CALMODULIN: STRUCTUUR, FUNCTIES EN WERKINGSMECHANISME - BIOLOGIE - 2025

Calmoduline is een term die "calcium-gemoduleerd eiwit" gaat betekenen en verwijst naar een klein intracellulair eiwit dat de eigenschap heeft te binden aan het calciumion (Ca ++) en veel van zijn intracellulaire acties te mediëren. De oorsprong van het woord komt van de combinatie van de Engelse woorden 'calcium', 'gemoduleerd' en 'eiwit' die, wanneer ze worden samengevoegd, zijn afgeleid van CAL cium MODUL ated prote IN .

Van de minerale elementen die deel gaan uitmaken van de samenstelling van dierlijke organismen, is calcium, gevolgd door fosfor, verreweg de meest voorkomende, aangezien bot wordt gevormd door de afzetting in zijn matrix van grote hoeveelheden minerale zouten gevormd uit dit ion.

Schematische voorstelling van calmoduline en zijn calciumbindende sites (Bron: PDB via Wikimedia Commons)

Natuurlijk zijn deze minerale zouten van calcium essentieel voor de constitutie en conformatie van het skeletsysteem van gewervelde dieren, maar het is de geïoniseerde vorm van calcium (Ca ++) in oplossing in lichaamsvloeistoffen die een relevant fysiologisch belang krijgt voor het leven van dieren. organismen.

Dit kation, met twee overtollige positieve elektrische ladingen in zijn structuur, kan werken als een stroomtransporteur door door het celmembraan te bewegen en zijn niveau van elektrisch potentieel in veel van de exciteerbare cellen van het lichaam, voornamelijk in de hartspier, te wijzigen.

Maar van grotere fysiologische relevantie is het feit dat veel cellulaire regulerende reacties die worden veroorzaakt door externe stimuli, zoals neurotransmitters, hormonen of andere fysische of biochemische factoren, een soort metabole cascades zijn waaraan verschillende eiwitten opeenvolgend deelnemen, waarvan sommige enzymen zijn die hebben calcium nodig voor hun activering of inactivering.

In deze gevallen wordt dan gezegd dat calcium werkt als een tweede boodschapper in een metabolische cascade die bestemd is om een ​​eindresultaat te hebben dat zou lijken op de cellulaire respons die nodig is om te voldoen aan een behoefte die wordt gedetecteerd op een ander niveau dan dat van de cel zelf, en dat vereist haar dat specifieke antwoord.

Calcium kan direct inwerken op zijn biochemische doelwit om zijn activiteit te beïnvloeden, maar het vereist vaak de deelname van een eiwit waarmee het moet binden om zijn effect uit te oefenen op de te modificeren proteïne (n). Calmodulin is een van die mediatoreiwitten.

Structuur

Calmoduline, zeer alomtegenwoordig, aangezien het tot expressie wordt gebracht in bijna alle celtypen van eukaryote organismen, is een klein zuur eiwit met een molecuulgewicht van ongeveer 17 kDa, waarvan de structuur in hoge mate behouden blijft tussen soorten.

Het is een monomeer eiwit, dat wil zeggen dat het bestaat uit een enkele polypeptideketen, die aan de uiteinden de vorm aanneemt van bolvormige domeinen die zijn verbonden door een alfa-helix. Elk bolvormig domein heeft twee motieven die bekend staan ​​als EF-hand (EF-hand) die typisch zijn voor calciumbindende eiwitten.

Calmodulin gebonden aan vier calciumionen (Bron: Webridge via Wikimedia Commons)

Deze topologische "EF-hand" -motieven vertegenwoordigen een soort supersecundaire structuren; Ze zijn met elkaar verbonden, in elk bolvormig domein, door een regio met grote flexibiliteit en in elk van hen is er een bindingsplaats voor Ca ++, wat in totaal 4 plaatsen oplevert voor elk calmodulinemolecuul.

De binding van positief geladen calciumionen wordt mogelijk gemaakt door de aanwezigheid van aminozuurresiduen met negatief geladen zijketens op de calciumbindende plaatsen van calmoduline. Deze residuen zijn drie aspartaten en één glutamaat.

Functies van calmoduline

Alle tot dusver bekende functies van calmoduline worden ingekaderd in een groep acties die wordt bevorderd door de toename van het cytosolische calcium dat wordt geproduceerd door het binnendringen uit de extracellulaire ruimte of het verlaten van intracellulaire afzettingen: mitochondriën en endoplasmatisch reticulum.

Veel van de acties van calcium worden uitgevoerd door dit ion dat rechtstreeks inwerkt op zijn doeleiwitten, die van verschillende typen en functies kunnen zijn. Sommige van deze eiwitten kunnen niet direct worden beïnvloed, maar hebben calcium nodig om zich aan calmoduline te binden en het is dit complex dat inwerkt op het eiwit dat door het ion wordt beïnvloed.

Deze doeleiwitten zijn afhankelijk van calcium-calmoduline en omvatten tientallen enzymen, zoals proteïnekinasen, proteïnefosfatasen, nucleotide-cyclasen en fosfodiësterasen; allemaal betrokken bij een groot aantal fysiologische functies, waaronder:

- Het metabolisme

- Het transport van deeltjes

- Viscerale mobiliteit

- De afscheiding van stoffen

- Bevruchting van de eitjes

- Genetische expressie

- Celproliferatie

- De structurele integriteit van cellen

- Intercellulaire communicatie, etc.

Onder de calmoduline-afhankelijke proteïnekinasen worden de volgende genoemd: myosine lichte keten kinase (MLCK), fosforylasekinase en Ca ++ / calmodulinekinasen I, II en III.

De informatie die wordt gecodeerd door de calciumsignalen (toename of afname van de intracellulaire concentratie) wordt dus “gedecodeerd” door deze en andere calciumbindende eiwitten, die de signalen omzetten in biochemische veranderingen; met andere woorden, calmoduline is een intermediair eiwit in calciumafhankelijke signaalprocessen.

Werkingsmechanisme

Calmodulin is een zeer veelzijdig eiwit, aangezien de "doelwit" -eiwitten aanzienlijk verschillen in vorm, volgorde, grootte en functie. Aangezien het een eiwit is dat fungeert als een "sensor" voor calciumionen, hangt het werkingsmechanisme af van de veranderingen die in de structuur en / of conformatie worden geïnduceerd zodra het zich aan vier van deze ionen bindt.

Zijn werkingsmechanismen kunnen worden geïllustreerd door kort te kijken naar zijn deelname aan een aantal fysiologische processen, zoals samentrekking van viscerale gladde spieren en aanpassing aan geuren die de haarcellen van het reukslijmvlies in de neus ondervinden.

Calmoduline en samentrekking van gladde spieren

Structuur van de myosine 1A en calmoduline kruisbruggen in de actinebundels van microvilli. Bron: Jeffrey W. Brown, C. James McKnight

Skelet- en hartspiercontractie wordt geactiveerd wanneer de toename van cytosolische Ca ++ niveaus boven 10-6 mol / l bereikt en dit ion bindt aan troponine C, dat allostere veranderingen ondergaat die tropomyosine beïnvloeden. Tropomyosine beweegt op zijn beurt, waardoor zijn myosine-bindende plaatsen op actine worden blootgesteld, waardoor het contractiele proces wordt geactiveerd.

Troponine C komt niet voor in gladde spieren en de toename van Ca ++ boven het aangegeven niveau bevordert de binding met calmoduline. Het Ca-calmodulinecomplex activeert myosine lichte keten kinase (MLCK), die op zijn beurt deze lichte keten fosforyleert, myosine activeert en het contractiele proces op gang brengt.

De toename van Ca ++ vindt plaats door het binnendringen van buitenaf of het verlaten van het sarcoplasmatisch reticulum door de werking van inositoltrifosfaat (IP3) dat wordt afgegeven door fosfolipase C in de cascade die wordt geactiveerd door receptoren die zijn gekoppeld aan Gq-eiwit. Ontspanning treedt op wanneer Ca ++, door de werking van transporteurs, uit het cytosol wordt verwijderd en terugkeert naar de oorspronkelijke locaties.

Een belangrijk verschil tussen beide soorten contractie is dat Ca ++ in dwarsgestreepte spieren (hart en skelet) allosterische veranderingen induceert door binding met het eiwit troponine, terwijl in gladde spieren de veranderingen die door Ca-calmoduline worden geproduceerd covalent zijn en fosforylering van myosine.

Daarom is, zodra de werking van Ca ++ is beëindigd, de deelname van een ander enzym vereist om het fosfaat dat door het kinase wordt toegevoegd, te verwijderen. Dit nieuwe enzym is myosine lichte keten fosfatase (MLCP) waarvan de activiteit niet afhankelijk is van calmoduline, maar gereguleerd wordt door andere routes.

In werkelijkheid houdt het contractiele proces van gladde spieren niet volledig op, maar de mate van contractie blijft op een gemiddeld niveau als gevolg van het evenwicht van de werking van beide enzymen, de MLCK gecontroleerd door Ca ++ en calmoduline, en de MLCP die wordt onderworpen aan andere regelgevende controles.

Aanpassing in olfactorische sensoren

Het geurige gevoel wordt geactiveerd wanneer olfactorische receptoren in de trilharen van cellen op het oppervlak van het reukslijmvlies worden geactiveerd.

Deze receptoren zijn gekoppeld aan een heterotrimeer G-eiwit dat bekend staat als "Golf" (olfactorisch G-eiwit), dat drie subeenheden heeft: "αolf", "ß" en "γ".

Wanneer reukreceptoren worden geactiveerd als reactie op een geur, dissociëren de subeenheden van dit eiwit en activeert de "αolf" -subeenheid het enzym adenylcyclase, waarbij cyclisch adenosinemonofosfaat (cAMP) wordt geproduceerd.

Het cAMP activeert CNG-achtige kanalen (geactiveerd door cyclische nucleotiden) voor calcium en natrium. Deze ionen komen de cel binnen, depolariseren deze en veroorzaken het initiëren van actiepotentialen waarvan de frequentie de intensiteit van de geur zal bepalen.

Het calcium dat binnenkomt, dat de neiging heeft om de cel te depolariseren, heeft een antagonistisch effect van negatieve feedback, iets later, door te binden aan calmoduline en daartussen het kanaal te sluiten en de depolariserende stimulus te elimineren, ook al blijft de geurige stimulus aanhouden. . Dit wordt sensorafstemming genoemd.

Calmodulin in planten

Planten reageren ook op verschillen in de intracellulaire concentratie van calciumionen door middel van het calmoduline-eiwit. In deze organismen hebben calmodulines veel structurele en functionele kenmerken gemeen met hun dierlijke en gist-tegenhangers, hoewel ze in sommige functionele aspecten verschillen.

Calmoduline in planten bindt bijvoorbeeld aan korte peptidesequenties binnen hun doeleiwitten, waardoor structurele veranderingen worden geïnduceerd die hun activiteiten veranderen als reactie op interne variaties in calcium.

In hoeverre calmoduline processen controleert die analoog zijn aan die welke voorkomen bij dieren in planten, is nog steeds een punt van discussie.

Referenties

1. Brenner B: Musculatur, in: Physiologie, 6e druk; R Klinke et al (eds). Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 2010.
2. Ganong WF: Cellular & Molecular Basis of Medical Physiology, in: Review of Medical Physiology, 25e druk. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
3. Guyton AC, Hall JE: Inleiding tot endocrinologie, in: Textbook of Medical Physiology, 13e editie, AC Guyton, JE Hall (eds). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
4. Kaup UB, Müller F: Olfactorisches System, In: Physiologie, 4e druk; P Deetjen et al (eds). München, Elsevier GmbH, Urban & Fischer, 2005.
5. Korbmacher C, Greger R, Brenner B, Silbernagl S: Die Zelle als Grundbaustein, in: Physiologie, 6e druk; R Klinke et al (eds). Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 2010.
6. Zielinski, RE (1998). Calmoduline en calmoduline-bindende eiwitten in planten. Jaaroverzicht van plantenbiologie, 49 (1), 697-725.