Кальцієва сигналізація

Іони кальцію відіграють важливу роль в клітинній сигналізації, адже, входячи в цитозоль цитоплазми вони здійснюють алостеричний (регуляторний) вплив на багато ферментів і білків загалом. Іони Ca²⁺ можуть здійснювати сигнальну трансдукцію активуючи іонні канали або виконуючи роль вторинного посередника в сигнальних шляхах, наприклад, G-білокспряжених рецепторів.

Регуляція внутрішньоклітинної концентрації іонів кальцію

Внутрішньоклітинна концентрація іонів кальцію в стані спокою, як правило, підтримується в межах 10-100 нМ. Для підтримки такої низької концентрації, іони кальцію активно відкачуються з цитозолю цитоплазми в міжклітинний простір та ендоплазматичну сітку, а іноді і в мітохондрії. Деякі цитоплазматичні білки та органели діють як буфери, зв'язуючи іони Ca²⁺. Сигнализація здійснюється при стимулюванні клітиною вивільнення іонів Ca²⁺ з внутрішньоклітинних кальцієвих депо, та/або коли іони Ca²⁺ входять в клітину через іонні канали плазматичної мембрани^[1].

Сигнальний шлях фосфоліпази С

Докладніше: Фосфоліпаза С

Певні сигнали можуть викликати раптове збільшення цитоплазматичного рівня Ca²⁺ до 500—1000 нМ шляхом відкриття каналів в ендоплазматичній сітці або плазматичній мембрані. Найбільш поширений шлях передачі сигналів, що веде до збільшення концентрації цитоплазматичного кальцію є сигнальний шлях фосфоліпази С.

• Багато рецепторів клітинної поверхні, в тому числі G-білокспряжені рецептори та рецепторні тирозинкінази активують фосфоліпазу С.
• Фосфоліпаза С гідролізує мембраний фосфоліпід ФІФ₂ (фосфатидилінозитол-4,5-бісфосфат) до ІФ₃ (інозитол-3-фосфат) та ДАГ (діацилгліцерол), двох класичних вторинних посередників.
• ДАГ рекрутує протеїнкіназу С та приєднує її до плазматичної мембрани.
• ІФ₃ дифундує в ендоплазматичну сітку та зв'язується з рецептором ІФ₃.
• Рецептор ІФ₃ виконує роль Ca²⁺-каналу і вивільнює Ca²⁺ з ЕПС.
• Іони Ca²⁺ зв'язуються з протеїнкіназою С, активуючи її^[2].

Виснаження депо Ca²⁺ в ЕПС викликає входження іонів Ca²⁺ з позаклітинного середовища шляхом активації SOCs (англ. store-operated channels — депо-керовані канали). Цей вхідний потік іонів Ca²⁺ призводить до відновлення депо Ca²⁺ в ЕПС та називається I_CRAC (англ. Ca²⁺-release-activated Ca²⁺ current). Механізми, за допомогою яких відбувається I_CRAC в даний час^[коли?] все ще досліджують, хоча дві молекули-кандидати, ORAI1 і STIM1, були пов'язані декількома дослідженнями, і модель депо-керованого надходження кальцію, за участю цих молекул, було запропоновано. Недавні дослідження показали фосфоліпаза A2 бета^[3], НААДФ^[4] і білок STIM 1^[5] як можливі медіатори ICRAC.

Рух іонів кальцію з позаклітинного компартменту в внутрішньоклітинний компартмент змінює мембранний потенціал. Це видно в серці, під час фази плато шлуночкового скорочення. У цьому прикладі, кальцій здйснює підтримання деполяризації серця. Кальцієва сигналізація через іонні канали також має важливе значення в нейронній синаптичній передачі.

Кальцій як вторинний посередник

Важливість фізіологічних функцій для передачі сигналів кальцію коливаються в широких межах. Вони включають скорочення м'язів, передачу сигналу в електричному синапсі, клітинна моторику (в тому числі рух джгутиків і війок), запліднення, ріст клітин і проліферація, навчанні і пам'яті за рахунок синаптичної пластичності, а також виділенні слини. Високий рівень цитоплазматичного кальцію може також індукувати апоптоз клітин^[6]. Інші біохімічні функції іонів кальцію включають регуляцію активності ферментів, проникність іонних каналів^[7], активність іонних насосів, а також компонентів цитоскелету^[8].

Багато з Ca²⁺-опосредованних подій відбуваються, коли вивільнений Ca²⁺ зв'язується регуляторним білком кальмодуліном та активує його. Кальмодулін може активувати кальцій-кальмодулінзалежну протеїнкіназу, або може впливати безпосередньо на інші ефекторні білки^[9]. Крім кальмодуліну, є багато інших Ca²⁺-зв'язуючих білків, які опосередковують біологічні ефекти Ca²⁺.

У нейронах, супутнє збільшення цитозольного і мітохондріального кальцію має важливе значення для синхронізації нейронної електричної активності з мітохондріальним енергетичним метаболізмом. Рівень Ca²⁺ в мітохондріальному матриксі може досягати десятків мікромолярних рівнів, що необхідно для активації ізоцитратдегідрогенази, одного з ключових регуляторних ферментів циклу Кребса^[10][11].

У нейроні, ЕПС може виконувати роль мережі інтеграції численних позаклітинних і внутрішньоклітинних сигналів в подвійний мембранній системі з плазматичною мембраною. Такий зв'язок з плазматичною мембраною створює відносно нове сприйняття ЕПС і теми «нейрон в нейроні.»

Посилання

1. Clapham, D.E. (2007). Calcium Signaling. Cell. 131 (6): 1047—1058. doi:10.1016/j.cell.2007.11.028. PMID 18083096.
2. Alberts; Bray; Hopkin; Johnson; Raff; Lewis; Roberts; Walter (2014). Essential Cell Biology (вид. 4th). New York, NY: Garland Science. с. 548—549. ISBN 978-0-8153-4454-4.
3. Csutora, P. та ін. (2006). Activation Mechanism for CRAC Current and Store-operated Ca²⁺ Entry. Journal of Biological Chemistry. 281 (46): 34926—34935. doi:10.1074/jbc.M606504200. PMID 17003039.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
4. Moccia, F. та ін. (2003). NAADP activates a Ca²⁺ current that is dependent on F-actin cytoskeleton. The FASEB Journal. 17 (13): 1907—1909. doi:10.1096/fj.03-0178fje. PMID 12923070.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
5. Baba, Y. та ін. (2006). Coupling of STIM1 to store-operated Ca²⁺ entry through its constitutive and inducible movement in the endoplasmic reticulum. PNAS. 103 (45): 16704—16709. doi:10.1073/pnas.0608358103. PMC 1636519. PMID 17075073.
6. Joseph, Suresh K.; Hajnóczky, György (6 лютого 2007). IP3 receptors in cell survival and apoptosis: Ca2+ release and beyond. Apoptosis. 12 (5): 951—968. doi:10.1007/s10495-007-0719-7. ISSN 1360-8185. Архів оригіналу за 25 березня 2016. Процитовано 8 червня 2016.
7. Ali ES, Hua J, Wilson CH, Tallis GA, Zhou FH, Rychkov GY, Barritt GJ. The glucagon-like peptide-1 analogue exendin-4 reverses impaired intracellular Ca2+ signalling in steatotic hepatocytes. BBA-Molecular Cell Research. doi:10.1016/j.bbamcr.2016.05.006.
8. Koolman, Jan; Röhm, Klaus-Heinrich (2005). Color Atlas of Biochemistry. New York: Thieme. ISBN 1-58890-247-1.
9. Berg, Jeremy; Tymoczko, John L.; Gatto, Gregory J.; Stryer, Lubert (2015). Biochemistry (вид. Eighth). New York, NY: W.H. Freeman and Company. с. 407. ISBN 978-1-4641-2610-9.
10. Ivannikov, M. та ін. (2013). Mitochondrial Free Ca²⁺ Levels and Their Effects on Energy Metabolism in Drosophila Motor Nerve Terminals. Biophys. J. 104 (11): 2353—2361. doi:10.1016/j.bpj.2013.03.064. PMC 3672877. PMID 23746507.
11. Ivannikov, M. та ін. (2013). Synaptic vesicle exocytosis in hippocampal synaptosomes correlates directly with total mitochondrial volume. J. Mol. Neurosci. 49 (1): 223—230. doi:10.1007/s12031-012-9848-8. PMID 22772899.