Señalización de calcio - Calcium signaling

Muestra la liberación de Ca ²⁺ del retículo endoplásmico a través de la vía de la fosfolipasa C (PLC) .

La señalización de calcio es el uso de iones de calcio (Ca ²⁺ ) para comunicar e impulsar procesos intracelulares, a menudo como un paso en la transducción de señales . El Ca ²⁺ es importante para la señalización celular , ya que una vez que ingresa al citosol del citoplasma , ejerce efectos reguladores alostéricos sobre muchas enzimas y proteínas . Ca ^{2 +} puede actuar en la transducción de señal resultante de la activación de canales de iones o como un segundo mensajero causada por vías de transducción de señales indirectas, tales como receptores acoplados a proteínas G .

Regulación de concentración

La concentración en reposo de Ca ²⁺ en el citoplasma se mantiene normalmente alrededor de 100 nM . Esto es 20.000 a 100.000 veces menor que la concentración extracelular típica. Para mantener esta baja concentración, el Ca ²⁺ se bombea activamente desde el citosol al espacio extracelular, el retículo endoplásmico (RE) y, a veces, a las mitocondrias . Ciertas proteínas del citoplasma y los orgánulos actúan como amortiguadores al unirse al Ca ²⁺ . La señalización ocurre cuando la célula es estimulada para liberar iones Ca ²⁺ de las reservas intracelulares y / o cuando Ca ²⁺ ingresa a la célula a través de los canales iónicos de la membrana plasmática .

Vía de la fosfolipasa C

La fosfolipasa C escinde PIP2 en IP3 y DAG

Las señales específicas pueden desencadenar un aumento repentino de los niveles citoplásmicos de Ca ²⁺ a 500-1 000 nM al abrir canales en el RE o la membrana plasmática . La vía de señalización más común que aumenta la concentración de calcio citoplásmico es la vía de la fosfolipasa C (PLC) .

1. Muchos receptores de la superficie celular , incluidos los receptores acoplados a proteína G y los receptores tirosina quinasas , activan la enzima PLC.
2. PLC utiliza la hidrólisis del fosfolípido de membrana PIP ₂ para formar IP ₃ y diacilglicerol (DAG), dos mensajeros secundarios clásicos.
3. El DAG se adhiere a la membrana plasmática y recluta la proteína quinasa C (PKC).
4. IP _{3 se} difunde al ER y se une al receptor IP3 .
5. El receptor IP ₃ sirve como canal de Ca ²⁺ y libera Ca ²⁺ del ER.
6. El Ca ^{2+ se} une a la PKC y otras proteínas y las activa.

Agotamiento del retículo endoplásmico

El agotamiento de Ca ²⁺ del ER dará lugar a la entrada de Ca ²⁺ desde el exterior de la celda mediante la activación de "Canales operados por almacenamiento" ( SOC ). Este flujo de entrada de Ca ²⁺ se conoce como Ca ²⁺ -RELEASE-activa Ca ²⁺ actual ( ICRAC ). Los mecanismos a través de los cuales ocurre el ICRAC aún se encuentran bajo investigación. Aunque Orai1 y STIM1 , han sido vinculados por varios estudios, para un modelo propuesto de entrada de calcio operado por tiendas. Estudios recientes han citado la fosfolipasa A2 beta, el fosfato de dinucleótido de adenina del ácido nicotínico (NAADP) y la proteína STIM 1 como posibles mediadores de ICRAC.

Como segundo mensajero

El calcio es un segundo mensajero omnipresente con funciones fisiológicas de amplio espectro. Estos incluyen la contracción muscular , la transmisión neuronal (como en una sinapsis excitadora ), la motilidad celular (incluido el movimiento de los flagelos y los cilios ), la fertilización , el crecimiento celular (proliferación), la neurogénesis , el aprendizaje y la memoria como ocurre con la plasticidad sináptica y la secreción de saliva . Los altos niveles de Ca ²⁺ citoplásmico también pueden hacer que la célula sufra apoptosis . Otras funciones bioquímicas del calcio incluyen la regulación de la actividad enzimática , la permeabilidad de los canales iónicos , la actividad de las bombas de iones y los componentes del citoesqueleto .

Muchos de los eventos mediados por Ca ²⁺ ocurren cuando el Ca ²⁺ liberado se une a la proteína reguladora calmodulina y la activa . La calcodulina puede activar las proteínas quinasas dependientes de Ca ²⁺ -calmodulina , o puede actuar directamente sobre otras proteínas efectoras. Además de la calmodulina, existen muchas otras proteínas de unión a Ca ²⁺ que median los efectos biológicos del Ca ²⁺ .

En contracciones musculares

Comparación de la contracción del músculo liso y del músculo esquelético

Las contracciones de la fibra del músculo esquelético se deben a la estimulación eléctrica. Este proceso es causado por la despolarización de las uniones tubulares transversales . Una vez despolarizado, el retículo sarcoplásmico (SR) libera Ca ²⁺ en el mioplasma, donde se unirá a varios tampones sensibles al calcio. El Ca ²⁺ en el mioplasma se difundirá a los sitios reguladores de Ca ²⁺ en los filamentos delgados . Esto conduce a la contracción real del músculo.

Las contracciones de la fibra del músculo liso dependen de cómo se produce el influjo de Ca ²⁺ . Cuando se produce un influjo de Ca ²⁺ , se forman puentes cruzados entre la miosina y la actina que conducen a la contracción de las fibras musculares. Pueden producirse aflujos por difusión extracelular de Ca ^{2+ a} través de canales iónicos. Esto puede conducir a tres resultados diferentes. El primero es un aumento uniforme de la concentración de Ca ^{2+ en} toda la célula. Esto es responsable del aumento de los diámetros vasculares. El segundo es un cambio rápido dependiente del tiempo en el potencial de membrana que conduce a un aumento muy rápido y uniforme de Ca ²⁺ . Esto puede provocar una liberación espontánea de neurotransmisores a través de los canales nerviosos simpáticos o parasimpáticos . El último resultado potencial es una liberación subplasmalemmal específica y localizada de Ca ²⁺ . Este tipo de liberación aumenta la activación de la proteína quinasa y se observa en el músculo cardíaco, donde provoca un acoplamiento de excitación-concentración. El Ca ²⁺ también puede resultar de las reservas internas que se encuentran en el SR. Esta liberación puede ser causada por los receptores Ryaodine (RYR) o IP ₃ . La liberación de RYRs Ca ²⁺ es espontánea y localizada. Esto se ha observado en varios tejidos del músculo liso, incluidas las arterias , la vena porta , la vejiga urinaria , los tejidos del uréter , los tejidos de las vías respiratorias y los tejidos gastrointestinales . La liberación de IP ₃ Ca ²⁺ es causada por la activación del receptor IP ₃ en el SR. Estos influjos suelen ser espontáneos y localizados, como se observa en el colon y la vena porta, pero pueden conducir a una onda de Ca ²⁺ global, como se observa en muchos tejidos vasculares.

En neuronas

En las neuronas , los aumentos concomitantes de Ca ²⁺ citosólico y mitocondrial son importantes para la sincronización de la actividad eléctrica neuronal con el metabolismo energético mitocondrial. Los niveles de Ca ^{2+ de la} matriz mitocondrial pueden alcanzar las decenas de niveles de μM que son necesarios para la activación de la isocitrato deshidrogenasa , que es una de las enzimas reguladoras clave del ciclo de Krebs .

El RE, en las neuronas, puede servir en una red que integra numerosas señales extracelulares e intracelulares en un sistema de membrana binaria con la membrana plasmática. Tal asociación con la membrana plasmática crea la percepción relativamente nueva del RE y el tema de "una neurona dentro de una neurona". Las características estructurales de la sala de emergencia, capacidad de actuar como un Ca ²⁺ fregadero, y específica Ca ²⁺ proteínas de liberación, sirven para crear un sistema que puede producir ondas regenerativas de Ca ²⁺ liberación. Estos pueden comunicarse tanto a nivel local como global en la celda. Estas señales de Ca ²⁺ integran flujos extracelulares e intracelulares y se ha implicado que desempeñan funciones en la plasticidad sináptica, la memoria, la liberación de neurotransmisores , la excitabilidad neuronal y los cambios a largo plazo en el nivel de la transcripción génica. El estrés del RE también está relacionado con la señalización de Ca ²⁺ y, junto con la respuesta de la proteína desplegada, puede causar degradación asociada al RE (ERAD) y autofagia.

En fertilización

La afluencia de Ca ²⁺ durante la fertilización se ha observado en muchas especies como desencadenante del desarrollo del ovocito . Estos influjos pueden ocurrir como un solo aumento en la concentración como se observa en peces y equinodermos , o pueden ocurrir con concentraciones oscilantes como se observa en mamíferos . Los desencadenantes de estos influjos de Ca ²⁺ pueden diferir. La afluencia se ha observado que se produce a través de la membrana Ca ²⁺ conductos y Ca ^{2 +} tiendas en el esperma . También se ha visto que los espermatozoides se unen a receptores de membrana que conducen a una liberación de Ca ²⁺ del ER. También se ha observado que los espermatozoides liberan un factor soluble que es específico de esa especie. Esto asegura que no ocurra la fertilización entre especies. Estos factores solubles conducen a la activación de IP _{3, lo} que provoca una liberación de Ca ²⁺ del ER a través de los receptores IP ₃ . También se ha visto que algunos sistemas modelo mezclan estos métodos, como se ve con los mamíferos. Una vez que el Ca ²⁺ se libera del RE, el óvulo comienza el proceso de formación de un pronúcleo fusionado y el reinicio del ciclo celular mitótico. La liberación de Ca ²⁺ también es responsable de la activación de la quinasa NAD ⁺ que conduce a la biosíntesis de la membrana y la exocitosis de los gránulos corticales de los ovocitos que conduce a la formación de la capa hialina que permite el bloqueo lento de la poliespermia .

Ver también

• Nanodominio
• Sociedad Europea de Calcio

Referencias

Otras lecturas

• Petersen OH (2005). "Ca2 + señalización y canales iónicos activados por Ca2 + en células acinares exocrinas". Calcio celular . 38 (3–4): 171–200. doi : 10.1016 / j.ceca.2005.06.024 . PMID  16107275 .