Tema 6 (2017)

Apunte Español
Universidad Universidad Rovira y Virgili (URV)
Grado Bioquímica y Biología Molecular - 2º curso
Asignatura Señalización
Año del apunte 2017
Páginas 9
Fecha de subida 02/10/2017
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Tema 6: Calcio El calcio es uno de los segundos mensajeros más conocidos. Es muy importante en el funcionamiento celular ya que en las proteínas G que activan el inositol difosfato, el siguiente componente de cascada es un canal de calcio.
El calcio formará parte de muchas cascadas de señalización, pero lo hará de maneras diferentes en cada una de ellas. La característica principal es que dará señal por el aumento de su concentración en el citosol. La problemática es que la célula no puede ni crear ni destruir el calcio al ser este un ión, por tanto, la estrategia será transportarlo por los compartimentos. Para hacerlo, hay un sistema de canales y de bombas que permiten transportar este compuesto de un lado a otro. Es decir, el calcio podrá difundir el mensaje fácilmente hacia otras partes de la célula (igual que los AMPc).
Contenidos: 1. Proteínas dependientes de calcio. Calmodulina.
2. Control de la concentración intracelular de calcio y almacenes intracelulares de calcio.
1. PROTEÍNAS DEPENDIENTES DE CALCIO Estos tipos de proteínas tienen dos funciones: - Actuar como componente siguiente de cascada, es decir, que se activan con calcio Ligar calcio libre por tal de bajar la concentración de estas en la célula. No pasarán señal ni tendrán dominios.
Las proteínas han de tener un dominio que les permita ligar calcio. El calcio se une en átomos de oxígeno (en 5 o 6), los cuales normalmente se encuentran en cadenas laterales de glutamato y aspartato (entorno ácido). Se conocen dos tipos de dominios diferentes que son capaces de ligar calcio, y a partir de estos, se distinguen dos tipos de proteínas:  Proteínas con dominio C2: está constituido por 120 aminoácidos que se encuentran plegados en hojas beta antiparalelas. En estas, habrá glutamato y aspartato para retener el calcio. Además tienen la capacidad de hacer migrar el calcio hacia la membrana.
Ejemplo: la PKC son proteínas que se asocian a la membrana e interaccionan con los gliceroles con tal de que se activen.
 Proteínas con dominio EF-Hand: son una superfamilia de la cual se derivan 16 familias diferentes. La primera proteína que se estudió con este dominio fue la prealbúmina, que se encuentra de forma abundante en las neuronas. Su estructura está basada en dos hélices (E y F) entre las cuales se encontrará el calcio (forman una mano).
La mayoría de estas proteínas tienen más de un lugar de unión (más de un dominio), los cuales pueden, o no, tener efectos cooperativos entre ellos. Su clasificación depende del número y la estructura de estos dominios.
Ejemplo: la Troponina C está relacionada con la contracción muscular esquelética. Cuando se libera calcio del retículo Sarcoplasmático, este se une a las troponinas C. Esta unión provoca un cambio conformacional que impide que la troponina inhiba la unión actina-miosina y, por tanto, el músculo se contrae.
Ejemplo: Muchas veces, se pueden encontrar cascadas donde los siguientes componentes de cascada no tienen ninguno de los dos dominios con capacidad de captar calcio. Estos utilizarán una proteína específica como intermediario: la calmodulina. El calcio unido a la calmodulina será el que activará el siguiente componente de cascada. Todo que esta proteína interviene en muchas cascadas, a veces no aparece en el esquema. Eso es debido a que se da por sobreentendida ya que ella en sí no tiene ninguna otra función, solo hace de intermediaria.
La calmodulina estará de forma libre y se puede situar o bien al costado de la proteína que será el siguiente componente de cascada; o bien formando parte de la estructura cuaternaria de esta (forman grandes complejos). Ca2+-CaM (calmodulina ligada a calcio) y Apo-CaM (no tiene calcio ligado).
Tiene dos dominios globulares formados, cada uno, por EF-hand (puede ligar 4 átomos de calcio) y su distribución es ubicua, es decir, se puede encontrar en todos los lados.
Se caracteriza por tener una forma de pesa en su estado de reposo (dos dominios EF-hand en cada extremo), que padece un cambio conformacional muy fuerte al unirse al calcio. Este cambio provoca que los aminoácidos (normalmente con polaridad) que se encontraban en el interior de la estructura globular salgan al exterior y se unan al siguiente componente de cascada (aparecen nuevas zonas de contacto e hidrofóbicas). Con tal de unírsele, la CaM abraza uno o más dominios de la proteína haciendo que cambe la función (se activará y, por tanto, pasará señal; o se reprimirá). Es decir, el siguiente componente de cascada será una proteína ligadora de calcio-calmodulina (Ca2+CaM), solo que algunas estará controladas por la calmodulina.
La afinidad de la calmodulina por el calcio es de 10-6 M, la cual es la concentración de calcio en el citosol cuando hay señal, por tanto, cuando haya señal de calcio, la calmodulina siempre estará ligada a este.
Proteínas que formarán parte de la cascada de calcio pero su efecto está mediado por la CaM.
1. Proteínas del citosol (verde con rojo). Muchos enzimas del metabolismo, como por ejemplo, la glicógeno-sintasa-quinasa, están activados por la proteína calcio-CaM. La glicógeno-sintasa-quinasa, al activarse (por aumento de calcio) se fosforila y no fabrica glicógeno (esta, aparte de por calcio, también será controlada por AMPc). Aumento de calcio normalmente hace que aumente la glucosa y se degrade glicógeno.
2. Quinasa de la cadena ligera de la miosina, componente d la musculatura lisa. Cuando esta se activa, la miosina se fosforila y hay contracción. La actividad de la mayoría de canales de calcio también está controlada por la misma CaM, la cual controla la entrada y salida de Ca y la apertura y cierre de las conexiones.
3. A través de calcio calmodulina las que más se activan son las quinasas. El calcio actúa activando las CaM quinasas. Calcineurina es una fosfatasa dependiente de calcio y de calmodulina. El calcio a través de calmodulina modulará una gran cantidad de proteínas del citoesqueleto. A través de CaM regulará la apertura y el cierre de las Gap junctions. No solo modula las actividades enzimáticas en el citosol, sino que hay una serie de enzimas que se activarán o reprimirán por el calcio. Eso permitirá que se activen tanto en el núcleo como en la mitocondria.
4. Hay una serie de receptores y componentes de cascadas que se modularán por el calcio con CaM.
Las cascadas no trabajan de manera única o sola por lo que interaccionan entre ellas.
5. Otro aspecto que controla calcio calmodulina es en todo lo que hace referencia a movimientos de calcio dentro de la célula. Controla canales de calcio en el retículo endoplasmático o canales en la membrana plasmática. El hecho de que calcio calmodulina controle canales y bombas ayudará a que se acabe la señal de calcio.
2. CONTROL DE LA CONCENTRACIÓN INTRACELULAR DE CALCIO Y ALMACENES INTRACELULARES DE CALCIO Control de la concentración de calcio en el citosol: En estado basal, la concentración de calcio es de 10-7 M y cuando se activa la señal 10-6. La concentración de calcio fuera de la célula es muy alta (10-3) y, por tanto, se puede utilizar para aumentar la concentración intracelular (gran ventaja) ya que se puede considerar como una fuente inacabable de calcio ya que con un cambio muy pequeño de la permeabilidad de la membrana podrá entrar mucho.
El calcio funciona muy bien como segundo mensajero porque puede difundir. Por tal de modificar la concentración intracelular, se cambia la permeabilidad de la membrana mediante la apertura/cierre de canales de calcio. La elevada concentración en el exterior, supone un problema ya que si en la membrana hay un daño, el interior se inundará de calcio por lo que se ha de mantener la gran diferencia de gradiente entre los dos medios. Este hecho implica, entonces, que la membrana plasmática tendrá sistemas para bombear calcio, muy potentes, que suponen una gran reserva energética. De hecho, la mayoría de energía que gastamos diariamente se utiliza para mantener el gradiente de este ión.
Muchas cascadas en las que interviene el calcio, este proviene del retículo endoplasmático, y por tanto, necesitamos un sistema que permita extraer el calcio de este orgánulo y un sistema de canales que permita bajar los niveles de calcio una vez producida la señal. En otras cascadas, el calcio será originario de la membrana plasmática recibiendo la señal del citosol. Por tal de que pueda entrar el calcio, muchos receptores serán canales de calcio, los cuales son estructuras muy complejas formadas por diferentes subunidades. Para realizar el transporte activo, tendremos bombas y canales en el retículo mientras que en la membrana habrá canales, bombas y transportadores.
Otra manera de poder aumentar la concentración de calcio dentro de la célula son als uniones GAP.
Estas conexiones permiten difundir calcio de una célula a otra, y por tanto, sincronizarlas. Por tanto, la cascada de la célula vecina se pone a funcionar al nivel de donde actua el calcio, es decir, no necesita una señal de medio extracelular y pasar por todos los niveles de la cascada anteriores. Además, las células pueden controlar cuanto Ca reciben de la célula vecina.
Existen mecanismos para garantizar la salida de Ca de la célula con tal de llegar una vez al nivel basal, es decir serán sistemas que transportan el Ca en contra del gradiente y, por tanto, se gastará energía. Se diferencian 2 tipos de transporte contra gradiente: - - ATP-asa de calcio: Funciona como una ATP-asa normal, es decir, el ATP ayuda a pasar el calcio. Se considera que la ATPasa tiene alta afinidad por el calcio porque puede trabajar a concentraciones bajas de este pero su velocidad de transporte es baja. La ATP-asa más conocida es la PMCA (plasma membrana calcium atpasa), de la cual existen diferentes formas a causa de la existencia de diferentes genes que codifican para este canal. Se caracteriza por pasar 10 veces la membrana, pero la mayoría de la cadena están en el cantón citosólico ya que es allí donde tiene los dominios de unión al ATP y al Ca-CaM. Esta última se activará cuando la concentración de calcio sea alta.
Sistemas intercambiadores: Hay dos tipos: Denominados NCX que hace calcio a cambio de sodio y NKCX. Sacan calcio en contra de gradiente mediante el cotransporte con sodio, el cual será a favor de gradiente (se aprovecha energía). Se trata de un transporte secundario donde no se utiliza ATP directamente, pero el gradiente se ha de mantener mediante una ATP-asa sódico potásica. Los intercambiadores necesitan que haya una concentración elevada de calcio, pero su velocidad es alta por lo que sacarán alta cantidad de calcio por segundo.
Primero se activarían los intercambiadores para bajar la concentración de calcio. Cuando la diferencia de calcio con los niveles basales no fuese tan grande, entonces, actuarían las ATP-asas que, poco a poco, retornarían las concentraciones de calcio de célula a nivel basal (10-7).
PMCA Bomba de calcio formada por una cadena polipeptídica muy grande. La mayor parte de la cadena se encuentra dentro de la célula, serán estos grupos intracelulares los que tendrán actividad ATPasa. En rojo está el dominio de unión de la calmodulina cuando esta está ligada al calcio. Si no hay calmodulina ligada esta zona estará plegada de manera que la zona gris esté colocada sobre la zona azul inactivando la atpasa.
Loops con puntos rojos son los que tienen activada para sacar calcio al exterior. Azul – Z dominio de unión a la calmodulina.
Cuando no hay señal de calcio, este dominio se encuentra encima del dominio de unión al ATP y al calcio por lo que la ATPasa no funciona. Cuando hay señal de calcio, la calmodulina se unirá en el dominio (spice cite C) provocando un cambio conformacional que hará que la zona de la ATPasa quede libre y sea activa.
Membrana plasmática: entrada de Ca Una manera de entrad de calcio en la célula es por lo canales de calcio, de los cuales hay 4 tipos: - - - - - CaVs (canales mediados por voltaje): la mayoría de estos canales están controlados por voltaje. Por ejemplo, en el tejido muscular encontramos canales que podrán estar abiertos o cerrados dependiendo de la polaridad de las moléculas.
TRP (transient receptor potential): canales especiales que se encuentran en muchas células que dan información sentidos o situaciones. Su función principales detectar la presión osmótica. Pueden estar activados por diferentes estímulos como, por ejemplo, termoreceptores, papilas gustativas, etc.
Canales ligados a ligandos (gated by ligands): estos canales son dependientes de la subunidad βγ, del AMPc, etc. Cuando la concentración del componente de cascada que los activa aumenta, se activan.
SOCs (Store-operated channels): son canales de calcio que solo se abren cuando la reserva de calcio en el retículo endoplasmático es muy baja. Su función es que entre calcio del exterior por tal de que el retículo endoplasmático pueda captarlo.
Normalmente, no intervienen en las cascadas de señalización, solo intervendrían si la concentración de calcio en RE bajara.
Gap junctions La misma señal de calcio aumentada que provocará los cambios conformacionales de las proteínas, también aumentará el sistema de eliminación de señal. Normalmente la eliminación de calcio no solo estará regulada por este, sino que en la propia ATP-asa existen diferentes dominios que condicionan su velocidad o que permiten su fosforilación. Este último hecho hace que se puedan relacionar las cascadas ya que la fosforilación está regulada por AMPc.
El calcio es muy importante como señal ya que los niveles de este están controlados en todos los orgánulos. Se pensaba que en el núcleo, al tener poros, el calcio entraba y salía libremente, pero no. De hecho, en cada orgánulo se encuentran niveles de calcio diferentes, por tanto existen sistemas que permiten controlarlos.
ALMACÉN INTRACELULAR DE CA:     Núcleo Mitocondrias Aparato de Golgi Retículo endoplasmático Retículo endoplasmático El retículo acumula calcio, pero se puede utilizar para que salga hacia el citosol teniendo así canales que liberan calcio, además tendrá bomba que deje entrar calcio hacia el interior. Como el calcio dentro de este está concentrado, si se encontrase de forma libre, supondría un gradiente muy grande como para permitir el transporte. Para evitarlo, en el retículo endoplasmático existirán proteínas que se liguen a este calcio, y de esta manera, el gradiente entre el lumen del RE y el citosol estará equilibrado y así este podrá almacenarse. SERCA-ATPasa sirve para captar Ca2+ y PMCA ambas son bombas de calcio pero que se encuentran en membranas diferentes y están reguladas por mecanismos diferentes. Existen dos tipos de proteínas que ligan calcio: o o Calsequestrina: en el retículo Sarcoplasmático, el cual se encuentra en las células musculares Calreticulina: en el retículo endoplasmático, es decir, en las células no musculares.
Estas proteínas no tienen dominios C2 ni EF-hand, son proteínas muy ácidas que tienen mucho glutamato y aspartato por lo que tendrán clusters para iones de calcio.
En el retículo endoplasmático se encuentran canales que liberan calcio, los cuales serán componentes de cascada. Estos canales son muy grandes (la ryanodina lo es más) y se pueden observar con el microscopio electrónico. Existen dos tipos de canales: o Canales que se activan por inositol 1,4,5 trifosfato (InsP3): Existen diversos genes que codifican para estos receptores y, por tanto, encontraremos isómeros. Están formados por cuatro subunidades que tienen variaciones cinéticas y de regulación, pero no se sabe si se trata de un homotetrámero o un heterotetrámero.
Cada componente de este tetrámero pasa 6 veces por la membrana celular, pero la mayoría de proteína se encuentra en la parte citosólica, donde se encontrarán los lugares de unión (uno por cada monómero, es decir, se necesitarán 4 moléculas de inositol) con el InsP3R que controlará la apertura/cierre del canal. E calcio pasará sobre todos por el dominio 5 y 6.
Estos canales tienen la característica de que son canales activados por calcio y que a concentraciones muy bajas (10-7M) son inhibidos (se cierran). El inositol trifosfato mantiene los canales abiertos cuando el calcio llega a concentraciones más altas, es decir, retrasa el cierre. Por tanto, sin el inositol, estos canales no darían señal suficientemente potente, solo entraría un poco.
Una característica importante en el calcio es que encontramos cambios de concentración en zonas concretas de la célula, no en toda ella. Este hecho se consigue porque los canales se encuentran ajuntados en clústers (agrupaciones) dentro de la membrana del retículo endoplasmático. Cuando se activa un canal aumenta la concentración alrededor y hace que se abran los canales de al lado provocando, así, una onda (señal). El calcio se puede desplazar un poco y hace que los diferentes clústers se abran progresivamente.
Los canales, a la vez, son inhibidos por calcio. Al inicio de la onda, habrá suficiente calcio y los canales estarán abiertos. A medida que aumente la concentración, es decir, que avance la onda, los canales anteriores se romperán. En la membrana del retículo endoplasmático hay bombas de calcio que devuelven el ión hacia el interior.
En ausencia de inositol trifosfato, no se podrá llevar a cabo la onda ya que, se el canal saca un poco de calcio, este se romperá y, por tanto, no habrá señal. Cada célula dependiendo de las isoformas del inositol trifosfato tendrá unas características especiales que harán distinguir su señalización de otras células. Con clusters se consigue que el calcio recorra más. Cuando se libera mucho calcio (1) algunos iones de este llegan al cluster siguiente, el I3P determinará que los otros canales también se abrn.
o Canales que se activan por la Ryanodina (RyR): Antes se utilizaba como insecticida.
También están constituidos por tetrámeros, pero son más grandes. Tiene pasos transmembrana, pero la parte citosólica es mucho más grande. Los canales se activan y se inhiben por calcio dependiente de su concentración: cuando aumenta se abren hasta que llega a un cierto valor, en el que se cierran. Su medida puede ser debida a que se considera que se le puedan unir otros ligando que también controlarán su actividad.
De la misma manera, existen diferentes genes que codifican este canal y, por tanto, encontraremos isómeros. El receptor de la ryanodina es uno de los receptores más grandes que se conoce. Es enrome porque está formado por un tetrámero y tiene la zona de la parte del citosol inmensa (con la mayor parte de la cadena polipeptídica en el citosol). Entonces, si para que haya una señal solo se necesitan fragmentos transmembrana, ¿por qué este receptor es tan grande? Rojo – permite que haya una gran superficie para poder controlar la actividad del canal y para que se puedan unir otras proteínas e iones. Estos se clasifican en tres tipos los cuales estarán divididos en una gran variedad de subtipos:  Tipo 1: (a) Se encuentra en músculo esquelético.
Estos canales forman parte del retículo sarcoplasmático y están en contacto íntimo con un canal que se dependiente de voltaje. Cuando hay un estado de despolarización a causa del voltaje, esta proteína la nota (el receptor azul que cambia de conformación) y hace que se abra el canal provocando, así, la salida de calcio hacia fuera, una vez aumenta este, se volverá a cerrar.
 Tipos 2: (b) Se encuentra en la musculatura cardiaca. Cuando hay una señal como, por ejemplo, un beta adrenérgico, en la membrana hay canales de calcio dependientes de voltaje que se abrirán y hará entrar un poco de calcio. Este activará unos canales que se encuentran en el retículo sarcoplasmático y harán que salga calcio de manera masiva. Este hecho provocará que el cardiomiocito se contraiga.
 Tipo 3: es el menos conocido y se encuentra en otros tipos de células. Es equivalente a nucleótidos cíclicos, pero en este caso es un dinucleótido cíclico. El ADP ribosa cíclico mantiene los canales abiertos aumentando la concentración de calcio en la célula.
Diferentes sustancias pueden aumentar la liberación de calcio: o ADP-ribosa cíclico (cADPR): está formada por un NAD que por la acción de una ADP-ribosilciclasa (en rojo) forma un enlace interno (no directamente con el receptor sino con las proteínas que lo rodean) y se cicla. Se trata de un segundo mensajero que actúa sobre los receptores dependientes de ryanodina de tipo dos. Al interaccionar con estos, se generan ondas de calcio que provocan un aumento de la concentración de este ión.
No se conoce exactamente su mecanismo, pero se supone que el ADP ribosa cíclica actúa interaccionando sobre proteínas (tacas rojas) enganchadas al receptor y modulan la función con tal de que dé más señal.
También se considera que pueden regular las señales de Ca dentro del RE aumentando la concentración en el interior o regulando los NCRC, los cuales son canales dependientes del cADPR.
Otras moléculas que liberan Ca y de las cuales tampoco se conocen los mecanismos son: - Otras formas del inositol fosfato como, por ejemplo, el InsP4.
Esfingosina 1-fosfato NAADP Disminución de la concentración de calcio en el citosol: Con tal de parar la señal, la concentración de clacio ha de disminuir, es decir, ha de volver al retículo endoplasmático. La encargada de hacerlo es una ATPasa del mismo tipo que la ATPasa de la membrana plasmática: pasa 10 veces por la membrana, es grande y se conoce con el nombre de SERCA (sarco/endoplasmátic reticulum Ca2+-ATPase). La SERCA también tiene diferentes isoformas, concretamente existen tres tipos: - SERCA 1: músculo SERCA 2: músculo y corazón SERCA 3: no músculo Estos tipos de proteínas, y más concretamente las del tipo 2, se encuentran controladas por reguladores. Los más conocidos son la fosfolambdano y a sarcolipina.
- Mecanismo de acción de la Fosfolamdano: es una pequeña proteína que tiene un dominio transmembrana y un dominio citosólico. Cuando las proteínas SERCA de tipo 2 no han de funcionar, este regulador se le une íntimamente y las inhibe. Cuando ha de funcionar, la fosfolamdano se desengancha haciendo, así, que entre calcio al retículo. La unión o no d eeste regulador depende del nivel de fosforilación de su dominio citosólico (Dominio II), en el cual encontamos una S16 y una T17 que pueden ser fosfroiladas por quinasas dependientes de Ca-CaM.
Por tanto, cuando aumente la concentración de calcio, tmabién lo hará la concentración del complejo Ca-CaM la cula activará las quinasas que fosforilarán el dominio citosólico de la fosfolambdan. CCuando este dominio es fosforialdo, se desengancha de la proteína SERCA que hará entrar calcio al retículo. Este hecho hará que isminuya la concentración de calcio, y por tanto, que se acabe la señal.
La fosfolambdano una vez desenganchada de la SERCA formará un pentámero con cuatro fosfolambdanos fosforilados más.
Las Pka también se activarán cuando el corazón tenga una señal beta adrenérgica, y por tanto, también hará que se acabe la señal de calcio.
Cabe destacar que hay receptores de inositoltrifosfato que pueden ser inhibidos por ciertas proteínas y que en la mitocondria también se encontrarán transportadores, pero no se tratará en este tema.
Esquemas generales de una cascada de calcio: ...

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