KALMODULIINI: RAKENNE, TOIMINNOT JA VAIKUTUSTAPA - BIOLOGIA - 2026

Kalmoduliini on termi, joka tarkoittaa "kalsiummoduloitua proteiinia" ja viittaa pieneen solunsisäiseen proteiiniin, jolla on ominaisuus sitoutua kalsiumioniin (Ca ++) ja välittää monia sen solunsisäisistä vaikutuksista. Sanan alkuperä on peräisin englanninkielisten sanojen 'kalsium', 'moduloitu' ja 'proteiini' yhdistelmästä, jotka kootessaan johtavat CAL- ciumiin, joka on moduloitu prote IN.

Niistä mineraalielementeistä, joista tulee osa eläinorganismien rakennetta, kalsium, jota seuraa fosfori, on ylivoimaisesti runsain, koska luu muodostuu matriisiin kertyessä suuria määriä mineraalisuoloja. muodostuu tästä ionista.

Kaavio kalmoduliinista ja sen kalsiumsitoutumiskohdista (Lähde: PDB Wikimedia Commonsin kautta)

Nämä kalsiumin mineraalisuolat ovat tietysti välttämättömiä selkärankaisten luustojärjestelmän muodostamiselle ja muodostumiselle, mutta kehon nesteissä olevassa liuoksessa oleva kalsiumin (Ca ++) ionisoitunut muoto saa merkityksellisen fysiologisen merkityksen eläinten elämälle. organismeja.

Tämä kationi, jonka rakenteessa on kaksi ylimääräistä positiivista sähkövarausta, voi toimia virrankuljettimena liikuttamalla solukalvon läpi ja modifioimalla sen sähköisen potentiaalin tasoa monissa kehon herättävissä soluissa, pääasiassa sydänlihaksessa.

Fysiologisella merkityksellä on suurempi tosiasia, että monet ulkoisten ärsykkeiden, kuten välittäjäaineiden, hormonien tai muiden fysikaalisten tai biokemiallisten tekijöiden aiheuttamat solun säätelyreaktiot ovat metabolisten kaskadien lajeja, joihin osallistuu peräkkäin useita proteiineja, joista osa on entsyymejä, jotka vaativat kalsiumia niiden aktivointiin tai inaktivointiin.

Sitten sanotaan näissä tapauksissa, että kalsium toimii toisena välittäjänä aineenvaihduntakaskadissa, jolla on tarkoitus olla lopullinen tulos, joka tulee olemaan kuin soluvaste, joka tarvitaan tyydyttämään tarve, joka havaitaan toisella tasolla kuin solu itse, ja että se vaatii hänen vastauksensa.

Kalsium voi vaikuttaa suoraan biokemialliseen kohteeseensa vaikuttaakseen aktiivisuuteen, mutta se vaatii usein proteiinin osallistumisen, jonka kanssa sen täytyy sitoutua, jotta se voisi vaikuttaa modifioitaviin proteiineihin (proteiineihin). Kalmoduliini on yksi niistä välittäjäproteiineista.

Rakenne

Kalmoduliini, joka on erittäin yleistä, koska sitä ilmenee melkein kaikissa solutyypeissä eukaryoottisissa organismeissa, on pieni hapan proteiini, jonka molekyylipaino on noin 17 kDa, jonka rakenne on erittäin säilynyt lajien keskuudessa.

Se on monomeerinen proteiini, ts. Se on muodostettu yhdestä polypeptidiketjusta, joka sen terminaalisissa päissä on globaalien domeenien muodossa, jotka on kytketty toisiinsa alfa-kierroksella. Jokaisella globaalilla domeenilla on kaksi motiivia, jotka tunnetaan nimellä EF käsi (EF käsi), jotka ovat tyypillisiä kalsiumia sitoville proteiineille.

Neljään kalsiumioniin sitoutunut kalmoduliini (Lähde: Webridge Wikimedia Commonsin kautta)

Nämä "EF-käden" topologiset aiheet edustavat eräänlaista ylemmän tason rakenteita; Ne on kytketty toisiinsa, jokaisessa globaalissa domeenissa, joustavalla alueella, ja jokaisessa niistä on Ca ++: n sitoutumiskohta, joka tuottaa yhteensä 4 kohtaa kutakin kalmoduliinimolekyyliä kohti.

Positiivisesti varautuneiden kalsiumionien sitoutuminen on mahdollista mahdollistamalla aminohappotähteiden, joilla on negatiivisesti varautuneet sivuketjut, läsnäolo kalmoduliinin kalsiumsitoutumiskohdissa. Nämä tähteet ovat kolme aspartaattia ja yksi glutamaatti.

Kalmoduliinin toiminnot

Kaikki kaloduliinille tähän mennessä tunnetut toiminnot sisältyvät toimien ryhmään, jota edistävät sytosolisen kalsiumin lisäykset, joita aiheuttaa sen pääsy solunulkoiseen tilaan tai poistuminen solunsisäisistä talletuksista: mitokondriat ja endoplasminen retikulumi.

Useat kalsiumin vaikutuksista suoritetaan tällä ionilla, joka vaikuttaa suoraan kohdeproteiineihinsa, jotka voivat olla erityyppisiä ja toiminnallisia. Joihinkin näistä proteiineista ei voida vaikuttaa suoraan, mutta ne vaativat kalsiumia sitoutumaan kalmoduliiniin, ja juuri tämä kompleksi toimii ionin vaikuttamassa proteiinissa.

Näiden kohdeproteiinien sanotaan olevan kalsium-kalmoduliiniriippuvaisia ​​ja sisältävän kymmeniä entsyymejä, kuten proteiinikinaasit, proteiinifosfataasit, nukleotidisyklaasit ja fosfodiesteraasit; kaikki he ovat mukana lukemattomissa fysiologisissa toiminnoissa, joihin kuuluu:

- Metabolia

- Hiukkasten kuljetus

- Sisäelinten liikkuvuus

- Aineiden eritys

- Munasolujen lannoitus

- Geneettinen ilmaisu

- Solujen lisääntyminen

- Solujen rakenteellinen eheys

- solujen välinen viestintä jne.

Kalmoduliiniriippuvaisten proteiinikinaasien joukossa mainitaan seuraavat: myosiinin kevytketjukinaasi (MLCK), fosforylaasikinaasi ja Ca ++ / kalmododuliinikinaasit I, II ja III.

Siten tämä ja muut kalsiumia sitovat proteiinit "dekoodaavat" kalsiumsignaalien (sen solunsisäisen konsentraation lisääntyminen tai lasku) koodaaman informaation ", joka muuntaa signaalit biokemiallisiin muutoksiin; toisin sanoen, kalmoduliini on välituoteproteiini kalsiumista riippuvissa signalointiprosesseissa.

Toimintamekanismi

Kalmoduliini on erittäin monipuolinen proteiini, koska sen "kohdeproteiinit" ovat muodoltaan, sekvenssiltaan, kooltaan ja toiminnaltaan huomattavasti erilaisia. Koska se on proteiini, joka toimii kalsiumi-ionien “anturina”, sen toimintamekanismi riippuu muutoksista, jotka esiintyvät sen rakenteessa ja / tai rakenteessa, kun se sitoutuu neljään näistä ioneista.

Sen toimintamekanismeja voidaan havainnollistaa tarkastelemalla lyhyesti sen osallistumista pariin fysiologiseen prosessiin, kuten sisäelinten sileän lihaksen supistumiseen ja mukautumiseen hajuihin, joita nenän hajuhimojen hiussolut kärsivät.

Kalmoduliini ja sileiden lihasten supistuminen

Myosiini 1A: n ja kalmoduliinisiltojen rakenne mikrovillien aktiinipaketteissa. Lähde: Jeffrey W. Brown, C. James McKnight

Luusto ja sydänlihaksen supistuminen laukaistaan, kun sytosolisen Ca ++: n lisäys saavuttaa tasot yli 10–6 mol / l ja tämä ioni sitoutuu troponiini C: ään, jossa tapahtuu allosteerisiä muutoksia, jotka vaikuttavat tropomyosiiniin. Tropomyosiini puolestaan ​​liikkuu paljastaen myosiiniinsa sitoutuvat kohdat aktiinille aiheuttaen supistuvan prosessin palon.

Troponiini C: tä ei ole sileissä lihaksissa, ja Ca ++: n lisäys ilmoitetun tason yläpuolelle edistää sen sitoutumista kalmoduliiniin. Ca-kalmoduliinikompleksi aktivoi myosiinin kevytketjukinaasia (MLCK), joka puolestaan ​​fosforyloi tätä kevytketjua, aktivoi myosiinia ja käynnistää supistuvan prosessin.

Ca ++: n lisäys tapahtuu sen pääsyn kautta ulkopuolelle tai poistumisen sarkoplasmisesta retikulumista inositolitrifosfaatin (IP3) vaikutuksesta, jonka fosfolipaasi C vapauttaa kaskadissa, jonka aktivoivat Gq-proteiiniin kytketyt reseptorit. Rentoutuminen tapahtuu, kun Ca ++ poistetaan kuljettajien vaikutuksesta sytosolista ja palaa alkuperäpaikoilleen.

Tärkeä ero kummankin supistustyypin välillä on se, että juovistetuissa lihaksissa (sydän- ja luurankoissa) Ca ++ indusoi allosteerisiä muutoksia sitoutumalla proteiiniinsa, troponiiniin, kun taas sileissä lihaksissa Ca-kalmododuliinin tuottama muutos on kovalentti ja sisältää myosiinin fosforyloituminen.

Siksi, kun Ca ++: n vaikutus on päättynyt, kinaasin lisäämän fosfaatin poistamiseksi tarvitaan toisen entsyymin osallistuminen. Tämä uusi entsyymi on myosiinin kevytketjuinen fosfataasi (MLCP), jonka aktiivisuus ei riipu kaloduliinista, mutta jota säätelevät muut reitit.

Todellisuudessa sileän lihaksen supistuva prosessi ei lopu kokonaan, mutta supistumisaste pysyy keskitasolla molempien entsyymien, Ca ++: n ja kaloduliinin kontrolloiman MLCK: n ja tasapainotetun MLCP: n toiminnan tasapainon seurauksena muihin viranomaissääntöihin.

Sopeutuminen hajuantureissa

Hajuherkkyys laukaistaan, kun hajureseptorit, jotka sijaitsevat hajun limakalvon pinnalla olevien solujen silikoissa, aktivoituvat.

Nämä reseptorit on kytketty heterotrimeriseen G-proteiiniin, joka tunnetaan nimellä "Golf" (haju G-proteiini), jolla on kolme alayksikköä: "aolf", "ß" ja "y".

Kun hajureseptorit aktivoituvat vastauksena hajuun, tämän proteiinin alayksiköt dissosioituvat ja "aolf" -yksikkö aktivoi entsyymidenyylisyklaasin tuottaen syklisen adenosiinimonofosfaatin (cAMP).

CAMP aktivoi CNG: n kaltaisia ​​kanavia (aktivoituna syklisillä nukleotideillä) kalsiumille ja natriumille. Nämä ionit tulevat soluun, depolisoivat sen ja aiheuttavat toimintapotentiaalit, joiden taajuus määrää hajun voimakkuuden.

Sisään tulevalla kalsiumilla, jolla on taipumus depolarisoida solu, on negatiivisen palautteen antagonistinen vaikutus jonkin verran myöhemmin sitoutumalla kalmoduliiniin ja sulkemalla niiden välille kanava ja eliminoimalla depolarisoiva ärsyke, vaikka hajuinen ärsyke jatkuu. Tätä kutsutaan anturien sovitukseksi.

Kalmoduliini kasveissa

Kasvit reagoivat myös kalsiumionien solunsisäisten pitoisuuksien eroihin kalmoduliiniproteiinin avulla. Näissä organismeissa kalmoduliinilla on monia rakenteellisia ja toiminnallisia ominaispiirteitä eläin- ja hiivapariensa kanssa, vaikkakin ne eroavat toisistaan ​​joillakin toiminnallisilla näkökohdilla.

Esimerkiksi kasveissa oleva kalmoduliini sitoutuu lyhyisiin peptidisekvensseihin kohdeproteiineissaan, indusoimalla rakenteellisia muutoksia, jotka muuttavat niiden aktiivisuutta vasteena kalsiumin sisäisille variaatioille.

Missä määrin kalmoduliini säätelee prosesseja, jotka ovat samanlaisia ​​kuin kasveissa esiintyvät eläimet, on edelleen keskustelun aihe.

Viitteet

1. Brenner B: lihaksisto, julkaisussa: Physiologie, 6. painos; R Klinke et ai (toim.). Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 2010.
2. Ganong WF: Lääketieteellisen fysiologian solu- ja molekyylin perusteet, julkaisussa: Review of Medical Physiology, 25. painos. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
3. Guyton AC, Hall JE: Johdatus endokrinologiaan, julkaisussa: Lääketieteellisen fysiologian oppikirja, 13. painos, AC Guyton, JE Hall (toim.). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
4. Kaup UB, Müller F: Olfactorisches System, julkaisussa: Physiologie, 4. painos; P Deetjen et ai (toimittajat). München, Elsevier GmbH, Urban & Fischer, 2005.
5. Korbmacher C, Greger R, Brenner B, Silbernagl S: Die Zelle als Grundbaustein, julkaisussa: Physiologie, 6. painos; R Klinke et ai (toim.). Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 2010.
6. Zielinski, RE (1998). Kalmoduliini ja kalmoduliini sitovat proteiinit kasveissa. Kasvibiologian vuosikatsaus, 49 (1), 697-725.