KALMODULIN: SZERKEZETE, FUNKCIÓI ÉS MŰKÖDÉSI MECHANIZMUSA - BIOLÓGIA - 2024

A kalmodulin egy olyan kifejezés, amely "kalcium-modulált protein" -re utal, és egy olyan kis intracelluláris fehérjére utal, amelynek a tulajdonsága a kalciumionhoz (Ca ++) kötődés és a sejten belüli számos tevékenységének közvetítése. A szó eredete a „kalcium”, a „modulált” és a „protein” angol szavak kombinációjából származik, amelyek összesítve a CAL cium MODUL- tetű prote IN-ből származnak.

Az állati szervezetek alkotásának részét képező ásványi elemek közül a kalcium, majd a foszfor a messze a legelterjedtebb, mivel a csont az, hogy mátrixában nagy mennyiségű ásványi só lerakódik. ebből az ionból képződik.

A kalmodulin és a kalcium-kötő helyek vázlata (Forrás: PDB a Wikimedia Commons segítségével)

Természetesen ezek a kalcium ásványi sók elengedhetetlenek a gerincesek vázrendszerének felépítéséhez és alakításához, de a testnedvekben oldott kalcium (Ca ++) ionizált formája releváns élettani jelentőséggel bír az állatok életében. szervezetekre.

Ez a kation, amelynek szerkezetében két túlzott pozitív elektromos töltés van, áramszállítóként működhet, ha áthalad a sejtmembránon, és módosítja elektromos potenciáljának szintjét a test sok izgatható sejtjében, főleg a szívizomban.

Nagyobb fiziológiai jelentőséggel bír az a tény, hogy számos külső stimulus által kiváltott sejtes szabályozási reakció, például neurotranszmitterek, hormonok vagy más fizikai vagy biokémiai tényezők, olyan anyagcsere-kaszkád fajai, amelyekben több fehérje vesz részt egymás után, amelyek közül néhány enzimek aktiválásához vagy inaktiválásához kalcium szükséges.

Ezekben az esetekben azt mondják, hogy a kalcium másodlagos hírvivőként működik egy anyagcsere-kaszkádban, amelynek célja egy olyan végső eredmény, amely olyan, mint a celluláris válasz, amely a sejttől eltérő szinten észlelt igény kielégítéséhez szükséges, és hogy ehhez szükség van övé az adott válasz.

A kalcium közvetlenül befolyásolhatja biokémiai célpontját, hogy befolyásolja tevékenységét, de gyakran szükségessé válik egy fehérje részvétele, amellyel kötődnie kell ahhoz, hogy hatása legyen a módosítandó fehérjékre. A kalmodulin az egyik ilyen mediátorfehérje.

Szerkezet

A kalmodulin, amely rendkívül mindenütt jelen van, mivel eukarióta szervezetekben szinte minden sejttípusban expresszálódik, egy kis savas fehérje, körülbelül 17 kDa molekulatömegű, amelynek szerkezete a fajok között erősen konzerválódott.

Ez egy monomer protein, azaz egyetlen polipeptidláncból áll, amelynek végpontjai egy alfa-spirálhoz csatlakoztatott globális domének formájában vannak. Mindegyik globális doménnek két olyan motívuma van, amelyet EF kéz (EF kéz) néven ismertek, amelyek jellemzőek a kalciumot kötő fehérjékre.

Négy kalciumionhoz kötött kalmodulin (Forrás: Webridge a Wikimedia Commons segítségével)

Ezek az "EF kéz" topológiai motívumok egyfajta szuperszekunder struktúrát képviselnek; Össze vannak kapcsolva egymással, minden egyes gömb doménben, egy nagy rugalmasságú régióval, és mindegyikben van egy Ca ++ kötőhely, amely összes kalodulin molekulához összesen 4 helyet eredményez.

A pozitív töltésű kalciumionok megkötését negatív töltésű oldallánccal rendelkező aminosavmaradékok jelenléte teszi lehetővé a kalmodulin kalcium-kötő helyein. Ezek a maradékok három aszpartát és egy glutamát.

A kalmodulin funkciói

Az összes, a kalmodulinra eddig ismert funkciót egy olyan tevékenységi csoportba sorolják, amelyet elősegít a citoszol kalcium növekedése, amelyet az extracelluláris térbe való belépés vagy az intracelluláris lerakódásokból való kilépés okoz: mitokondriumok és endoplazmatikus retikulum.

A kalcium sok tevékenységét ez az ion hajtja végre, közvetlenül a célfehérjékre hatva, amelyek különféle típusúak és funkcionálisak lehetnek. Ezen fehérjék egy részét nem lehet közvetlenül befolyásolni, de kalciumhoz kell kapcsolódniuk a kalodulinhoz, és ez a komplex hat az ion által befolyásolt fehérjére.

Ezekről a célfehérjékről azt mondják, hogy kalcium-kalodulin-függőek, és tucatnyi enzimet tartalmaznak, mint például protein-kinázok, protein-foszfatázok, nukleotid-ciklázok és foszfodiészterázok; mindegyik részt vett számos fiziológiai funkcióban, beleértve:

- Az anyagcserét

- A részecskék szállítása

- Zsigeri mobilitás

- Az anyagok szekréciója

- Az petesejtek megtermékenyítése

- Genetikai kifejezés

- Sejtek proliferációja

- A sejtek szerkezeti integritása

- Intercelluláris kommunikáció stb.

A kalmodulin-függő protein-kinázok közül a következőket említik: miozin könnyűlánc-kináz (MLCK), foszforiláz-kináz és Ca ++ / kalmodulin-kinázok I, II és III.

Tehát a kalciumjelek által kódolt információt (az intracelluláris koncentráció növekedése vagy csökkenése) ezt és más kalciumkötő fehérjéket "dekódolják", amelyek a jeleket biokémiai változásokká alakítják; más szóval, a kalmodulin egy közbenső protein a kalcium-függő jelátviteli folyamatokban.

A cselekvés mechanizmusa

A kalmodulin nagyon sokoldalú fehérje, mivel a "cél" fehérjék alakja, szekvenciája, mérete és funkciója jelentősen változatos. Mivel ez egy olyan fehérje, amely kalciumionok "érzékelőjeként" funkcionál, működési mechanizmusa függ a szerkezetében és / vagy konformációjában indukált változásoktól, miután ezekhez az ionokhoz négyhez kapcsolódik.

Hatásmechanizmusaira példát mutathat, ha röviden áttekintjük néhány fiziológiai folyamatban való részvételét, például a zsigeri simaizom összehúzódását és az orrban a szaglási nyálkahártya hajsejtjei által alkalmazott szagokhoz való alkalmazkodást.

Kalmodulin és simaizom-összehúzódás

Az 1A miozin és a kalodulin kereszthidak szerkezete a mikrovillák aktin kötegeiben. Forrás: Jeffrey W. Brown, C. James McKnight

A csontváz és a szívizom összehúzódása akkor vált ki, amikor a citoszolos Ca ++ növekedése eléri a 10–6 mol / l szintet, és ez az ion a troponin C-hez kötődik, amely allosztikus változásokon megy keresztül, amelyek a tropomyosint befolyásolják. A tropomyosin viszont mozog, és miozin-kötő helyeit kiteszi az aktinban, ami a zsugorodási folyamat tüzet okoz.

A troponin C nem létezik az simaizomban, és a jelzett szint feletti Ca ++ növekedés elősegíti a kalodulinhoz való kötődését. A Ca-kalmodulin komplex aktiválja a miozin könnyű lánc kinázát (MLCK), amely viszont foszforilálja ezt a könnyű láncot, aktiválja a miozinot és kiváltja a kontraktilis folyamatot.

A Ca ++ növekedése a sarkoplazmás retikulumba való belépés vagy az onkózból való kilépés révén következik be, amikor a foszfolipáz C felszabadítja az inozitol-trifoszfátot (IP3) a kaszkádban, amelyet a Gq fehérjéhez kapcsolt receptorok aktiválnak. A relaxáció akkor fordul elő, amikor a Ca ++ transzporterek hatására eltávolításra kerül a citoszolból és visszatér a származási helyére.

Fontos különbség a két összehúzódás típusa között az, hogy a csíkos izmokban (szív- és csontvázban) a Ca ++ az alszoszterikus változásokat indukálja oly módon, hogy proteinnel, a troponinnal kötődik, míg a simaizmokban a Ca-kalmododulin által előidézett változások kovalensek és a miozin foszforilációja.

Ezért, amint a Ca ++ hatása véget ért, egy másik enzim részvételéhez szükség van a kináz által hozzáadott foszfát eltávolítására. Ez az új enzim a miozin könnyű láncú foszfatáz (MLCP), amelynek aktivitása nem függ a kalmodulintól, hanem más utak által szabályozott.

A valóságban a simaizom összehúzódási folyamata nem fejeződik be teljesen, de a kontrakció mértéke továbbra is középszinten marad, mindkét enzim, a Ca ++ által szabályozott MLCK és a kalmodulin szabályozása, valamint az alárendelt MLCP hatásainak egyensúlya következtében. más szabályozási ellenőrzésekhez.

Alkalmazkodás szaglás érzékelőkben

A szagú érzés akkor aktiválódik, amikor a szagló nyálkahártya felületén elhelyezkedő sejtek ciliájában elhelyezkedő szagló receptorok aktiválódnak.

Ezek a receptorok egy "Golf" néven ismert heterotrimer G-proteinhez kapcsolódnak (szaglás G-protein), amelynek három alegysége van: "aolf", "ß" és "γ".

Amikor a szagló receptorok egy szag hatására aktiválódnak, ennek a proteinnek az alegységei disszociálódnak, és az "olf" alegység aktiválja az adenil-cikláz enzimet, ciklikus adenozin-monofoszfátot (cAMP) állítva elő.

A cAMP aktiválja a CNG-szerű csatornákat (ciklikus nukleotidok aktiválja) a kalcium és a nátrium számára. Ezek az ionok belépnek a sejtekbe, depolarizálják azt, és olyan akciós potenciálokat kezdeményeznek, amelyek gyakorisága határozza meg a szag intenzitását.

A belépő kalcium, amely hajlamos a sejt depolarizálására, negatív visszacsatolás antagonista hatással bír, kissé később, a kalmodulinhoz kötődve és közöttük csatorna bezárásával és a depolarizáló inger kiküszöbölésével, annak ellenére, hogy az illatos inger továbbra is fennáll. Ezt nevezzük érzékelő-illesztésnek.

Kalmodulin a növényekben

A növények a kalciumionok intracelluláris koncentrációjának különbségeire is reagálnak a kalmodulin fehérje segítségével. Ezekben a szervezetekben a kalmodulinek sok szerkezeti és funkcionális tulajdonsággal rendelkeznek az állati és élesztő társaikkal, bár egyes funkcionális szempontból különböznek.

Például a növényekben a kalmodulin kötődik a célfehérjékben levő rövid peptidszekvenciákhoz, olyan szerkezeti változásokat indukálva, amelyek megváltoztatják tevékenységüket a kalcium belső változásainak hatására.

A mai napig továbbra is vita tárgyát képezi, hogy a kalmodulin milyen mértékben szabályozza a növényekben az állatokban előforduló folyamatokhoz hasonló folyamatokat.

Irodalom

1. Brenner B: Izomzat, in: Physiologie, 6. kiadás; R Klinke és munkatársai (szerk.). Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 2010.
2. Ganong WF: Orvosi fiziológia sejtes és molekuláris alapjai, in: Review of Medical Physiology, 25. kiadás. New York, McGraw-Hill oktatás, 2016.
3. Guyton AC, JE hall: Bevezetés az endokrinológiába, in: Orvosi élettan tankönyve, 13. kiadás, AC Guyton, JE Hall (szerk.). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
4. Kaup UB, Müller F: Olfactorisches System, In: Physiologie, 4. kiadás; P Deetjen és munkatársai (szerk.). München, Elsevier GmbH, Urban & Fischer, 2005.
5. Korbmacher C, Greger R, Brenner B, Silbernagl S: Die Zelle als Grundbaustein, in: Physiologie, 6. kiadás; R Klinke és munkatársai (szerk.). Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 2010.
6. Zielinski, RE (1998). Kalmodulin és kalmodulint kötő fehérjék növényekben. A növénybiológia éves áttekintése, 49 (1), 697–725.