KALMODULIN: STRUKTURA, FUNKCE A MECHANISMUS PŮSOBENÍ - BIOLOGIE - 2025

Kalmodulin je termín, který znamená "protein modulovaný vápníkem" a týká se malého intracelulárního proteinu, který má vlastnost vazby na iont vápníku (Ca ++) a zprostředkovává mnoho z jeho intracelulárních účinků. Původ slova pochází z kombinace anglických slov „vápník“, „modulovaný“ a „protein“, které, když se spojí, pocházejí z CAL cium MODUL ated prote IN.

Mezi minerálními prvky, které se stanou součástí složení živočišných organismů, je vápník, následovaný fosforem, zdaleka nejhojnější, protože kostí je tvořena depozicí velkého množství minerálních solí v matrici. vytvořený z tohoto iontu.

Schéma kalmodulinu a jeho vazebných míst pro vápník (Zdroj: PDB přes Wikimedia Commons)

Tyto minerální soli vápníku jsou samozřejmě nezbytné pro složení a přizpůsobení kosterního systému obratlovců, ale je to ionizovaná forma vápníku (Ca ++) v roztoku v tělních tekutinách, která získává relevantní fyziologický význam pro život zvířat. organismy.

Tento kation se dvěma nadbytky pozitivních elektrických nábojů ve své struktuře může působit jako proudový transportér pohybem buněčnou membránou a úpravou úrovně elektrického potenciálu v mnoha excitovatelných buňkách těla, zejména v srdečním svalu.

Ale větší fyziologický význam je skutečnost, že mnoho buněčných regulačních reakcí vyvolaných vnějšími stimuly, jako jsou neurotransmitery, hormony nebo jiné fyzikální nebo biochemické faktory, jsou druhy metabolických kaskád, na nichž se postupně podílí několik proteinů, z nichž některé jsou enzymy, které vyžadují vápník pro jejich aktivaci nebo inaktivaci.

V těchto případech se pak říká, že vápník působí jako druhý posel v metabolické kaskádě, který má konečný výsledek, který by byl jako buněčná odpověď nezbytná k uspokojení potřeby detekované na jiné úrovni odlišné od samotné buňky, a že to vyžaduje její konkrétní odpověď.

Vápník může přímo ovlivňovat jeho biochemický cíl, aby ovlivnil jeho aktivitu, ale často vyžaduje účast proteinu, s nímž se musí vázat, aby uplatnil svůj účinek na modifikovaný protein (proteiny). Kalmodulin je jedním z těchto mediátorových proteinů.

Struktura

Kalmodulin, vysoce všudypřítomný, protože je exprimován téměř ve všech buněčných typech eukaryotických organismů, je malý kyselý protein s molekulovou hmotností asi 17 kDa, jehož struktura je mezi druhy vysoce konzervativní.

Je to monomerní protein, tj. Je tvořen jediným polypeptidovým řetězcem, který na svých koncových koncích má tvar globulárních domén spojených alfa helixem. Každá globulární doména má dva motivy známé jako EF ruka (EF ruka), které jsou typické pro proteiny vázající vápník.

Kalmodulin se váže na čtyři ionty vápníku (Zdroj: Webridge přes Wikimedia Commons)

Tyto topologické motivy „EF ruky“ představují určitý druh supcondcondary struktur; Jsou vzájemně propojeny v každé globulární doméně oblastí s velkou flexibilitou a v každé z nich je vazebné místo pro Ca ++, což poskytuje celkem 4 místa pro každou molekulu kalmodulinu.

Vazba kladně nabitých iontů vápníku je umožněna přítomností zbytků aminokyselin se záporně nabitými postranními řetězci v kalmodulinových vazebných místech. Tyto zbytky jsou tři aspartáty a jeden glutamát.

Funkce kalmodulinu

Všechny dosud známé funkce kalmodulinu jsou orámovány ve skupině akcí podporovaných zvýšením cytosolického vápníku, které je produkováno jeho vstupem z extracelulárního prostoru nebo jeho výstupem z intracelulárních depozit: mitochondrie a endoplazmatické retikulum.

Mnoho účinků vápníku se provádí tímto iontem přímo na jeho cílové proteiny, které mohou být různých typů a funkcí. Některé z těchto proteinů nelze přímo ovlivnit, ale vyžadují, aby se vápník váže na kalmodulin, a právě tento komplex působí na protein ovlivněný iontem.

O těchto cílových proteinech se uvádí, že jsou závislé na kalmodulinu vápníku a zahrnují desítky enzymů, jako jsou proteinové kinázy, proteinové fosfatázy, nukleotidové cyklázy a fosfodiesterázy; všichni se podílejí na nesčetných fyziologických funkcích, které zahrnují:

- Metabolismus

- Transport částic

- Viscerální mobilita

- Sekrece látek

- Hnojení vajíček

- Genetický výraz

- Buněčná proliferace

- Strukturální integrita buněk

- Mezibuněčná komunikace atd.

Mezi calmodulin-dependentní proteinové kinázy jsou zmíněny: myosinová lehká řetězcová kináza (MLCK), fosforyláza kináza a Ca ++ / calmodulin kinázy I, II a III.

Informace kódované vápníkovými signály (zvýšení nebo snížení jejich intracelulární koncentrace) jsou tedy „dekódovány“ tímto a dalšími proteiny vázajícími vápník, které převádějí signály na biochemické změny; jinými slovy, kalmodulin je meziproduktový protein v signalizačních procesech závislých na vápníku.

Mechanismus účinku

Kalmodulin je velmi všestranný protein, protože jeho „cílové“ proteiny se značně liší tvarem, sekvencí, velikostí a funkcí. Protože se jedná o protein, který funguje jako „senzor“ pro ionty vápníku, jeho mechanismus účinku závisí na změnách vyvolaných ve struktuře a / nebo konformaci, jakmile se naváže na čtyři z těchto iontů.

Příkladem jeho mechanismů působení je krátká revize jeho účasti v několika fyziologických procesech, jako je kontrakce viscerálního hladkého svalstva a adaptace na pachy způsobené vlasovými buňkami čichové sliznice v nose.

Kalmodulin a kontrakce hladkého svalstva

Struktura příčných můstků myosinu 1A a kalmodulinu ve svazcích aktinů mikrovilli. Zdroj: Jeffrey W. Brown, C. James McKnight

Kontrakce kosterních a srdečních svalů je vyvolána, když vzestup cytosolického Ca ++ dosáhne hodnot nad 10-6 mol / la tento ion se váže na troponin C, který podléhá alosterickým změnám, které ovlivňují tropomyosin. Tropomyosin se zase pohybuje a vystavuje svá vazebná místa pro myosin aktinu, což způsobuje oheň kontraktilního procesu.

Troponin C neexistuje v hladkém svalstvu a zvýšení Ca ++ nad uvedenou hladinu podporuje jeho vazbu s kalmodulinem. Komplex Ca-kalmodulin aktivuje kinázu lehkého řetězce myosinu (MLCK), která zase fosforyluje tento lehký řetězec, aktivuje myosin a spouští kontraktilní proces.

Ke zvýšení Ca ++ dochází prostřednictvím vstupu z vnějšku nebo z výstupu ze sarkoplazmatického retikula působením inositoltrifosfátu (IP3) uvolňovaného fosfolipázou C v kaskádě aktivované receptory vázanými na Gq protein. K relaxaci dochází, když je Ca ++ účinkem transportérů odstraněn z cytosolu a vrací se do původních míst.

Důležitý rozdíl mezi oběma typy kontrakce spočívá v tom, že v pruhovaných svalech (srdeční a kosterní) indukuje Ca ++ alosterické změny vazbou na svůj protein, troponin, zatímco u hladkých svalů jsou změny vyvolané Ca-kalmodulinem kovalentní a naznačují fosforylace myosinu.

Jakmile je tedy účinek Ca ++ ukončen, je pro odstranění fosfátu přidaného kinázou nutná účast jiného enzymu. Tento nový enzym je myosinová fosfatáza lehkého řetězce (MLCP), jejíž aktivita nezávisí na kalmodulinu, ale je regulována jinými cestami.

Ve skutečnosti kontraktilní proces hladkého svalstva nepřestává úplně, ale stupeň kontrakce zůstává na střední úrovni v důsledku rovnováhy účinků obou enzymů, MLCK řízeného Ca ++ a kalmodulinem, a MLCP vystavené k jiným regulačním kontrolám.

Adaptace čichových senzorů

Pachový pocit se spustí, když jsou aktivovány čichové receptory umístěné v řasinkách buněk na povrchu čichové sliznice.

Tyto receptory jsou spojeny s heterotrimerním G proteinem známým jako "Golf" (čichový G protein), který má tři podjednotky: "aolf", "ß" a "y".

Když jsou čichové receptory aktivovány v reakci na zápach, podjednotky tohoto proteinu se disociují a podjednotka „aolf“ aktivuje enzym adenylcyklázu, čímž vzniká cyklický adenosin monofosfát (cAMP).

CAMP aktivuje kanály podobné CNG (aktivované cyklickými nukleotidy) pro vápník a sodík. Tyto ionty vstupují do buňky, depolarizují ji a způsobují iniciaci akčních potenciálů, jejichž frekvence určuje intenzitu zápachu.

Vápník, který vstupuje, který má tendenci depolarizovat buňku, má antagonistický účinek negativní zpětné vazby, poněkud později, vazbou na kalmodulin a mezi uzavřením kanálu a eliminací depolarizačního podnětu, i když zápachový podnět přetrvává. Tomu se říká shoda senzoru.

Kalmodulin v rostlinách

Rostliny také reagují na rozdíly v intracelulární koncentraci iontů vápníku pomocí kalmodulinového proteinu. V těchto organismech kalmoduliny sdílejí mnoho strukturních a funkčních charakteristik se svými živočišnými a kvasinkovými protějšky, i když se liší v některých funkčních aspektech.

Například kalmodulin v rostlinách se váže na krátké peptidové sekvence v rámci svých cílových proteinů, což vyvolává strukturální změny, které mění jejich aktivity v reakci na vnitřní variace vápníku.

Do jaké míry kalmodulin řídí procesy analogické těm, které se vyskytují u zvířat v rostlinách, je dodnes předmětem diskuse.

Reference

1. Brenner B: Musculatur, v: Physiologie, 6. vydání; R Klinke et al (eds). Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 2010.
2. Ganong WF: Buněčná a molekulární základy lékařské fyziologie, v: Review of Medical Physiology, 25. vydání. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
3. Guyton AC, Hall JE: Úvod do endokrinologie, v: Učebnice lékařské fyziologie, 13. vydání, AC Guyton, JE Hall (eds). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
4. Kaup UB, Müller F: Olfactorisches System, In: Physiologie, 4. vydání; P Deetjen a kol. (Eds). München, Elsevier GmbH, Urban & Fischer, 2005.
5. Korbmacher C, Greger R, Brenner B, Silbernagl S: Die Zelle als Grundbaustein, in: Physiologie, 6. vydání; R Klinke et al (eds). Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 2010.
6. Zielinski, RE (1998). Kalmodulin a proteiny vázající kalmodulin v rostlinách. Roční přehled biologie rostlin, 49 (1), 697-725.