KALMODULĪNS: STRUKTŪRA, FUNKCIJAS UN DARBĪBAS MEHĀNISMS - BIOLOĢIJA - 2025

Kalmodulīns ir termins, kas nozīmē "kalcija modulēts proteīns", un attiecas uz nelielu intracelulāru olbaltumvielu, kurai piemīt īpašība saistīties ar kalcija jonu (Ca ++) un būt par starpnieku daudzām tā intracelulārajām darbībām. Vārda izcelsme ir radusies no angļu valodas vārdu “kalcijs”, “modulēts” un “olbaltumviela” kombinācijas, kas, saliekot kopā, iegūst CAL cium MODUL ated prote IN .

Starp minerālu elementiem, kas kļūst par daļu no dzīvnieku organismu uzbūves, līdz šim visbagātākais ir kalcijs, kam seko fosfors, jo kaulu veidojas, matricā nogulsnējot lielu daudzumu minerālsāļu. veidojas no šī jona.

Kalmodulīna un tā kalcija saistīšanās vietu shēma (Avots: PBP caur Wikimedia Commons)

Protams, šie kalcija minerālsāļi ir nepieciešami mugurkaulnieku skeleta sistēmas uzbūvei un pārveidošanai, taču tieši ķermeņa šķidrumos šķīdumā esošais kalcija (Ca ++) jonizētais veids iegūst attiecīgu fizioloģisko nozīmi dzīvnieku dzīvībai. organismi.

Šis katjons, kura struktūrā ir divi pozitīvi elektriskie lādiņi, var darboties kā strāvas transportētājs, pārvietojoties pa šūnu membrānu un modificējot tā elektriskā potenciāla līmeni daudzās ķermeņa uzbudināmajās šūnās, galvenokārt sirds muskulī.

Bet lielāka fizioloģiska nozīme ir faktam, ka daudzas šūnu regulējošās reakcijas, ko izraisa ārēji stimuli, piemēram, neirotransmiteri, hormoni vai citi fizikāli vai bioķīmiski faktori, ir metabolisma kaskāžu sugas, kurās secīgi piedalās vairāki proteīni, no kuriem daži ir fermenti, kas to aktivizēšanai vai deaktivizēšanai nepieciešams kalcijs.

Tad šajos gadījumos tiek teikts, ka kalcijs darbojas kā otrais kurjers metabolisma kaskādē, kam paredzēts gala rezultāts, kas būtu kā šūnas reakcija, kas nepieciešama, lai apmierinātu vajadzību, kas noteikta citā līmenī nekā pati šūna, un ka tas prasa viņas atbilde.

Kalcijs var tieši ietekmēt tā bioķīmisko mērķi, lai ietekmētu tā aktivitāti, taču tam bieži ir jāpiedalās ar olbaltumvielām, ar kurām tam jāsaistās, lai izdarītu iedarbību uz modificējamo (-iem) proteīnu (-iem). Kalmodulīns ir viens no starpnieku proteīniem.

Uzbūve

Kalmodulīns, kas ir visuresošs, jo tas ir izteikts gandrīz visu veidu eikariotu organismos, ir mazs skābs proteīns ar molekulmasu aptuveni 17 kDa, kura struktūra ir ļoti konservēta sugu starpā.

Tas ir monomērisks proteīns, tas ir, tas sastāv no vienas polipeptīdu ķēdes, kuras termināla galos ir globulāri domēni, kurus savieno alfa spirāle. Katrā globulārajā domēnā ir divi motīvi, kas pazīstami kā EF roka (EF roka) un ir raksturīgi kalciju saistošajiem proteīniem.

Kalmodulīns, kas saistīts ar četriem kalcija joniem (Avots: Webridge caur Wikimedia Commons)

Šie "EF rokas" topoloģiskie motīvi attēlo sava veida super sekundāras struktūras; Katrā globulārā domēnā tie ir savstarpēji saistīti ar ļoti elastīgu reģionu, un katrā no tiem ir saistīšanas vieta Ca ++, kas katrai kalodulīna molekulai rada 4 vietas.

Pozitīvi lādētu kalcija jonu saistīšana ir iespējama ar aminoskābju atlikumu klātbūtni ar negatīvi lādētām sānu ķēdēm kalmodulīna saistīšanas vietās. Šīs atliekas ir trīs aspartāti un viens glutamāts.

Kalmodulīna funkcijas

Visas līdz šim kalmodulīnam zināmās funkcijas ir ietvertas darbību grupā, kuru veicina citosoliskā kalcija palielināšanās, ko izraisa tā iekļūšana ārpusšūnu telpā vai iziešana no intracelulārām atradnēm: mitohondriji un endoplazmatisks retikulums.

Daudzas no kalcija darbībām veic šis jons, tieši iedarbojoties uz mērķa olbaltumvielām, kurām var būt dažāda veida un funkcijas. Dažus no šiem proteīniem nevar tieši ietekmēt, bet tiem ir nepieciešams kalcijs, lai tie saistītos ar kalodulīnu, un tieši šis komplekss darbojas uz olbaltumvielām, kuras ietekmē jons.

Tiek teikts, ka šie mērķa proteīni ir atkarīgi no kalcija-kalodulīna un satur desmitiem fermentu, piemēram, proteīnu kināzes, olbaltumvielu fosfatāzes, nukleotīdu ciklāzes un fosfodiesterāzes; visi viņi ir iesaistīti neskaitāmās fizioloģiskās funkcijās, kas ietver:

- Metabolisms

- daļiņu pārvadāšana

- Viscerālā mobilitāte

- Vielu sekrēcija

- olšūnu mēslošana

- ģenētiskā izpausme

- Šūnu proliferācija

- Šūnu strukturālā integritāte

- Starpšūnu komunikācija utt.

Starp no kalmodulīna atkarīgajām olbaltumvielu kināzēm tiek minētas šādas: miozīna vieglās ķēdes kināze (MLCK), fosforilāzes kināze un Ca ++ / kalmodulīna kināzes I, II un III.

Tādējādi informāciju, ko kodē kalcija signāli (tā intracelulārās koncentrācijas palielināšanās vai samazināšanās), “dekodē” šis un citi kalciju saistošie proteīni, kas signālus pārveido bioķīmiskās izmaiņās; citiem vārdiem sakot, kalodulīns ir starpprodukts olbaltumvielās signālu pārnešanas procesos, kas atkarīgi no kalcija.

Darbības mehānisms

Kalmodulīns ir ļoti universāls proteīns, jo tā "mērķa" olbaltumvielas ir ievērojami atšķirīgas pēc formas, secības, lieluma un funkcijas. Tā kā tas ir proteīns, kas darbojas kā kalcija jonu "sensors", tā darbības mehānisms ir atkarīgs no tā struktūras un / vai konformācijas izraisītajām izmaiņām, kad tas saistās ar četriem no šiem joniem.

Tās darbības mehānismus var parādīt, īsi pārskatot tā dalību dažos fizioloģiskos procesos, piemēram, viscerālo gludo muskuļu kontrakcijās un adaptācijā smakām, kuras cieš no ožas gļotādas degunā esošajām matu šūnām.

Kalmodulīna un gludo muskuļu kontrakcijas

Miozīna 1A un kalmodulīna krustveida tiltu struktūra mikroviļņu aktīna saišķos. Avots: Džefrijs W. Brown, C. James McKnight

Skeleta un sirds muskuļa saraušanās tiek aktivizēta, kad citosola Ca ++ palielināšanās sasniedz līmeni virs 10-6 mol / l, un šis jons saistās ar troponīnu C, kurā notiek allosteriskas izmaiņas, kas ietekmē tropomiozīnu. Savukārt tropomiozīns pārvietojas, pakļaujot miozīnu saistošās vietas aktīnam, izraisot kontraktilā procesa aizdegšanos.

Troponīns C neeksistē gludos muskuļos, un Ca ++ līmeņa paaugstināšanās virs norādītā līmeņa veicina tā saistīšanos ar kalmodulīnu. Ca-kalmodulīna komplekss aktivizē miozīna vieglās ķēdes kināzi (MLCK), kas savukārt fosforilē šo vieglo ķēdi, aktivizē miozīnu un izraisa kontraktilo procesu.

Ca ++ palielināšanās notiek caur tā iekļūšanu no ārpuses vai izeju no sarkoplazmatiskā retikulāra, iedarbojoties ar inozitol trifosfātu (IP3), ko fosfolipāze C atbrīvo kaskādē, ko aktivizē receptori, kas savienoti ar Gq proteīnu. Relaksācija notiek, kad Ca ++ ar pārvadātāju darbību izvada no citosola un atgriežas izcelsmes vietās.

Svarīga atšķirība starp abiem kontrakcijas veidiem ir tā, ka svītrainos muskuļos (sirds un skeleta) Ca ++ izraisa allosteriskas izmaiņas, saistoties ar tā olbaltumvielu - troponīnu, savukārt gludos muskuļos Ca-kalododulīna radītās izmaiņas ir kovalentas un nozīmē miozīna fosforilēšana.

Tāpēc, tiklīdz Ca ++ darbība ir beigusies, ir nepieciešama cita fermenta līdzdalība, lai noņemtu kināzes pievienoto fosfātu. Šis jaunais enzīms ir miozīna vieglās ķēdes fosfatāze (MLCP), kura aktivitāte nav atkarīga no kalmodulīna, bet to regulē citi ceļi.

Patiesībā gludo muskuļu kontraktilais process pilnībā nebeidzas, bet kontrakcijas pakāpe saglabājas vidējā līmenī abu fermentu, MLCK, ko kontrolē Ca ++ un kalmodulīns, un MLCP pakļautās darbības līdzsvara rezultātā. uz citām regulatīvajām kontrolēm.

Adaptācija ožas sensoros

Smakas sajūta tiek aktivizēta, kad tiek aktivizēti ožas receptori, kas atrodas šūnu ciliās, kas atrodas uz ožas gļotādas virsmas.

Šie receptori ir savienoti ar heterotrimēru G proteīnu, kas pazīstams kā "Golf" (ožas G proteīns), kam ir trīs apakšvienības: "αolf", "ß" un "γ".

Kad ožas receptori tiek aktivizēti, reaģējot uz smaku, šī proteīna apakšvienības disociējas un “olf” subvienība aktivizē enzīma adenilciklāzi, iegūstot ciklisku adenozīna monofosfātu (cAMP).

CAMP aktivizē CNG līdzīgus kanālus (kurus aktivizē cikliskie nukleotīdi) kalcijam un nātrijam. Šie joni nonāk šūnā, depolarizē to un izraisa darbības potenciālu ierosināšanu, kuru frekvence noteiks smakas intensitāti.

Ievadītajam kalcijam, kam ir tendence depolarizēt šūnu, ir negatīvas atsauksmes antagonistiska iedarbība, nedaudz vēlāk, saistoties ar kalmodulīnu un starp tiem, aizverot kanālu un novēršot depolarizējošo stimulu, kaut arī smakojošais stimuls saglabājas . To sauc par sensora saskaņošanu.

Kalmodulīns augos

Augi reaģē arī uz atšķirībām starpšūnu kalcija jonu koncentrācijā, izmantojot kalodulīna proteīnu. Šajos organismos kalmodulīniem ir daudz strukturālu un funkcionālu īpašību ar dzīvniekiem un rauga kolēģiem, kaut arī dažos funkcionālos aspektos tie atšķiras.

Piemēram, augos esošais kalmodulīns saistās ar īsām peptīdu sekvencēm mērķa olbaltumvielās, izraisot strukturālas izmaiņas, kas maina to aktivitātes, reaģējot uz iekšējām kalcija izmaiņām.

Mūsdienās joprojām tiek diskutēts par to, cik lielā mērā kalodulīns kontrolē procesus, kas ir analogi tiem, kas notiek dzīvniekiem augos.

Atsauces

1. Brenners B: muskulatūra, iekšā: Physiologie, 6. izdevums; R Klinke et al (red.). Štutgarte, Georg Thieme Verlag, 2010.
2. Ganongs WF: Medicīniskās fizioloģijas šūnveida un molekulārie pamati, in: Medicīniskās fizioloģijas pārskats, 25. ed. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
3. Guyton AC, JE zāle: Ievads endokrinoloģijā, in: Medicīniskās fizioloģijas mācību grāmata, 13. izdevums, AC Guyton, JE Hall (red.). Filadelfija, Elsevier Inc., 2016.
4. Kaup UB, Müller F: Olfactorisches System, In: Physiologie, 4. ed; P Deetjen et al (red.). Minhene, Elsevier GmbH, Urban & Fischer, 2005. gads.
5. Korbmacher C, Greger R, Brenner B, Silbernagl S: Die Zelle als Grundbaustein, in: Physiologie, 6th ed; R Klinke et al (red.). Štutgarte, Georg Thieme Verlag, 2010.
6. Zielinski, RE (1998). Kalmodulīns un kalmodulīnu saistošie proteīni augos. Gada pārskats par augu bioloģiju, 49 (1), 697–725.