KALMODULÍN: ŠTRUKTÚRA, FUNKCIE A MECHANIZMUS ÚČINKU - BIOLÓGIE - 2026

Kalmodulín je termín, ktorý znamená „proteín modulovaný vápnikom“ a týka sa malého intracelulárneho proteínu, ktorý má vlastnosť viazať sa na ión vápnika (Ca ++) a sprostredkúva mnoho z jeho intracelulárnych účinkov. Pôvod slova pochádza z kombinácie anglických slov „vápnik“, „modulovaný“ a „proteín“, ktoré, ak sa dajú dokopy, odvodia sa v CAL cium MODUL ated prote IN .

Medzi minerálnymi prvkami, ktoré sa stanú súčasťou zloženia živočíšnych organizmov, je vápnik, po ktorom nasleduje fosfor, zďaleka najhojnejší, pretože kosť sa vytvára ukladaním veľkého množstva minerálnych solí v matrici. z tohto iónu.

Schéma kalmodulínu a jeho väzbových miest pre vápnik (Zdroj: PDB prostredníctvom Wikimedia Commons)

Tieto minerálne soli vápnika sú samozrejme nevyhnutné na vytvorenie a prispôsobenie kostrového systému stavovcov, ale je to ionizovaná forma vápnika (Ca ++) v roztoku v telových tekutinách, ktorá nadobúda pre život zvierat relevantný fyziologický význam. organizmy.

Tento katión s dvoma nadbytočnými pozitívnymi elektrickými nábojmi vo svojej štruktúre môže pôsobiť ako transportér prúdu pohybom cez bunkovú membránu a modifikáciou úrovne elektrického potenciálu v mnohých excitačných bunkách tela, hlavne v srdcovom svale.

Avšak fyziologicky dôležitejší je fakt, že mnohé bunkové regulačné reakcie vyvolané externými stimulmi, ako sú neurotransmitery, hormóny alebo iné fyzikálne alebo biochemické faktory, sú druhy metabolických kaskád, na ktorých sa postupne zúčastňuje niekoľko proteínov, z ktorých niektoré sú enzýmy, ktoré vyžadujú vápnik na ich aktiváciu alebo inaktiváciu.

V týchto prípadoch sa potom hovorí, že vápnik pôsobí ako druhý posol v metabolickej kaskáde, ktorá má konečný výsledok, ktorý by bol ako bunková odpoveď potrebná na uspokojenie potreby zistenej na inej úrovni ako samotná bunka, a že to vyžaduje jej konkrétna odpoveď.

Vápnik môže pôsobiť priamo na svoj biochemický cieľ, aby ovplyvnil jeho aktivitu, ale často si vyžaduje účasť proteínu, s ktorým sa musí viazať, aby uplatnil svoj účinok na modifikovaný proteín (proteíny). Kalmodulín je jedným z týchto mediátorov proteínov.

štruktúra

Kalmodulín, vysoko všadeprítomný, pretože je exprimovaný takmer vo všetkých bunkových typoch eukaryotických organizmov, je malý kyslý proteín s molekulovou hmotnosťou asi 17 kDa, ktorého štruktúra je medzi druhmi vysoko konzervovaná.

Je to monomérny proteín, to znamená, že je tvorený jediným polypeptidovým reťazcom, ktorý na svojich koncových koncoch má formu guľových domén spojených alfa helixom. Každá globulárna doména má dva motívy známe ako EF ruka (EF ruka), ktoré sú typické pre proteíny viažuce vápnik.

Kalmodulín viazaný na štyri vápnikové ióny (Zdroj: Webridge cez Wikimedia Commons)

Tieto topologické motívy „EF ruky“ predstavujú druh supersecondary štruktúr; V každej globulárnej doméne sú navzájom spojené oblasťou veľkej flexibility a v každej z nich je väzobné miesto pre Ca ++, čo poskytuje celkovo 4 miesta pre každú molekulu kalmodulínu.

Viazanie kladne nabitých iónov vápnika je možné vďaka prítomnosti aminokyselinových zvyškov s negatívne nabitými bočnými reťazcami v kalmodulínových väzbových miestach. Tieto zvyšky sú tri aspartáty a jeden glutamát.

Funkcie kalmodulínu

Všetky doteraz známe funkcie kalmodulínu sú zaraďované do skupiny účinkov podporovaných zvýšením hladiny cytosolického vápnika vyvolaného jeho vstupom z extracelulárneho priestoru alebo jeho výstupom z vnútrobunkových depozitov: mitochondrie a endoplazmatické retikulum.

Mnoho z účinkov vápnika sa vykonáva týmto iónom priamo na jeho cieľové proteíny, ktoré môžu byť rôznych typov a funkcií. Niektoré z týchto proteínov nemôžu byť priamo ovplyvnené, ale vyžadujú, aby sa vápnik viazal na kalmodulín, a práve tento komplex pôsobí na proteín ovplyvnený iónom.

Uvádza sa, že tieto cieľové proteíny sú závislé od kalcio-kalmodulínu a zahŕňajú desiatky enzýmov, ako sú proteínkinázy, proteínové fosfatázy, nukleotidové cyklázy a fosfodiesterázy; všetky z nich sú zapojené do nespočetných fyziologických funkcií, ktoré zahŕňajú:

- Metabolizmus

- Transport častíc

- Viscerálna mobilita

- vylučovanie látok

- Hnojenie vajíčok

- Genetické vyjadrenie

- proliferácia buniek

- Štrukturálna integrita buniek

- medzibunková komunikácia atď.

Medzi proteínovými kinázami závislými od kalmodulínu sú: kináza myozínového ľahkého reťazca (MLCK), fosforyláza-kináza a Ca ++ / calmodulin kinázy I, II a III.

Informácie kódované vápnikovými signálmi (zvýšenie alebo zníženie jeho intracelulárnej koncentrácie) sú teda „dekódované“ týmto a ďalšími proteínmi viažucimi vápnik, ktoré prevádzajú signály na biochemické zmeny; inými slovami, kalmodulín je medziproduktový proteín v signalizačných procesoch závislých od vápnika.

Mechanizmus akcie

Kalmodulín je veľmi všestranný proteín, pretože jeho „cieľové“ proteíny sa výrazne líšia tvarom, sekvenciou, veľkosťou a funkciou. Pretože je to proteín, ktorý funguje ako „senzor“ pre ióny vápnika, jeho mechanizmus účinku závisí od zmien vyvolaných v jeho štruktúre a / alebo konformácii, keď sa naviaže na štyri z týchto iónov.

Príkladom jeho mechanizmu pôsobenia je stručné prehodnotenie jeho účasti na niekoľkých fyziologických procesoch, ako je kontrakcia viscerálneho hladkého svalstva a adaptácia na pachy, ktoré trpia vlasové bunky čuchovej sliznice v nose.

Kalmodulín a kontrakcie hladkého svalstva

Štruktúra priečnych mostíkov myozínu 1A a kalmodulínu v aktínových zväzkoch mikroville. Zdroj: Jeffrey W. Brown, C. James McKnight

Kontrakcia kostrového a srdcového svalu sa spustí vtedy, keď zvýšenie cytosolického Ca ++ dosiahne hladiny nad 10-6 mol / la tento ión sa viaže na troponín C, ktorý podlieha alosterickým zmenám, ktoré ovplyvňujú tropomyozín. Na druhej strane sa tropomyozín pohybuje a vystavuje svoje väzbové miesta myozínu aktínu, čo spôsobuje kontraktilný proces.

Troponín C neexistuje v hladkom svalstve a zvýšenie Ca ++ nad uvedenú hladinu podporuje jeho väzbu s kalmodulínom. Komplex Ca-kalmodulínu aktivuje kinázu ľahkého reťazca myozínu (MLCK), ktorá zase fosforyluje tento ľahký reťazec, aktivuje myozín a spúšťa kontraktilný proces.

Zvýšenie Ca ++ nastáva jeho vstupom zvonka alebo výstupom zo sarkoplazmatického retikula pôsobením inozitoltrifosfátu (IP3) uvoľňovaného fosfolipázou C v kaskáde aktivovanej receptormi spojenými s Gq proteínom. K relaxácii dochádza, keď sa Ca ++ účinkom transportérov odstráni z cytosolu a vráti sa na miesto svojho pôvodu.

Dôležitým rozdielom medzi obidvomi typmi kontrakcie je to, že v pruhovaných svaloch (srdcové a kostrové) indukuje Ca ++ alosterické zmeny väzbou na svoj proteín, troponín, zatiaľ čo zmeny hladkého svalstva sú kovalentné a zahŕňajú Ca-kalmodulín. fosforylácia myozínu.

Preto po ukončení pôsobenia Ca ++ sa vyžaduje účasť iného enzýmu na odstránenie fosfátu pridaného kinázou. Tento nový enzým je myozínová fosfatáza s ľahkým reťazcom (MLCP), ktorej aktivita nezávisí od kalmodulínu, ale je regulovaná inými cestami.

V skutočnosti kontraktilný proces hladkého svalstva neprestáva úplne, ale stupeň kontrakcie zostáva na strednej úrovni ako výsledok rovnováhy účinkov obidvoch enzýmov, MLCK kontrolovaného Ca ++ a kalmodulínu a MLCP vystavených na iné regulačné kontroly.

Adaptácia čuchových senzorov

Zápach je vyvolaný, keď sú aktivované čuchové receptory umiestnené v riasinkách buniek nachádzajúcich sa na povrchu čuchovej sliznice.

Tieto receptory sú spojené s heterotrimérnym G proteínom známym ako „Golf“ (čuchový G proteín), ktorý má tri podjednotky: „aolf“, „ß“ a „y“.

Keď sú čuchové receptory aktivované ako reakcia na zápach, podjednotky tejto bielkoviny sa disociujú a podjednotka „aolf“ aktivuje enzým adenylcyklázu, čím vytvára cyklický adenozínmonofosfát (cAMP).

CAMP aktivuje kanály podobné CNG (aktivované cyklickými nukleotidmi) pre vápnik a sodík. Tieto ióny vstupujú do bunky, depolarizujú ju a spôsobujú iniciáciu akčných potenciálov, ktorých frekvencia určí intenzitu zápachu.

Vápnik, ktorý vstupuje, ktorý má tendenciu depolarizovať bunku, má antagonistický účinok negatívnej spätnej väzby, o niečo neskôr, tým, že sa viaže na kalmodulín a medzi uzatvorením kanála a elimináciou depolarizačného stimulu, aj keď zapáchajúci stimul pretrváva. , Toto sa nazýva prispôsobenie snímača.

Kalmodulín v rastlinách

Rastliny tiež reagujú na rozdiely v intracelulárnej koncentrácii vápenatých iónov pomocou kalmodulínového proteínu. V týchto organizmoch kalmodulíny zdieľajú so svojimi živočíšnymi a kvasinkovými náprotivkami veľa štrukturálnych a funkčných charakteristík, hoci sa líšia v niektorých funkčných aspektoch.

Napríklad sa kalmodulín v rastlinách viaže na krátke peptidové sekvencie v rámci svojich cieľových proteínov, čo vyvoláva štrukturálne zmeny, ktoré menia ich aktivity v reakcii na vnútorné variácie vápnika.

Do akej miery kalmodulín kontroluje procesy analogické tým, ktoré sa vyskytujú u zvierat v rastlinách, je stále predmetom diskusie.

Referencie

1. Brenner B: Musculatur, v: Physiology, 6. vydanie; R. Klinke a kol. (Eds). Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 2010.
2. Ganong WF: Bunkový a molekulárny základ lekárskej fyziológie, v: Review of Medical Physiology, 25. vydanie. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
3. Guyton AC, Hall JE: Úvod do endokrinológie, v: Učebnica lekárskej fyziológie, 13. vydanie, AC Guyton, JE Hall (eds). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
4. Kaup UB, Müller F: Olfactorisches System, In: Physiologie, 4. vydanie; P Deetjen a kol. (Eds). München, Elsevier GmbH, Urban & Fischer, 2005.
5. Korbmacher C, Greger R, Brenner B, Silbernagl S: Die Zelle als Grundbaustein, v: Physiologie, 6. vydanie; R. Klinke a kol. (Eds). Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 2010.
6. Zielinski, RE (1998). Kalmodulín a proteíny viažuce kalmodulín v rastlinách. Ročný prehľad rastlinnej biológie, 49 (1), 697-725.