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 . El Ca 2+ puede actuar en la transducción de señales resultante de la activación de canales iónicos o como un segundo mensajero provocado por vías de transducción de señales indirectas comoG receptores acoplados a proteínas .
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. [1] [2] 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 . [1]
Vía de la fosfolipasa C
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) .
- Muchos receptores de la superficie celular , incluidos los receptores acoplados a proteína G y los receptores tirosina quinasas , activan la enzima PLC.
- PLC utiliza la hidrólisis del fosfolípido de membrana PIP 2 para formar IP 3 y diacilglicerol (DAG), dos mensajeros secundarios clásicos.
- El DAG se adhiere a la membrana plasmática y recluta la proteína quinasa C (PKC).
- IP 3 se difunde al ER y se une al receptor IP3 .
- El receptor IP 3 sirve como canal de Ca 2+ y libera Ca 2+ del ER.
- El Ca 2+ se une a la PKC y otras proteínas y las activa. [3]
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 ). [4] Este flujo de entrada de Ca 2+ se conoce como Ca 2+ Ca activa -RELEASE- 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, [5] fosfato de dinucleótido de adenina y ácido nicotínico (NAADP), [6] y la proteína STIM 1 [7] como posibles mediadores de ICRAC.
Como segundo mensajero
El calcio es un segundo mensajero omnipresente con funciones fisiológicas de amplio espectro. [2] Estos incluyen contracción muscular , transmisión neuronal (como en una sinapsis excitadora ), motilidad celular (incluido el movimiento de flagelos y cilios ), fertilización , crecimiento celular (proliferación), neurogénesis , aprendizaje y memoria, como ocurre con la plasticidad sináptica y la secreción. de saliva . [8] [9] Los altos niveles de Ca 2+ citoplásmico también pueden hacer que la célula sufra apoptosis . [10] Otras funciones bioquímicas del calcio incluyen la regulación de la actividad enzimática , la permeabilidad de los canales iónicos , [11] la actividad de las bombas de iones y los componentes del citoesqueleto . [12]
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. [13] Además de la calmodulina, existen muchas otras proteínas de unión a Ca 2+ que median los efectos biológicos del Ca 2+ .
En contracciones musculares
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. [14]
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 los depósitos internos 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. [15]
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 . [16] [17]
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. [18]
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 . [19] También se ha visto que algunos sistemas modelo mezclan estos métodos, como se ve con los mamíferos. [20] [21] Una vez que el Ca 2+ se libera del RE, el huevo comienza el proceso de formación de un pronúcleo fusionado y el reinicio del ciclo celular mitótico. [22] 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
- ^ a b Clapham DE (diciembre de 2007). "Señalización de calcio". Celular . 131 (6): 1047–58. doi : 10.1016 / j.cell.2007.11.028 . PMID 18083096 . S2CID 15087548 .
- ^ a b Demaurex N, Nunes P (abril de 2016). "El papel de las proteínas STIM y ORAI en las células inmunes fagocíticas" . Revista estadounidense de fisiología. Fisiología celular . 310 (7): C496-508. doi : 10.1152 / ajpcell.00360.2015 . PMC 4824159 . PMID 26764049 .
- ^ Alberts B, Bray D, Hopkin K, Johnson A, Lewis J, Raff MC, Roberts K, Walter P (2014). Biología celular esencial (4ª ed.). Nueva York, NY: Garland Science. págs. 548–549. ISBN 978-0-8153-4454-4.
- ^ Putney JW, Tomita T (enero de 2012). "Señalización de fosfolipasa C y afluencia de calcio" . Avances en Regulación Biológica . 52 (1): 152–64. doi : 10.1016 / j.advenzreg.2011.09.005 . PMC 3560308 . PMID 21933679 .
- ^ Csutora P, Zarayskiy V, Peter K, Monje F, Smani T, Zakharov SI, et al. (Noviembre de 2006). "Mecanismo de activación para la entrada de Ca2 + operada por el almacén y la corriente CRAC: factor de afluencia de calcio y vía mediada por fosfolipasa A2beta independiente de Ca2 +" . La revista de química biológica . 281 (46): 34926–35. doi : 10.1074 / jbc.M606504200 . PMID 17003039 .
- ^ Moccia F, Lim D, Nusco GA, Ercolano E, Santella L (octubre de 2003). "NAADP activa una corriente de Ca2 + que depende del citoesqueleto de F-actina". Revista FASEB . 17 (13): 1907–9. doi : 10.1096 / fj.03-0178fje . PMID 12923070 . S2CID 16982891 .
- ^ Baba Y, Hayashi K, Fujii Y, Mizushima A, Watarai H, Wakamori M, et al. (Noviembre de 2006). "Acoplamiento de STIM1 a la entrada de Ca2 + operada por almacenamiento a través de su movimiento constitutivo e inducible en el retículo endoplásmico" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 103 (45): 16704–9. Código Bibliográfico : 2006PNAS..10316704B . doi : 10.1073 / pnas.0608358103 . PMC 1636519 . PMID 17075073 .
- ^ Rash BG, Ackman JB, Rakic P (febrero de 2016). "La actividad de Ca (2+) radial bidireccional regula la neurogénesis y la migración durante la formación temprana de la columna cortical" . Avances científicos . 2 (2): e1501733. Código bibliográfico : 2016SciA .... 2E1733R . doi : 10.1126 / sciadv.1501733 . PMC 4771444 . PMID 26933693 .
- ^ Berridge MJ, Lipp P, Bootman MD (octubre de 2000). "La versatilidad y universalidad de la señalización del calcio". Reseñas de la naturaleza. Biología celular molecular . 1 (1): 11-21. doi : 10.1038 / 35036035 . PMID 11413485 . S2CID 13150466 .
- ^ Joseph SK, Hajnóczky G (mayo de 2007). "Receptores IP3 en supervivencia celular y apoptosis: liberación de Ca2 + y más allá" . Apoptosis . 12 (5): 951–68. doi : 10.1007 / s10495-007-0719-7 . PMID 17294082 .
- ^ Ali ES, Hua J, Wilson CH, Tallis GA, Zhou FH, Rychkov GY, Barritt GJ (septiembre de 2016). "El análogo del péptido 1 similar al glucagón exendina-4 invierte la señalización intracelular de Ca (2+) alterada en los hepatocitos esteatóticos" . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Investigación de células moleculares . 1863 (9): 2135–46. doi : 10.1016 / j.bbamcr.2016.05.006 . PMID 27178543 .
- ^ Koolman J, Röhm K (2005). Atlas de color de bioquímica . Nueva York: Thieme. ISBN 978-1-58890-247-4.
- ^ Berg J, Tymoczko JL, Gatto GJ, Stryer L (2015). Bioquímica (octava ed.). Nueva York, NY: WH Freeman and Company. pag. 407. ISBN 978-1-4641-2610-9.
- ^ Baylor SM, Hollingworth S (mayo de 2011). "Indicadores de calcio y señalización de calcio en las fibras del músculo esquelético durante el acoplamiento de excitación-contracción" . Avances en Biofísica y Biología Molecular . 105 (3): 162–79. doi : 10.1016 / j.pbiomolbio.2010.06.001 . PMC 2974769 . PMID 20599552 .
- ^ Hill-Eubanks DC, Werner ME, Heppner TJ, Nelson MT (septiembre de 2011). "Señalización de calcio en músculo liso" . Perspectivas de Cold Spring Harbor en biología . 3 (9): a004549. doi : 10.1101 / cshperspect.a004549 . PMC 3181028 . PMID 21709182 .
- ^ Ivannikov MV, Macleod GT (junio de 2013). "Los niveles de Ca²⁺ libre mitocondrial y sus efectos sobre el metabolismo energético en las terminales nerviosas motoras de Drosophila" . Revista biofísica . 104 (11): 2353–61. Código Bibliográfico : 2013BpJ ... 104.2353I . doi : 10.1016 / j.bpj.2013.03.064 . PMC 3672877 . PMID 23746507 .
- ^ Ivannikov MV, Sugimori M, Llinás RR (enero de 2013). "La exocitosis de vesículas sinápticas en los sinaptosomas del hipocampo se correlaciona directamente con el volumen mitocondrial total" . Revista de Neurociencia Molecular . 49 (1): 223-30. doi : 10.1007 / s12031-012-9848-8 . PMC 3488359 . PMID 22772899 .
- ^ Berridge MJ (julio de 1998). "Señalización de calcio neuronal". Neurona . 21 (1): 13-26. doi : 10.1016 / S0896-6273 (00) 80510-3 . PMID 9697848 . S2CID 2454323 .
- ^ Kashir J, Deguchi R, Jones C, Coward K, Stricker SA (octubre de 2013). "Biología comparativa de los factores de los espermatozoides y las señales de calcio inducidas por la fertilización en todo el reino animal". Reproducción y desarrollo molecular . 80 (10): 787–815. doi : 10.1002 / mrd.22222 . PMID 23900730 . S2CID 1075539 .
- ^ Ohto U, Ishida H, Krayukhina E, Uchiyama S, Inoue N, Shimizu T (junio de 2016). "La estructura de IZUMO1-JUNO revela el reconocimiento de espermatozoides-ovocitos durante la fertilización de mamíferos". Naturaleza . 534 (7608): 566–9. Código Bib : 2016Natur.534..566O . doi : 10.1038 / nature18596 . PMID 27309808 . S2CID 4460677 .
- ^ Swann K, Lai FA (enero de 2016). "Activación del huevo en la fertilización por una proteína de esperma soluble". Revisiones fisiológicas . 96 (1): 127–49. doi : 10.1152 / physrev.00012.2015 . PMID 26631595 .
- ^ Gilbert, Scott F., 1949- (15 de junio de 2016). Biología del desarrollo . Barresi, Michael JF, 1974- (undécima ed.). Sunderland, Massachusetts. pag. 221. ISBN 978-1-60535-470-5. OCLC 945169933 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
Otras lecturas
- Petersen OH (2005). "Señalización de Ca2 + 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 .