Kalziumsignalisierung - Wikipedia

Calcium (Ca ²⁺ ) - Ionen sind wichtig für die zelluläre Signalisierung da sie einmal in das Cytosol des Cytoplasmas eintreten und allosterische regulatorische Wirkungen auf viele Enzyme und Proteine ​​ausüben . Kalzium kann bei der Signaltransduktion wirken, die aus der Aktivierung von Ionenkanälen resultiert, oder als zweiter Botenstoff, der durch indirekte Signaltransduktionswege wie G-Protein-gekoppelte Rezeptoren verursacht wird.

Calcium Concentration Regulation [ edit ]

Die Ruhekonzentration von Ca ²⁺ im Zytoplasma wird normalerweise bei etwa 100 nM gehalten 100.000-fach niedriger als die typische extrazelluläre Konzentration. ^[1][2] Um diese niedrige Konzentration aufrechtzuerhalten, wird Ca ²⁺ aktiv vom Cytosol in den extrazellulären Raum, in das endoplasmatische Retikulum (ER) und manchmal in die Mitochondrien gepumpt . Bestimmte Proteine ​​des Zytoplasmas und der Organellen wirken als Puffer, indem sie Ca ²⁺ binden. Eine Signalisierung tritt auf, wenn die Zelle zur Freisetzung von Ca ²⁺ -Ionen aus intrazellulären Speichern stimuliert wird und / oder wenn Ca ²⁺ durch Plasmamembran-Ionenkanäle in die Zelle eintritt. ^[1]

Phospholipase C Pathway [ edit ]

Phospholipase C, die PIP2 in IP3 und DAG spaltet

Spezifische Signale können einen plötzlichen Anstieg des zytoplasmatischen Ca ²⁺ 2+ bis zu 500 auslösen –1.000 nM durch Öffnen von Kanälen im endoplasmatischen Retikulum oder der Plasmamembran. Der häufigste Signalweg, der die Konzentration von zytoplasmatischem Calcium erhöht, ist der Phospholipase-C-Weg.

Die Abreicherung von Ca ²⁺ aus dem endoplasmatischen Retikulum führt zu Ca ²⁺ durch Aktivierung von "Store-Operated Channels" (SOCs) von außerhalb der Zelle. ^[4] Dieser einfließende Calciumstrom, der sich nach der Freisetzung der gespeicherten Calciumreserven ergibt, wird als Ca ²⁺ -release-aktivierter Ca ²⁺ current (ICRAC) bezeichnet. Die Mechanismen, durch die ICRAC auftritt, werden derzeit noch untersucht, obwohl zwei in Frage kommende Moleküle, Orai1 und STIM1, durch mehrere Studien verknüpft wurden, und ein Modell für den betriebseigenen Calciumzufluss unter Einbeziehung dieser Moleküle wurde vorgeschlagen. Kürzlich durchgeführte Studien haben das Phospholipase A2 beta, ^[5] Nicotinsäure-Adenin-Dinukleotidphosphat (NAADP) ^[6] und das Protein STIM 1 ^[7] als mögliche Mediatoren von ICRAC angeführt.

Die Bewegung von Ca ²⁺ -Ionen vom extrazellulären Kompartiment zum intrazellulären Kompartiment verändert das Membranpotential. Dies ist im Herzen während der Plateauphase der ventrikulären Kontraktion zu sehen. In diesem Beispiel wirkt Ca ²⁺ um die Depolarisation des Herzens aufrechtzuerhalten. Kalziumsignalisierung durch Ionenkanäle ist auch für die neuronale synaptische Übertragung von Bedeutung.

Calcium als zweiter Bote [ edit ]

Calcium ist ein allgegenwärtiger zweiter Bote mit weitreichenden physiologischen Rollen. ^[2] Dazu gehören Muskelkontraktion, neuronale Übertragung wie in einem Erregungsapparat Synapse, zelluläre Motilität (einschließlich der Bewegung von Flagellen und Zilien), Befruchtung, Zellwachstum oder -proliferation, Neurogenese, Lernen und Gedächtnis wie bei synaptischer Plastizität und Speichelsekretion. ^[8][9] Hohe zytoplasmatische Ca ²⁺ kann auch dazu führen, dass die Zelle eine Apoptose erfährt. ^[10] Andere biochemische Rollen von Calcium umfassen die Regulierung der Enzymaktivität, die Permeabilität von Ionenkanälen, ^[11] die Aktivität von Ionenpumpen und Komponenten des Zytoskeletts. ^{[12] [12]}

Viele von Ca ²⁺ vermittelten Ereignisse treten auf, wenn das freigesetzte Ca ²⁺ an das regulatorische Protein Calmodulin bindet und dieses aktiviert. Calmodulin kann Ca ²⁺ -Calmodulin-abhängige Proteinkinasen aktivieren oder kann direkt auf andere Effektorproteine ​​wirken. ^[13] Neben Calmodulin gibt es viele andere Ca ²⁺ -bindende Proteine die die biologischen Wirkungen von Ca ²⁺ vermitteln.

In Neuronen ist der gleichzeitige Anstieg des zytosolischen und mitochondrialen Ca ²⁺ für die Synchronisation der neuronalen elektrischen Aktivität mit dem mitochondrialen Energiestoffwechsel wichtig. Die Mitochondrienmatrix Ca ²⁺ kann bis zu mehreren zehn Mikromolarspiegeln erreichen, was für die Aktivierung von Isocitratdehydrogenase, einem der wichtigsten regulatorischen Enzyme des Krebszyklus, erforderlich ist. ^{[14] [15]}

In Neuronen kann der ER in einem Netzwerk dienen, das zahlreiche extrazelluläre und intrazelluläre Signale in ein binäres Membransystem mit der Plasmamembran integriert. Eine solche Assoziation mit der Plasmamembran erzeugt die relativ neue Wahrnehmung des ER und des Themas „ein Neuron in einem Neuron“. Die strukturellen Merkmale des ER, die Fähigkeit, als Ca ²⁺ zu fungieren, sinken, und spezifische Ca ²⁺ freisetzende Proteine ​​dienen dazu, ein System zu schaffen, das regenerative Wellen der Ca ²⁺ -Freisetzung erzeugen kann, das sowohl lokal als auch global in der Zelle kommunizieren kann. Diese Ca ²⁺ -Signale, die extrazelluläre und intrazelluläre Flüsse integrieren, spielen eine Rolle bei der synaptischen Plastizität und dem Gedächtnis, der Neurotransmitterfreisetzung, der neuronalen Erregbarkeit und den langfristigen Veränderungen auf der Gentranskriptionsebene. ER-Stress steht auch im Zusammenhang mit Ca ²⁺ -Signalen und kann zusammen mit der entfalteten Proteinreaktion ER-assoziierte Degradation (ERAD) und Autophagie verursachen. ^[16]

Siehe auch [ edit ]]

Referenzen [ edit ]

1. ^ ^{a b} b Clapham, DE (2007). "Kalziumsignalisierung". Cell . 131 (6): 1047–1058. Doi: 10.1016 / j.cell.2007.11.028. PMID 18083096.
   


2. ^ ^{a b} b Demaurex N, Nunes P (1. April 2016). "Die Rolle von STIM- und ORAI-Proteinen in phagozytären Immunzellen". 19459047 American Journal of Physiology. Zellphysiologie . 310 (7): C496-C508. Doi: 10.1152 / ajpcell.00360.2015. PMC 4824159 . PMID 26764049.
   


3. ^ Alberts; Schreien; Hopkin; Johnson; Raff; Lewis; Roberts; Walter (2014). Essential Cell Biology (4. Ausgabe). New York, NY: Garland Science. S. 548–549. ISBN 978-0-8153-4454-4.
   


4. ^ Putney, James W .; Tomita, Takuro (2017-05-15). "Phospholipase-C-Signalgebung und Calcium-Einstrom". Fortschritte in der biologischen Verordnung . 52 (1): 152–164. Doi: 10.1016 / j.advenzreg.2011.09.005. ISSN 2212-4926. PMC 3560308 . PMID 21933679.
   


5. ^ Csutora, P .; et al. (2006). "Aktivierungsmechanismus für CRAC-Strom und Ladenbetrieb Ca ²⁺ Eintrag". Journal of Biological Chemistry . 281 (46): 34926–34935. doi: 10.1074 / jbc.M606504200. PMID 17003039.
   


6. ^ Moccia, F .; et al. (2003). "NAADP aktiviert einen Ca ²⁺ -Strom, der vom F-Actin-Cytoskelett abhängig ist." Das FASEB-Journal . 17 (13): 1907–1909. doi: 10.1096 / fj.03-0178fje. PMID 12923070.
   


7. ^ Baba, Y .; et al. (2006). "Kopplung von STIM1 an den Ladenbetrieb von Ca ²⁺ durch seine konstitutive und induzierbare Bewegung im endoplasmatischen Retikulum". PNAS . 103 (45): 16704–16709. Bibcode: 2006PNAS..10316704B. doi: 10.1073 / pnas.0608358103. PMC 1636519 . PMID 17075073.
   


8. ^ Rash, BG; Ackman, JB; Rakic, P (26. Februar 2016). "Die bidirektionale radiale Ca (2+) - Aktivität reguliert die Neurogenese und Migration während der Bildung der frühen kortikalen Säule." Wissenschaftliche Fortschritte . 2 (2): e1501733. Bibcode: 2016SciA .... 2E1733R. doi: 10.1126 / sciadv.1501733. PMC 4771444 . PMID 26933693.
   


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10. ^ Joseph, Suresh K .; Hajnóczky, György (2007-02-06). "IP3-Rezeptoren beim Überleben der Zellen und Apoptose: Ca2 + -Freisetzung und mehr". Apoptose . 12 (5): 951–968. doi: 10.1007 / s10495-007-0719-7. ISSN 1360-8185. PMID 17294082.
    


11. ^ Ali ES, Hua J, Wilson CH, Tallis, GA, Zhou FH, Rychkov GY, Barritt GJ (2016). "Das Glucagon-ähnliche Peptid-1-Analogon Exendin-4 kehrt die gestörten intrazellulären Ca2 + -Signale in steatotischen Hepatozyten um." BBA - Molecular Cell Research . 1863 (9): 2135–2146. Doi: 10.1016 / j.bbamcr.2016.05.006. PMID 27178543.
    


12. ^ Koolman, Jan; Röhm, Klaus-Heinrich (2005). Farbatlas der Biochemie . New York: Thieme. ISBN 978-1-58890-247-4.
    


13. ^ Berg, Jeremy; Tymoczko, John L .; Gatto, Gregory J .; Stryer, Lubert (2015). Biochemistry (Achte Ausgabe). New York, NY: W.H. Freeman und Company. p. 407. ISBN 978-1-4641-2610-9.
    


14. ^ Ivannikov, M .; et al. (2013). "Mitochondrienfreies Ca ²⁺ -Niveaus und ihre Auswirkungen auf den Energiestoffwechsel in Drosophila-Motor-Nerven-Terminals". Biophys. J. 104 (11): 2353–2361. Bibcode: 2013BpJ ... 104.2353I. Doi: 10.1016 / j.bpj.2013.03.064. PMC 3672877 . PMID 23746507.
    


15. ^ Ivannikov, M .; et al. (2013). "Synaptische Vesikelexozytose in hippocampalen Synaptosomen korreliert direkt mit dem Gesamtvolumen der Mitochondrien". J. Mol. Neurosci 49 (1): 223–230. doi: 10.1007 / s12031-012-9848-8. PMC 3488359 . PMID 22772899.
    


16. ^ Berridge, M. (1998). "Neuronales Kalziumsignalisieren". Neuron . 21 (1): 13–26. doi: 10.1016 / S0896-6273 (00) 80510-3. PMID 9697848.
    

Literaturhinweise [ edit