La codificación de calcio (también denominada codificación de Ca 2+ o procesamiento de información de calcio ) es una vía de señalización intracelular utilizada por muchas células para transferir , procesar y codificar información externa detectada por la célula. En fisiología celular , la información externa a menudo se convierte en dinámica de calcio intracelular . El concepto de codificación del calcio explica cómo los iones Ca 2+ actúan como mensajeros intracelulares , transmitiendo información dentro de las células para regular su actividad. [1] Dada la ubicuidad de losionesCa 2+ en la fisiología celular , lacodificación delCa 2+ también se ha sugerido como una herramienta potencial para caracterizar la fisiología celular en la salud y la enfermedad. [2] [3] [4] Las bases matemáticas de lacodificaciónde Ca 2+ han sido pioneras en el trabajo de Joel Keizer y Hans G. Othmer sobre el modelado de calcio en la década de 1990 y, más recientemente, han sido revisadas por Eshel Ben-Jacob , Herbert Levine y compañeros de trabajo.
Aunque las elevaciones de Ca 2+ son necesarias para que actúe como señal, los aumentos prolongados de la concentración de Ca 2+ en el citoplasma pueden ser letales para la célula. Por lo tanto, las células evitan la muerte entregando señales de Ca 2+ como transitorios breves , es decir, elevaciones de Ca 2+ seguidas de una rápida desintegración , o en forma de oscilaciones . En analogía con la teoría de la información , la amplitud o la frecuencia o ambas características de estas oscilaciones de Ca2 + definen el Ca 2+modo de codificación. Por lo tanto, se pueden distinguir tres clases de señales de Ca 2+ en función de su modo de codificación: [2] [3] [5]
Los experimentos y el modelado biofísico muestran que el modo de codificación del calcio varía de una célula a otra, y que una célula determinada podría incluso mostrar diferentes tipos de calcio que codifican diferentes condiciones fisiopatológicas. [6] [7] En última instancia, esto podría proporcionar una herramienta crucial en el diagnóstico médico para caracterizar, reconocer y prevenir enfermedades . [6]
La codificación del calcio se puede caracterizar matemáticamente mediante modelos biofísicos de señalización del calcio . [8] El análisis de plano de fase y bifurcación de estos modelos puede revelar de hecho cómo la frecuencia y amplitud de las oscilaciones de calcio varían en función de cualquier parámetro del modelo. [3] La ocurrencia de codificación AM, FM o AFM puede evaluarse en la extensión del rango mínimo-máximo de amplitud y frecuencia de las oscilaciones de Ca 2+ y la estructura de bifurcación del sistema en estudio.
Un aspecto crítico de la codificación de Ca 2+ revelado por el modelado es cómo depende de la dinámica de la compleja red de reacciones de las señales subyacentes de movilización de Ca 2+ . Este aspecto puede abordarse considerando Ca 2+ modelos que incluyen tanto Ca 2+ dinámica y la dinámica de Ca 2+ , movilizando a señales. Un modelo simple y biofísicamente realista de este tipo es el modelo ChI , desarrollado originalmente por Eshel Ben-Jacob y colaboradores, [4] para el Ca 2+ activado por inositol 1,4,5 trifosfato (IP 3 ) mediado por GPCRliberación de Ca 2+ inducida . La principal conclusión de este estudio fue que la dinámica de la señal IP 3 de movilización de Ca 2+ es esencialmente una codificación AFM con respecto al estímulo, mientras que las oscilaciones de Ca 2+ pueden ser FM o AFM, pero no únicamente AM. [4] Se argumentó que la naturaleza AFM de la señal IP 3 movilizadora de Ca 2+ podría representar la solución ideal para traducir de manera óptima señales extracelulares discontinuas o pulsadas en oscilaciones intracelulares continuas de Ca 2+ . [4]
La codificación del calcio puede estar confinada dentro de una sola célula o involucrar conjuntos de células [8] [9] y desplegar tareas computacionales esenciales, como la integración de estímulos [4] [10] o la activación regulada de la transcripción genética . [11] Además, las células a menudo se organizan en redes , lo que permite la propagación intercelular de la señalización del calcio . [9] En este sentido, el mismo modo de codificación de calcio podría ser compartido por diferentes células, proporcionando sincronización [4] o la base funcional para implementar tareas computacionales más complejas. [7]