CALMODULINA: STRUTTURA, FUNZIONI E MECCANISMO D'AZIONE - BIOLOGIA - 2024

Calmodulina è un termine che significa "proteina modulata dal calcio" e si riferisce a una piccola proteina intracellulare che ha la proprietà di legarsi allo ione calcio (Ca ++) e di mediare molte delle sue azioni intracellulari. L'origine della parola deriva dalla combinazione delle parole inglesi "calcio", "modulato" e "proteina" che, messe insieme, derivano in CAL cium MODUL ated prote IN .

Tra gli elementi minerali che entrano a far parte della costituzione degli organismi animali, il calcio, seguito dal fosforo, è di gran lunga il più abbondante, poiché l'osso è formato dalla deposizione nella sua matrice di grandi quantità di sali minerali formato da questo ione.

Schema della calmodulina e dei suoi siti leganti il ​​calcio (Fonte: PDB tramite Wikimedia Commons)

Certo, questi sali minerali del calcio sono essenziali per la costituzione e la conformazione del sistema scheletrico dei vertebrati, ma è la forma ionizzata del calcio (Ca ++) in soluzione nei fluidi corporei che acquista una rilevante importanza fisiologica per la vita degli animali. organismi.

Questo catione, con due cariche elettriche positive in eccesso nella sua struttura, può agire come trasportatore di corrente muovendosi attraverso la membrana cellulare e modificando il suo livello di potenziale elettrico in molte delle cellule eccitabili del corpo, principalmente nel muscolo cardiaco.

Ma di maggiore rilevanza fisiologica è il fatto che molte reazioni di regolazione cellulare innescate da stimoli esterni, come neurotrasmettitori, ormoni o altri fattori fisici o biochimici, sono specie di cascate metaboliche in cui partecipano sequenzialmente diverse proteine, alcune delle quali sono enzimi che richiedono calcio per la loro attivazione o inattivazione.

Si dice poi in questi casi che il calcio funge da secondo messaggero in una cascata metabolica destinata ad avere un risultato finale che sarebbe come la risposta cellulare necessaria a soddisfare un bisogno rilevato ad un livello diverso da quello della cellula stessa, e che richiede sua quella risposta particolare.

Il calcio può agire direttamente sul suo target biochimico per influenzarne l'attività, ma spesso richiede la partecipazione di una proteina con cui deve legarsi per esercitare il suo effetto sulla proteina (e) da modificare. La calmodulina è una di quelle proteine ​​mediatore.

Struttura

La calmodulina, che è altamente onnipresente, poiché è espressa in quasi tutti i tipi di cellule negli organismi eucariotici, è una piccola proteina acida con un peso molecolare di circa 17 kDa, la cui struttura è altamente conservata tra le specie.

È una proteina monomerica, cioè costituita da un'unica catena polipeptidica, che alle sue estremità terminali assume la forma di domini globulari uniti da una alfa elica. Ogni dominio globulare ha due motivi noti come mano EF (mano EF) che sono tipici delle proteine ​​leganti il ​​calcio.

Calmodulina legata a quattro ioni di calcio (Fonte: Webridge tramite Wikimedia Commons)

Questi motivi topologici "mano EF" rappresentano una sorta di strutture supersecondarie; Sono collegati tra loro, in ogni dominio globulare, da una regione di grande flessibilità e in ognuno di essi è presente un sito di legame per Ca ++, che produce 4 siti in totale per ogni molecola di calmodulina.

Il legame di ioni calcio caricati positivamente è reso possibile dalla presenza di residui di amminoacidi con catene laterali caricate negativamente nei siti di legame del calcio della calmodulina. Questi residui sono tre aspartati e un glutammato.

Funzioni di calmodulina

Tutte le funzioni finora conosciute della calmodulina sono inquadrate in un gruppo di azioni promosse dall'aumento del calcio citosolico prodotto dal suo ingresso dallo spazio extracellulare o dalla sua uscita dai depositi intracellulari: mitocondri e reticolo endoplasmatico.

Molte delle azioni del calcio sono svolte da questo ione che agisce direttamente sulle sue proteine ​​bersaglio, che possono essere di diverso tipo e funzione. Alcune di queste proteine ​​non possono essere direttamente influenzate, ma richiedono che il calcio si leghi alla calmodulina ed è questo complesso che agisce sulla proteina influenzata dallo ione.

Si dice che queste proteine ​​bersaglio siano calcio-calmodulina dipendenti e includano dozzine di enzimi, come proteine ​​chinasi, proteine ​​fosfatasi, nucleotidi ciclasi e fosfodiesterasi; tutti coinvolti in una miriade di funzioni fisiologiche tra cui:

- Il metabolismo

- Il trasporto di particelle

- Mobilità viscerale

- La secrezione di sostanze

- Fecondazione degli ovuli

- Espressione genetica

- Proliferazione cellulare

- L'integrità strutturale delle cellule

- Comunicazione intercellulare, ecc.

Tra le protein chinasi calmodulino-dipendenti, sono menzionate le seguenti: chinasi della catena leggera della miosina (MLCK), chinasi fosforilasi e chinasi Ca ++ / calmodulina I, II e III.

Pertanto, l'informazione codificata dai segnali del calcio (aumento o diminuzione della sua concentrazione intracellulare) viene “decodificata” da questa e da altre proteine ​​leganti il ​​calcio, che convertono i segnali in cambiamenti biochimici; in altre parole, la calmodulina è una proteina intermedia nei processi di segnalazione calcio-dipendenti.

Meccanismo di azione

La calmodulina è una proteina molto versatile, poiché le sue proteine ​​"bersaglio" sono notevolmente diverse per forma, sequenza, dimensioni e funzione. Essendo una proteina che funge da “sensore” per gli ioni calcio, il suo meccanismo d'azione dipende dai cambiamenti indotti nella sua struttura e / o conformazione una volta che si lega a quattro di questi ioni.

I suoi meccanismi d'azione possono essere esemplificati rivedendo brevemente la sua partecipazione a un paio di processi fisiologici come la contrazione della muscolatura liscia viscerale e l'adattamento agli odori subiti dalle cellule ciliate della mucosa olfattiva del naso.

Calmodulina e contrazione della muscolatura liscia

Struttura dei ponti incrociati di miosina 1A e calmodulina nei fasci di actina dei microvilli. Fonte: Jeffrey W. Brown, C. James McKnight

La contrazione dei muscoli scheletrici e cardiaci si attiva quando l'aumento del Ca ++ citosolico raggiunge livelli superiori a 10-6 mol / le questo ione si lega alla troponina C, che subisce modifiche allosteriche che influenzano la tropomiosina. A sua volta, la tropomiosina si muove, esponendo i suoi siti di legame della miosina nell'actina, provocando l'attivazione del processo contrattile.

La troponina C non esiste nella muscolatura liscia e l'aumento del Ca ++ al di sopra del livello indicato ne favorisce il legame con la calmodulina. Il complesso Ca-calmodulina attiva la chinasi della catena leggera della miosina (MLCK), che a sua volta fosforila questa catena leggera, attiva la miosina e innesca il processo contrattile.

L'aumento del Ca ++ avviene per il suo ingresso dall'esterno o per la sua uscita dal reticolo sarcoplasmatico per azione dell'inositolo trifosfato (IP3) rilasciato dalla fosfolipasi C nella cascata attivata da recettori accoppiati alla proteina Gq. Il rilassamento si verifica quando il Ca ++, per azione dei trasportatori, viene rimosso dal citosol e ritorna ai suoi siti di origine.

Una differenza importante tra entrambi i tipi di contrazione è che nei muscoli striati (cardiaco e scheletrico) il Ca ++ induce cambiamenti allosterici legandosi con la sua proteina, la troponina, mentre nella muscolatura liscia i cambiamenti prodotti dalla Ca-calmodulina sono covalenti e implicano fosforilazione della miosina.

Pertanto, una volta terminata l'azione del Ca ++, è necessaria la partecipazione di un altro enzima per rimuovere il fosfato aggiunto dalla chinasi. Questo nuovo enzima è la fosfatasi a catena leggera della miosina (MLCP) la cui attività non dipende dalla calmodulina, ma è regolata da altre vie.

In realtà, il processo contrattile della muscolatura liscia non cessa completamente, ma il grado di contrazione rimane a un livello intermedio per effetto dell'equilibrio delle azioni di entrambi gli enzimi, l'MLCK controllato da Ca ++ e calmodulina, e l'MLCP sottoposto ad altri controlli regolamentari.

Adattamento in sensori olfattivi

La sensazione odorosa viene attivata quando vengono attivati ​​i recettori olfattivi situati nelle ciglia delle cellule situate sulla superficie della mucosa olfattiva.

Questi recettori sono accoppiati a una proteina G eterotrimerica nota come "Golf" (proteina G olfattiva), che ha tre subunità: "αolf", "ß" e "γ".

Quando i recettori olfattivi vengono attivati ​​in risposta a un odore, le subunità di questa proteina si dissociano e la subunità "αolf" attiva l'enzima adenil ciclasi, producendo adenosina monofosfato ciclico (cAMP).

Il cAMP attiva canali simili a CNG (attivati ​​da nucleotidi ciclici) per calcio e sodio. Questi ioni entrano nella cellula, la depolarizzano e provocano l'inizio di potenziali d'azione la cui frequenza determinerà l'intensità dell'odore.

Il calcio che entra, che tende a depolarizzare la cellula, ha un effetto antagonistico di feedback negativo, un po 'più tardi, legandosi alla calmodulina e tra loro chiudendo il canale ed eliminando lo stimolo depolarizzante, anche se lo stimolo odoroso persiste . Questo si chiama corrispondenza del sensore.

Calmodulina nelle piante

Le piante rispondono anche alle differenze nella concentrazione intracellulare di ioni calcio per mezzo della proteina calmodulina. In questi organismi, le calmoduline condividono molte caratteristiche strutturali e funzionali con le loro controparti animali e di lievito, sebbene differiscano in alcuni aspetti funzionali.

Ad esempio, la calmodulina nelle piante si lega a brevi sequenze peptidiche all'interno delle loro proteine ​​bersaglio, inducendo cambiamenti strutturali che alterano le loro attività in risposta alle variazioni interne del calcio.

Fino a che punto la calmodulina controlli processi analoghi a quelli che avvengono negli animali nelle piante è ancora oggi oggetto di discussione.

Riferimenti

1. Brenner B: Musculatur, in: Physiologie, 6a ed. R Klinke et al (eds). Stoccarda, Georg Thieme Verlag, 2010.
2. Ganong WF: Base cellulare e molecolare di fisiologia medica, in: Review of Medical Physiology, 25th ed. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
3. Guyton AC, Hall JE: Introduction to endocrinology, in: Textbook of Medical Physiology, 13th ed, AC Guyton, JE Hall (eds). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
4. Kaup UB, Müller F: Olfactorisches System, In: Physiologie, 4a ed; 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, 6a edizione; R Klinke et al (eds). Stoccarda, Georg Thieme Verlag, 2010.
6. Zielinski, RE (1998). Calmodulina e proteine ​​leganti la calmodulina nelle piante. Revisione annuale della biologia vegetale, 49 (1), 697-725.