerna till 500–1 000 nM genom att öppna kanaler i ER eller plasmamembranet . Den vanligaste signalvägen som ökar den cytoplasmatiska kalciumkoncentrationen är fosfolipas C (PLC) vägen.

1. Många cellytreceptorer , inklusive G-proteinkopplade receptorer och receptortyrosinkinaser , aktiverar PLC-enzymet.
2. PLC använder hydrolys av membranfosfolipiden PIP _{2 för} att bilda IP ₃ och diacylglycerol (DAG), två klassiska sekundära budbärare.
3. DAG fäster vid plasmamembranet och rekryterar proteinkinas C (PKC).
4. IP ₃ diffunderar till ER och är bunden till IP3 -receptorn .
5. IP ₃ -receptorn fungerar som en Ca ²⁺ -kanal och frigör Ca ²⁺ från akuten.
6. Ca ²⁺ binder till PKC och andra proteiner och aktiverar dem.

Förtäring från Endoplasmic Reticulum

Tömning av Ca ²⁺ från ER kommer att leda till Ca ²⁺ -inträde utanför cellen genom aktivering av "Store-Operated Channels" ( SOC ). Detta inflöde av Ca ²⁺ kallas Ca ²⁺ -frisättningsaktiverat Ca ²⁺ -ström ( ICRAC ). Mekanismerna genom vilka ICRAC sker utreds för närvarande fortfarande. Även om Orai1 och STIM1 , har länkats av flera studier, för en föreslagen modell för butiksdriven kalciuminflöde. Nyligen genomförda studier har nämnt fosfolipas A2 beta, nikotinsyra adenindinukleotidfosfat (NAADP) och proteinet STIM 1 som möjliga medlare av ICRAC.

Som andra budbärare

Kalcium är en allestädes närvarande andra budbärare med vidsträckta fysiologiska roller. Dessa inkluderar muskelsammandragning , neuronal överföring (som i en excitatorisk synaps ), cellmotilitet (inklusive rörelse av flagella och cilia ), befruktning , celltillväxt (proliferation), neurogenes , inlärning och minne som med synaptisk plasticitet och utsöndring av saliv . Höga nivåer av cytoplasmatisk Ca ²⁺ kan också orsaka att cellen genomgår apoptos . Andra biokemiska roller av kalcium inkluderar reglerande enzymaktivitet , permeabilitet av jonkanaler , jonpumpars aktivitet och komponenter i cytoskelet .

Många av Ca ²⁺ -förmedlade händelser inträffar när det frigjorda Ca ²⁺ binder till och aktiverar det regulatoriska proteinet calmodulin . Calmodulin kan aktivera de Ca2 ⁺ -kalmodulinberoende proteinkinaserna eller kan verka direkt på andra effektorproteiner. Förutom calmodulin finns det många andra Ca ²⁺ -bindande proteiner som förmedlar de biologiska effekterna av Ca ²⁺ .

I muskelsammandragningar

Jämförelse av sammandragning av glatta muskler och skelettmuskler

Sammandragningar av skelettmuskelfiber orsakas på grund av elektrisk stimulering. Denna process orsakas av depolarisering av de tvärgående rörformiga korsningarna . När den har depolariserat frigör sarkoplasmatisk retikulm (SR) Ca ²⁺ i myoplasman där den kommer att binda till ett antal kalciumkänsliga buffertar. Ca ²⁺ i myoplasman kommer att diffundera till Ca ²⁺ regulatorplatser på de tunna filamenten . Detta leder till den faktiska sammandragningen av muskeln.

Sammandragningar av glatt muskelfiber beror på hur en Ca ²⁺ -tillströmning sker. När en Ca ²⁺ tillströmning sker, tvärbryggor bildas mellan myosin och aktin leder till kontraktion av muskelfibrerna. Tillströmningar kan uppstå från extracellulär Ca ²⁺ diffusion via jonkanaler. Detta kan leda till tre olika resultat. Den första är en enhetlig ökning av Ca2 ⁺ -koncentrationen i hela cellen. Detta är ansvarigt för ökningar av kärldiametrar. Den andra är en snabb tidsberoende förändring av membranpotentialen som leder till en mycket snabb och enhetlig ökning av Ca ²⁺ . Detta kan orsaka spontan frisättning av signalsubstanser via sympatiska eller parasympatiska nervkanaler. Det sista potentiella resultatet är en specifik och lokaliserad subplasmalemmal Ca ²⁺ frisättning. Denna typ av frisättning ökar aktiveringen av proteinkinas och ses i hjärtmuskeln där det orsakar excitation-koncentrationskoppling. Ca ²⁺ kan också bero på interna butiker som finns i SR. Denna frisättning kan orsakas av Ryaodine (RYR) eller IP ₃ -receptorer. RYRs Ca ²⁺ -frisättning är spontan och lokaliserad. Detta har observerats i ett antal glatta muskelvävnader inklusive artärer , portalven , urinblåsa , urinvävnader , luftvägsvävnader och gastrointestinala vävnader. IP ₃ Ca ²⁺ -frisättning orsakas av aktivering av IP ₃ -receptorn på SR. Dessa tillströmningar är ofta spontana och lokaliserade som sett i tjocktarmen och portalvenen, men kan leda till en global Ca ²⁺ -våg som observerats i många kärlvävnader.

I neuroner

I neuroner är samtidigt ökade cytosoliska och mitokondriella Ca ²⁺ viktiga för synkroniseringen av neuronal elektrisk aktivitet med mitokondriell energimetabolism. Mitokondriell matris Ca ²⁺ -nivåer kan nå de tiotals μM -nivåer som är nödvändiga för aktivering av isocitratdehydrogenas , som är ett av de viktigaste regleringsenzymerna i Krebs -cykeln .

ER, i neuroner, kan tjäna i ett nätverk som integrerar många extracellulära och intracellulära signaler i ett binärt membransystem med plasmamembranet. En sådan koppling till plasmamembranet skapar en relativt ny uppfattning om ER och temat ”en neuron i en neuron”. ER: s strukturella egenskaper, förmåga att fungera som en Ca ²⁺ -sänka och specifika Ca ²⁺ -frisättande proteiner tjänar till att skapa ett system som kan producera regenerativa vågor av Ca ²⁺ -frisättning. Dessa kan kommunicera både lokalt och globalt i cellen. Dessa Ca ²⁺ -signaler integrerar extracellulära och intracellulära flöden och har varit inblandade i att spela roller i synaptisk plasticitet, minne, neurotransmittorfrisättning , neuronal excitabilitet och långsiktiga förändringar på gentranskriptionsnivån. ER -stress är också relaterat till Ca ²⁺ -signalering och tillsammans med det utfällda proteinsvaret kan det orsaka ER -associerad nedbrytning (ERAD) och autofagi.

I befruktning

Ca ²⁺ tillströmning under befruktning har observerats hos många arter som en utlösande faktor för utvecklingen av äggcellen . Dessa tillflöden kan inträffa som en enda koncentrationsökning som sett med fisk och pikdinnor , eller kan inträffa med koncentrationerna oscillerande som observerats hos däggdjur . Utlösarna till dessa Ca ²⁺ tillströmningar kan skilja sig åt. Tillströmningen har observerats ske via membran Ca ²⁺ ledningar och Ca ²⁺ lagrar i spermierna . Det har också setts att spermier binder till membranreceptorer som leder till frisättning i Ca ²⁺ från ER. Spermierna har också observerats frigöra en löslig faktor som är specifik för den arten. Detta säkerställer att befruktning mellan arter inte sker. Dessa lösliga faktorer leder till aktivering av IP ₃ som orsakar en Ca ²⁺ -frisättning från ER via IP ₃ -receptorer. Det har också setts att vissa modellsystem blandar dessa metoder, såsom sett med däggdjur. När Ca ²⁺ släpps från ER startar ägget processen med att bilda en sammansmält pronucleus och omstart av den mitotiska cellcykeln. Ca ²⁺ frisättning är också ansvarig för aktiveringen av NAD ⁺ kinas vilket leder till membran biosyntes , och exocytos av oocyterna kortikala granuler , som leder till bildningen av hyalint skiktet möjliggör den långsamma block till polyspermi .

Se även

• Nanodomain
• European Calcium Society

Referenser

Vidare läsning

• Petersen OH (2005). "Ca2+ -signalering och Ca2+ -aktiverade jonkanaler i exokrina acinarceller". Cellcalcium . 38 (3–4): 171–200. doi : 10.1016/j.ceca.2005.06.024 . PMID  16107275 .