Передача сигналов кальция

Процесс внутриклеточной коммуникации

Показывает высвобождение Ca ^{2+ из} эндоплазматического ретикулума посредством пути фосфолипазы C (PLC) .

Передача сигналов кальция — это использование ионов кальция (Ca ²⁺ ) для связи и управления внутриклеточными процессами, часто в качестве этапа передачи сигнала . Ca ²⁺ важен для клеточной передачи сигналов , поскольку, попадая в цитозоль цитоплазмы, он оказывает аллостерическое регуляторное действие на многие ферменты и белки . Ca ²⁺ может действовать в передаче сигнала в результате активации ионных каналов или в качестве вторичного мессенджера, вызываемого непрямыми путями передачи сигнала, такими как рецепторы, связанные с G-белком .

Регулирование концентрации

Концентрация покоя Ca ²⁺ в цитоплазме обычно поддерживается около 100 нМ . Это в 20 000–100 000 раз ниже типичной внеклеточной концентрации. ^{[1] [2]} Для поддержания такой низкой концентрации Ca ²⁺ активно перекачивается из цитозоля во внеклеточное пространство, эндоплазматический ретикулум (ЭР), а иногда и в митохондрии . Некоторые белки цитоплазмы и органелл действуют как буферы, связывая Са ²⁺ . Передача сигнала происходит, когда клетка стимулируется к высвобождению ионов Ca ²⁺ из внутриклеточных запасов и/или когда Ca ²⁺ поступает в клетку через ионные каналы плазматической мембраны . ^[1] При определенных условиях внутриклеточная концентрация Ca ²⁺ может начать колебаться с определенной частотой. ^[3]

Путь фосфолипазы C

Фосфолипаза С расщепляет PIP2 на IP3 и DAG

Специфические сигналы могут вызвать внезапное повышение уровня цитоплазматического Ca ²⁺ до 500–1000 нМ путем открытия каналов в ЭР или плазматической мембране . Наиболее распространенным сигнальным путем, который увеличивает концентрацию кальция в цитоплазме, является путь фосфолипазы C (PLC) .

1. Многие рецепторы клеточной поверхности , включая рецепторы, связанные с G-белком, и рецепторные тирозинкиназы , активируют фермент PLC.
2. PLC использует гидролиз мембранного фосфолипида PIP ₂ с образованием IP 3 и диацилглицерина (DAG), двух классических вторичных мессенджеров.
3. DAG прикрепляется к плазматической мембране и рекрутирует протеинкиназу C (PKC).
4. IP3 _{диффундирует} в ЭР и связывается с рецептором IP3 .
5. Рецептор IP ₃ служит каналом Ca ²⁺ и высвобождает Ca ²⁺ из ЭР.
6. Ca ²⁺ связывается с PKC и другими белками и активирует их. ^[4]

Истощение эндоплазматического ретикулума

Истощение Ca ²⁺ из ЭР приведет к входу Ca ²⁺ извне клетки путем активации «депо-управляемых каналов» ( SOC ). ^[5] Этот приток Ca ²⁺ называется током Ca ²⁺ , активируемым высвобождением Ca ²⁺ ( ICRAC ). Механизмы, посредством которых происходит ICRAC, в настоящее время все еще изучаются. Хотя Orai1 и STIM1 были связаны в нескольких исследованиях для предложенной модели депо-управляемого притока кальция. Недавние исследования указали на фосфолипазу А2 бета, ^[6] адениндинуклеотидфосфат никотиновой кислоты (NAADP) ^[7] и белок STIM 1 ^[8] в качестве возможных медиаторов ICRAC.

В качестве второго посланника

Кальций — вездесущий вторичный мессенджер с широким спектром физиологических ролей. ^[2] К ним относятся сокращение мышц , нейрональная передача (как в возбуждающем синапсе ), клеточная подвижность (включая движение жгутиков и ресничек ), оплодотворение , рост клеток (пролиферация), нейрогенез , обучение и память, как при синаптической пластичности , и секреция. слюны . _ ^{[9] [10]} Высокие уровни цитоплазматического Ca ²⁺ также могут вызывать апоптоз клетки . ^[11] Другие биохимические роли кальция включают регулирование активности ферментов , проницаемости ионных каналов , ^[12] активности ионных насосов и компонентов цитоскелета . ^[13]

Многие из событий, опосредованных Ca ^{2+ ,} происходят, когда высвобожденный Ca ²⁺ связывается с регуляторным белком кальмодулином и активирует его . Кальмодулин может активировать Ca ²⁺ -кальмодулин-зависимые протеинкиназы или может действовать непосредственно на другие эффекторные белки. ^[14] Помимо кальмодулина, существует множество других Ca ²⁺ -связывающих белков, которые опосредуют биологические эффекты Ca ²⁺ .

При мышечных сокращениях

Сравнение сокращения гладких и скелетных мышц.

Сокращение волокон скелетных мышц происходит за счет электрической стимуляции. Этот процесс вызван деполяризацией поперечных канальцевых соединений . После деполяризации саркоплазматическая сеть (SR) высвобождает Ca ²⁺ в миоплазму, где он связывается с рядом чувствительных к кальцию буферов. Са ²⁺ в миоплазме диффундирует к участкам регулятора Са ²⁺ на тонких нитях . Это приводит к фактическому сокращению мышцы. ^[15]

Сокращения гладкомышечных волокон зависят от того, как происходит приток Са ²⁺ . Когда происходит приток Ca ²⁺ , между миозином и актином образуются поперечные мостики , приводящие к сокращению мышечных волокон. Приток может происходить за счет внеклеточной диффузии Ca ²⁺ через ионные каналы. Это может привести к трем различным результатам. Первый – равномерное увеличение концентрации Са ²⁺ по всей клетке. Это ответственно за увеличение диаметра сосудов. Во-вторых, это быстрое, зависящее от времени изменение мембранного потенциала, которое приводит к очень быстрому и равномерному увеличению Ca ²⁺ . Это может вызвать спонтанное высвобождение нейромедиаторов через симпатические или парасимпатические нервные каналы. Последним потенциальным результатом является специфическое и локализованное субплазмалеммальное высвобождение Ca ²⁺ . Этот тип высвобождения увеличивает активацию протеинкиназы и наблюдается в сердечной мышце , где он вызывает связь возбуждения и концентрации. Ca ²⁺ также может быть результатом внутренних запасов, обнаруженных в СР. Это высвобождение может быть вызвано рецепторами риодина (RYR) или IP ₃ . ^{Высвобождение Ca 2+} RYRs является спонтанным и локализованным. Это наблюдалось в ряде гладкомышечных тканей, включая артерии , воротную вену , мочевой пузырь , ткани мочеточника , ткани дыхательных путей и ткани желудочно-кишечного тракта . Высвобождение IP ₃ Ca ²⁺ вызвано активацией рецептора IP ₃ на SR. Эти притоки часто являются спонтанными и локализованными, как это наблюдается в толстой кишке и воротной вене, но могут приводить к глобальной волне Ca ²⁺ , наблюдаемой во многих сосудистых тканях. ^[16]

В нейронах

В нейронах сопутствующее увеличение цитозольного и митохондриального Ca ²⁺ важно для синхронизации электрической активности нейронов с митохондриальным энергетическим метаболизмом. Уровни Са ²⁺ в митохондриальном матриксе могут достигать десятков мкМ , что необходимо для активации изоцитратдегидрогеназы , которая является одним из ключевых регуляторных ферментов цикла Кребса . ^{[17] [18]}

ЭР в нейронах может служить в сети, объединяющей многочисленные внеклеточные и внутриклеточные сигналы в бинарную мембранную систему с плазматической мембраной. Такая ассоциация с плазматической мембраной создает относительно новое восприятие ЭР и тему «нейрона внутри нейрона». Структурные характеристики ЭР, способность действовать как сток Ca ²⁺ и специфические белки, высвобождающие Ca ²⁺ , служат для создания системы, которая может производить регенеративные волны высвобождения Ca ²⁺ . Они могут взаимодействовать как локально, так и глобально в ячейке. Эти сигналы Ca ²⁺ интегрируют внеклеточные и внутриклеточные потоки и, как предполагается, играют роль в синаптической пластичности, памяти, высвобождении нейротрансмиттеров , возбудимости нейронов и долговременных изменениях на уровне транскрипции генов. Стресс ER также связан с передачей сигналов Ca ²⁺ и наряду с реакцией развернутого белка может вызывать деградацию, связанную с ER (ERAD), и аутофагию. ^[19]

Астроциты имеют прямую связь с нейронами посредством высвобождения ими глиотрансмиттеров. Эти передатчики обеспечивают связь между нейронами и запускаются повышением уровня кальция вокруг астроцитов из внутренних хранилищ. Это увеличение кальция также может быть вызвано другими нейротрансмиттерами. Некоторыми примерами глиотрансмиттеров являются АТФ и глутамат. ^[20] Активация этих нейронов приведет к увеличению концентрации кальция в цитозоле со 100 наномолярных до 1 микромолярных. ^[21]

В оплодотворении

Приток Ca ²⁺ во время оплодотворения наблюдался у многих видов как триггер развития ооцита . Эти притоки могут происходить в виде однократного увеличения концентрации, как это наблюдается у рыб и иглокожих , или могут происходить в виде колебаний концентраций , как это наблюдается у млекопитающих . Триггеры этих притоков Ca ²⁺ могут быть разными. Было обнаружено, что приток Са 2+ происходит через мембранные каналы Ca ²⁺ и хранилища Ca ²⁺ в сперматозоидах . Также было замечено, что сперматозоиды связываются с мембранными рецепторами, что приводит к высвобождению Ca ²⁺ из ЭР. Также было замечено, что сперма выделяет растворимый фактор, специфичный для этого вида. Это предотвращает межвидовое оплодотворение. Эти растворимые факторы приводят к активации IP ₃ , что вызывает высвобождение Ca ²⁺ из ЭР через рецепторы IP ₃ . ^[22] Также было замечено, что некоторые модельные системы смешивают эти методы, например, на млекопитающих. ^{[23] [24]} Как только Ca ²⁺ высвобождается из ЭР, в яйцеклетке начинается процесс формирования слитого пронуклеуса и перезапуск митотического клеточного цикла. ^[25] Высвобождение Ca ²⁺ также отвечает за активацию НАД ⁺ киназы , которая приводит к мембранному биосинтезу , и экзоцитоз кортикальных гранул ооцитов , что приводит к образованию гиалинового слоя , обеспечивающего медленный блок полиспермии .

Смотрите также

• Нанодомен
• Европейское общество кальция

Рекомендации

1. Clapham DE (декабрь 2007 г.). «Сигнализация кальция». Клетка . 131 (6): 1047–58. дои : 10.1016/j.cell.2007.11.028 . PMID  18083096. S2CID  15087548.
2. Demaurex N, Nunes P (апрель 2016 г.). «Роль белков STIM и ORAI в фагоцитирующих иммунных клетках». Американский журнал физиологии. Клеточная физиология . 310 (7): C496-508. doi : 10.1152/ajpcell.00360.2015. ПМЦ 4824159 . ПМИД  26764049. 
3. Улен П., Лестадиус А., Янукайнен Т., Седерблом Т., Бэкхед Ф., Селси Г., Брисмар Х., Нормарк С., Аперия А., Рихтер-Дальфорс А. (июнь 2000 г.). «Альфа-гемолизин уропатогенной E. coli индуцирует колебания Ca2+ в эпителиальных клетках почек». Природа . 405 (6787): 694–7. Бибкод : 2000Natur.405..694U. дои : 10.1038/35015091. PMID  10864327. S2CID  4420606.
4. Альбертс Б., Брей Д., Хопкин К., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф MC и др. (2014). Основная клеточная биология (4-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Garland Science. стр. 548–549. ISBN 978-0-8153-4454-4.
5. Путни JW, Томита Т. (январь 2012 г.). «Передача сигналов фосфолипазы C и приток кальция». Достижения в области биологического регулирования . 52 (1): 152–64. doi :10.1016/j.advenzreg.2011.09.005. ПМК 3560308 . ПМИД  21933679. 
6. Чутора П., Зарайский В., Питер К., Монже Ф., Смани Т., Захаров С.И. и др. (ноябрь 2006 г.). «Механизм активации тока CRAC и входа Ca2+ в депо: фактор притока кальция и Ca2+-независимый путь, опосредованный фосфолипазой A2beta». Журнал биологической химии . 281 (46): 34926–35. дои : 10.1074/jbc.M606504200 . ПМИД  17003039.
7. Мочча Ф, Лим Д, Нуско Г.А., Эрколано Э, Сантелла Л (октябрь 2003 г.). «NAADP активирует ток Ca2+, который зависит от цитоскелета F-актина». Журнал ФАСЭБ . 17 (13): 1907–9. doi : 10.1096/fj.03-0178fje. PMID  12923070. S2CID  16982891.
8. Баба Ю., Хаяши К., Фуджи Ю., Мидзушима А., Ватарай Х., Вакамори М. и др. (ноябрь 2006 г.). «Связь STIM1 с депо-управляемым входом Ca2+ посредством его конститутивного и индуцируемого движения в эндоплазматическом ретикулуме». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (45): 16704–9. Бибкод : 2006PNAS..10316704B. дои : 10.1073/pnas.0608358103 . ПМК 1636519 . ПМИД  17075073. 
9. Раш Б.Г., Акман Дж.Б., Ракич П. (февраль 2016 г.). «Двунаправленная радиальная активность Ca (2+) регулирует нейрогенез и миграцию во время раннего формирования кортикального столба». Достижения науки . 2 (2): e1501733. Бибкод : 2016SciA....2E1733R. doi : 10.1126/sciadv.1501733. ПМЦ 4771444 . ПМИД  26933693. 
10. Берридж М.Дж., Липп П., Бутман, доктор медицины (октябрь 2000 г.). «Универсальность и универсальность передачи сигналов кальция». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 1 (1): 11–21. дои : 10.1038/35036035. PMID  11413485. S2CID  13150466.
11. Джозеф СК, Хайноцкий Г (май 2007 г.). «Рецепторы IP3 в выживании клеток и апоптозе: высвобождение Ca2+ и не только». Апоптоз . 12 (5): 951–68. дои : 10.1007/s10495-007-0719-7 . ПМИД  17294082.
12. Али ES, Хуа Дж, Уилсон CH, Таллис Г.А., Чжоу Ф.Х., Рычков Г.Я., Барритт Г.Дж. (сентябрь 2016 г.). «Аналог глюкагоноподобного пептида-1 эксендин-4 обращает вспять нарушенную внутриклеточную передачу сигналов Ca (2+) в стеатотических гепатоцитах». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Исследования молекулярных клеток . 1863 (9): 2135–46. дои : 10.1016/j.bbamcr.2016.05.006 . ПМИД  27178543.
13. Кулман Дж., Рём К.Х. (2005). Цветной атлас биохимии . Нью-Йорк: Тиме. ISBN 978-1-58890-247-4.
14. Берг Дж., Тимочко Дж.Л., Гатто Г.Дж., Страйер Л. Биохимия (Восьмое изд.).
15. Бэйлор С.М., Холлингворт С. (май 2011 г.). «Показатели кальция и передача сигналов кальция в волокнах скелетных мышц во время связи возбуждения-сокращения». Прогресс биофизики и молекулярной биологии . 105 (3): 162–79. doi :10.1016/j.pbiomolbio.2010.06.001. ПМЦ 2974769 . ПМИД  20599552. 
16. Хилл-Юбэнкс, округ Колумбия, Вернер М.Э., Хеппнер Т.Дж., Нельсон М.Т. (сентябрь 2011 г.). «Передача сигналов кальция в гладких мышцах». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 3 (9): а004549. doi : 10.1101/cshperspect.a004549. ПМК 3181028 . ПМИД  21709182. 
17. Иванников М.В., Маклауд Г.Т. (июнь 2013 г.). «Уровни свободного Ca²⁺ в митохондриях и их влияние на энергетический обмен в окончаниях двигательных нервов дрозофилы». Биофизический журнал . 104 (11): 2353–61. Бибкод : 2013BpJ...104.2353I. дои : 10.1016/j.bpj.2013.03.064. ПМЦ 3672877 . ПМИД  23746507. 
18. Иванников М.В., Сугимори М., Ллинас Р.Р. (январь 2013 г.). «Экзоцитоз синаптических пузырьков в синаптосомах гиппокампа напрямую коррелирует с общим объемом митохондрий». Журнал молекулярной нейронауки . 49 (1): 223–30. doi : 10.1007/s12031-012-9848-8. ПМЦ 3488359 . ПМИД  22772899. 
19. Берридж MJ (июль 1998 г.). «Нейрональная передача сигналов кальция». Нейрон . 21 (1): 13–26. дои : 10.1016/S0896-6273(00)80510-3 . PMID  9697848. S2CID  2454323.
20. "ScienceDirect.com | Журналы о науке, здоровье и медицине, полнотекстовые статьи и книги" . www.sciencedirect.com . Проверено 13 апреля 2023 г.
21. Бутман, Мартин (4 июля 2012 г.). «Кальциевая сигнализация». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 4 (7): а011171. doi : 10.1101/cshperspect.a011171. ПМЦ 3385957 . ПМИД  22751152. 
22. Кашир Дж., Дегучи Р., Джонс С., Кауард К., Стрикер С.А. (октябрь 2013 г.). «Сравнительная биология факторов спермы и сигналов кальция, вызванных оплодотворением, в животном мире». Молекулярное воспроизводство и развитие . 80 (10): 787–815. дои : 10.1002/mrd.22222 . PMID  23900730. S2CID  1075539.
23. Ото У, Исида Х, Краюхина Е, Утияма С, Иноуэ Н, Симидзу Т (июнь 2016 г.). «Структура IZUMO1-JUNO демонстрирует распознавание сперматозоидов во время оплодотворения млекопитающих». Природа . 534 (7608): 566–9. Бибкод : 2016Natur.534..566O. дои : 10.1038/nature18596. PMID  27309808. S2CID  4460677.
24. Суонн К., Лай Ф.А. (январь 2016 г.). «Активация яйцеклетки при оплодотворении растворимым белком спермы». Физиологические обзоры . 96 (1): 127–49. doi : 10.1152/physrev.00012.2015. ПМИД  26631595.
25. Гилберт, Скотт Ф., 1949- (15 июня 2016 г.). Биология развития . Баррези, Майкл Дж. Ф., 1974- (Одиннадцатое изд.). Сандерленд, Массачусетс. п. 221. ИСБН 978-1-60535-470-5. ОКЛК  945169933.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

дальнейшее чтение

• Петерсен О.Г. (2005). «Передача сигналов Ca2+ и Ca2+-активируемые ионные каналы в экзокринных ацинарных клетках». Клеточный кальций . 38 (3–4): 171–200. дои : 10.1016/j.ceca.2005.06.024. ПМИД  16107275.