T6, Calci (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Rovira y Virgili (URV)
Grado Bioquímica y Biología Molecular - 2º curso
Asignatura Senyalització i control del funcionament Cel·lular
Año del apunte 2014
Páginas 9
Fecha de subida 31/03/2015
Descargas 23
Subido por

Vista previa del texto

TEMA 6 Calci El calci és un segon missatger molt important.
Quan arriba la senyal, el Ca2+ augmenta de concentració, majoritàriament en el citosol.
El Ca2+ ni es crea ni es destrueix, i per a modular la seva concentració s’ha de transportar d’un lloc cap a un altre, per tant hi haurà sistemes de transport de membrana.
Quan la cèl·lula està en repòs la concentració de calci en el citoplasma és baixa, de 10-7M, i quan li arriba la senyal augmenta, i puja entre 10 i 100 vegades.
Proteïnes dependents de calci. Calmodulina.
 Proteïnes que lliguen Ca Funcions:   Les proteïnes dependents de calci són proteïnes que lliguen calci.
Hi ha dos tipus de proteïnes, segons la funció que realitzen: Segrestar ions Ca de la solució i per tant reduir la concentració de Ca Ser el component següent de la cascada (activació de la proteïna) Les proteïnes que lliguen calci tenen característiques especifiques per activar-se o reprimir-se per la unió del Ca2+. Hi ha dos sistemes diferents per a unir calci: On s’uneix el Ca2+ hi ha aspartat i glutamat → és una zona àcida El calci EF-Hand superfamily of calcium-binding és coordinat pels oxígens que contenen elproteins Asp i Glu.
   La majoria tenen més d’un lloc per unir calci, i poden tenir un comportament cooperatiu Es classifiquen en famílies segon el nombre i estructura de E-F hand Tenen funcions molt diverses. La més important és la calmodulina Aquest domini està composat per diferents hèlixs i el calci s’uneix entre l’hèlix E i F.
On s’uneix el Ca2+ hi ha aspartat i glutamat → és una zona àcida El calci és coordinat pels oxígens que contenen el Asp i Glu.
 Proteïnes amb domini C2 Habitualment són proteïnes treballen associades a la membrana Exemple: PKC, PLC Aquest domini està format per uns 120 aminoàcids i té una estructura de làmina β antiparal·lela.
Aquestes proteïnes treballen associades a la membrana.
Quan la proteïna no té calci unit es troba propera a la membrana però no unida, i quan se li uneix el calci, canvia de conformació i augmenta l’afinitat pels lípids de membrana i s’uneix a la membrana, per així fer la seva funció.
 Calmodulina (CaM) •Ubiqua → És molt petita i simètrica, es troba a tot arreu, per ajudar a proteïnes sense domini pel Calci.
•Lliga quatre àtoms de Ca → Té 4 dominis EF hand •Cadascun dels dominis globulars té 2 EF hand •Afinitat per Ca: 10-6 M (concentració de Ca2+ en el citoplasma quan hi ha senyal de Ca2+, i la calmodulina el pot lligar) La seva funció es ajudar a altres proteïnes que no tenen domini per a unir Ca2+ , i per tant no reconeixen la seva presència.
Per tant, parlem de proteïnes que són regulades pel Ca2+ però no directament, sinó mitjançant la calmodulina.
La zona del mig és molt flexible.
La calmodulina quan se li uneix Ca2+ canvia de conformació, deixant a l’exterior zones hidrofòbiques que permeten interaccionar amb una altra proteïnes activant-la o inactivant-la.
No hi ha un únic domini d’unió entre la calmodulina i la proteïna.
La calmodulina té molts sistemes d’unió segons la proteïna on s’uneix.
Moltes vegades la calmodulina es component de la mateixa proteïna.
NOMENCLATURA: Quan té calci unit: Ca2+-CaM Sense calci unit: Apo CaM  CaM-binding proteins → Proteïnes dependents de CaM Fig. 1 Cellular distribution of representative calmodulin (CaM) binding proteins at different cellular compartments including nuclei, ER and mitochondria. Calmodulin has been reported to interact with membrane proteins (e.g., ion channels, pumps, and gap junctions), cytoskeletal proteins, and a variety of enzymes in the cytoplasm.
Calmodulina controla moltes funcions: - enzims de vies metabòliques (mitocondri) - enzims components següents de cascades - enzims de dins el nucli, que regulen el DNA - el citoesquelet - mecanismes que regulen la pròpia concentració de Ca2+. Ex. Gap juntion, canals..
- receptors de factors de creixement Hi ha proteïnes que poden ser regulades per la Apo-CaM, per la calmodulina sense calci unit.
Control de la concentració intracel·lular de calci i magatzems intracel·lulars de calci.
 Control de la concentració de Calci Només que augmenti una mica la concentració, la calmodulina ja es troba activada.
A l’exterior de la cèl·lula la concentració de calci es troba molt elevada, hi ha una diferencia de 10000 vegades.
La diferencia de concentració de Calci, entre el interior i el exterior, es ser un gran benefici perquè per molts petits canvis en la permeabilitat de la membrana sempre tindrem calci. Però a la vegada pot ser un problema perquè si hi ha un problema a la membrana, la cèl·lula es pot inundar de calci i morir.
La cèl·lula gasta molta energia per a mantindre el gradient de Ca 2+ tant fort.
Hi ha sistemes en la membrana plasmàtica per a entrar (canals) i treure (bombes) el calci, però normalment les cèl·lules no utilitzen el calci extern, sinó que utilitzen el calci acumulat en el RE. Per tant, en la membrana del RE també hi ha mecanismes per a transportar el Ca2+.
 Membrana plasmàtica: sortida de Ca2+ Per treure el Ca2+ de la cèl·lula en contra del gradient de concentració es gasta energia.
Hi ha dos formes: la ATPasa que extreu de la cèl·lula que aconsegueix energia hidrolitzant directament ATP, o el intercanviador que es manté gràcies a una ATPasa.
S’utilitza el Na+ perquè es troba molt concentrat fora de la cèl·lula. Per extreure’l bomba Na+/ K+.
Hi ha aquests dos sistemes per assegurar de poder extreure el Ca2+ a causa de la diferencia tan gran de concentració. Primer funciona el intercanviador perquè pot treure molta quantitat, i després, quan queda poc Ca2+, s’activa la ATPasa perquè té molta afinitat però treu poca quantitat de ions.
Intercanviador Na+/Ca2+ Hi ha dos tipus de intercanviadors: - NCX : intercanvia 3 de Na per 1 de Ca - NCKX: intercanvia 4 de Na per 1 de Ca + 1 de K Per tant, es gasta bastant energia, perquè la ATPasa Na/K posteriorment haurà de extreure el Na que entra a la cèl·lula.
De intercanviadors hi ha diferents isoformes que estan distribuïdes de maneres diferents, i tindran característiques i propietats diferents.
Són proteïnes de membrana i per tant hauran de passar per la membrana diverses vegades. Ex. passa 10 vegades A més tenen zones per on es poden regular. Ex. punts S o T, zones que es poden fosforilar / desfosforilar PMCA ATPasa: transporta el calci cap a l’exterior amb l’energia directa de la hidròlisi d’ATP Pasa la membrana diverses vegades, i la majoria de la proteïna es troba en el interior cel·lular. Igual que els intercanviadors té zones que es poden fosforilar, i per tant tindrà mes o menys activitat per a transporta el calci cap a l’exterior.
També té un domini Calmodulina, on s’uneix la calmodulina amb el calci. Aquest domini regula la activitat de la ATPasa. Quan no té la calmodulina unida, aquesta ATPasa té poca afinitat (Km ↑) per al calci, mentres que la unió d’aquesta calmodulina provoca que la ATPasa s’activi.
Això té sentit, ja que la ATPasa a de estar activa quan hi ha molt de calci al interior perquè s’ha produït una senyal se calci.
 Membrana plasmàtica: entrada de Ca2+ • gap junction • Canals de Ca – voltage-gated channels (CaVs) – Transient receptor potential (TRP) ion channels – Store-operated channels (SOCs) – gated by ligands (e.g., the channels activated by glutamate) Normalment el calci que s’utilitza prové del RE, però també pot entrar calci del exterior mitjançant la membrana plasmàtica.
Mètodes per entrar calci: - Gap junction: dos cèl·lules que es troben conectades i tenen les Gap juntion obertes, si a una li arriba senyal i augmenta la concentració de Ca2+, farà que augmenti la concentració a la cèl·lula veïna. Això determina que a la cèl·lula veïna hi hagi senyal de calci. És una forma de coordinar.
- Canals: permet el pas de molècules hidrofíliques, que no poden passar per la capa lipídica.
Permeten el pas a favor de gradient de concentració.
Només que s’obrin una mica, la quantitat de calci que entra es molt gran, ja que el gradient és elevat.
Hi ha molts canals que quan estan activats deixen entrar calci: · CaVs: Canals controlats per voltatge. Es troba en cèl·lules excitables (neurones, musculars, cardíaques...) · TRP: Canals poc selectius. Són canals que estan estimulats per diverses coses com: sensacions mecàniques, diferencia de pressió osmòtica, canvi de temperatura...
· SOCs: Canals per emmagatzemar calci. Quan les reserves de calci en el RE estan baixes, aquestes reserves es tornen a omplir gracies aquests canals.
· Canals controlats per lligands Els canals estan constituïts per diferents subunitats, i cada una de elles travesa la membrana varies vegades.
Això fa que siguin bastant selectius.
 Magatzems intracel·lulars de Ca • Reticle endoplasmàtic • Nucli • Mitocòndries • Aparell de Golgi Normalment hi ha una senyal que fa que augmenti la concentració de calci, i aquest calci no prové del exterior a través de la membrana plasmàtica, sinó que prové de reserves internes, de diferents orgànuls.
Reticle endoplasmàtic • SERCA-ATPasa per captar Ca2+ • Proteïnes que lliguen Ca2+ per emmagatzemar-lo: calsequestrin and calreticulin • Canals que alliberen Ca2+: – the inositol 1,4,5 trisphosphate (InsP3) receptor, InsP3R – the ryanodine- receptor, RyR En el RE hi haurà de haver canals que permetin la sortida del calci quan arriba la senyal, i seran canals controlats per algun segon missatger (lligand), i a més ha d’haver una bomba per a que entri el calci quan la senyal finalitza.
Dintre del RE hi ha proteïnes que agafen el calci per impedir que surti a l’exterior, ja que a causa de la diferencia tan gran de concentració que hi ha amb el exterior és mol fàcil que torni a sortir.
Proteïnes que emmagatzemen Ca2+ • Calsequestrina: reticle sarcoplasmàtic, cèl·lules musculars • Calreticulina: reticle endoplasmàtic, cèl·lules no musculars Proteïnes que segresten el calci per a impedir un desnivell de concentració de calci excessivament gran.
Per aquesta funció hi ha dos tipus.
Aquestes proteïnes no tenen dominis EF-hand o C2, sinó que tenen zones (clusters) de la proteïna on es pot emmagatzemar el calci. Aquestes zones són riques amb aminoàcids àcids (Asp, Glu).
Aquestes proteïnes poden segrestar entre 20-40 ions de calci SERCA = sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase Bomba del RE que permet la entrada de calci.
Hi ha de 3 tipus, i de cada tipus hi ha diferents varietats. Això vol dir que cada forma tindrà una manera diferent de transport i de regulació.
Ex. SERCA de la musculatura cardíaca.
Aquesta SERCA es troba inhibida per la unió de la proteïna PLB. La inhibeix perquè s’uneix al centre actiu on s’uneix el ATP. Hi ha dos sistemes per activar-la: - Un sistema es que aquesta proteïna es capaç de lligar calci. Quan hi ha una concentració elevada de calci, el calci s’uneix aquesta proteïna, i li fa fer un canvi de conformació de manera que la SERCA queda lliure, poden bombejar. Quan la concentració es baixa aquesta proteïna es torna a unir i la inactiva.
És una manera molt clar de control, perquè la mateixa ATPasa és controlada per la quantitat de calci.
- També pot ser controlada per fosforilació, és a dir, és pot fosforilar la PBL per proteïnes quinases provocant un canvi de conformació a la proteïna inhibitòria i la SERCA torna a estar activa.
Un tipus de proteïnes quinases que poden fosforilar són depenents de Ca2+-calmodulina. Això significa que s’activen quan hi ha calmodulina activada per calci. Si hi ha un augment de calci determina que la calmodulina s’activi i les proteïnes quinases depenents de Ca2+-calmodulina estaran actives, i com que estan actives fosforilen i la SERCA s’activa.
Altra proteïna quinasa, la PKA, que es depenent de AMPc.
Inositol 1,4,5 trisphosphate receptor (InsP3R) IRBIT regulates activity through direct competition for the binding site on the IP receptors. Once IP3 reaches a threshold concentration, it displaces IRBIT from the binding site. (P = phosphate group indicating phosphorylation status; green dots = calcium ions) Són canals que s’activen, que alliberen calci, quan reconeixen com a lligand el Ins3P. En lloc de anomenar-los canals, se’ls hi diu receptors del Ins3P.
La funció que es coneix actualment del Ins3P és interaccionar amb els seus receptors, i els seus receptors són Canals de Ca2+ del RE, que quan estan actius permeten la sortida de calci. Per tant, el component següent de la cascada és un augment de la concentració de calci.
Aquests receptors són estructures formant tetràmers.
Estan inhibits per la proteïna pintada en gris en el esquema, i aquesta proteïna s’uneix als mateixos llocs que s’uneix el Ins3P, i per tant els canals estan tancats i no són funcionals.
Quan augmenta la concentració de Ins3P, perquè hi hagut una activació de cascada que el produeix, aquest Inositol desplaça la proteïna, s’uneix a la seva zona i provoca que el canal s’obri i surti el calci.
Aquests receptors estan regulats ells mateixos per calci, i tenen capacitat per unir calci.
Davant de calci tenen un comportament bimodal. Si la concentració de calci fora del citoplasma és baixa però una mica per damunt de la basal, els canals s’activen, i quan la concentració de calci és molt elevada els canals es tanquen.
Aquests canals s’obren quan la concentració ha augmentat una mica perquè el calci no es comporta, és a dir, aquest augment de calci no es troba per tot el citoplasma sinó que només es produeix en zones concretes de la cèl·lula.
Això té el avantatge de que si una cèl·lula té un canal obert perquè ha rebut senyal, la veïna, encara que no rebi senyal, al detectar que la concentració ha augmentat una mica també s’obra i treu calci.
La senyal actua en onda al llarg de la cèl·lula.
Ryanodine-receptor, (RyR) La Ryanodina és un alcaloide d’una planta, és un fàrmac.
Aquest receptor és un tetràmer, i és gran.
Hi ha de 3 tipus diferents. Depenent del teixit i de la cèl·lula estan situats diferents, i fa que el seu control sigui un o un altre.
El receptor és el pintat en vermell.
El receptor de la musculatura està molt implicat en la contracció. Es controla perquè ell mateix està associat a un canal/receptor depenent de voltatge.
El receptor de voltatge quan es modifica perquè rep una senyal de diferencia de voltatge provoca que el receptor de la Ryanodina també es modifiqui i deixi sortir calci.
El receptor del múscul cardíac o de les neurones, està proper a la membrana plasmàtica on hi ha canals de calci controlats per voltatge. Quan hi ha senyal de contraure’s aquest canal de calci depenent de voltatge s’obren i entra una mica de calci. I els receptors de la Ryanodina es controlen semblant als receptors del Ins3P, és a dir, quan hi ha concentració elevada en el citoplasma es tanquen, però quan hi ha concentració baixes, una mica superior a la basal, s’activen. Si s’activa el RyR surt calci del RE augmentant la concentració en el citoplasma.
Quan s’arriba a la concentració desitjada el canal es tanca i ja no surt mes calci.
Hi ha receptors de la Ryanodina que s’activen per fàrmacs.
La  Ryanodina no és una molècula endògena nostra, per tant ha d’haver un component/lligand natural que activi aquests receptors. Aquest component és la ADP-ribosa cíclica, que també es pot considerar un 2n missatger.
  ADP-ribosa cíclica és un derivat del NAD+ que actua en les reaccions de oxidoreducció com a coenzim.
La ElNAD+ també s’utilitza com a substrat per a ribolisar proteïnes (afegir riboses), modificar proteïnes. I l’altre  funció que té el NAD+ és de precursor de la ADPRc.
 La  ADPRc és sintetitzada pel ADP-ribosil ciclasa Nicotinamida: Niacina en forma amino, i és una vitamina que treu l’enzim per a fer la forma cíclica.
  Altres molècules que alliberen Ca • Inositol 1,3,4,5 tetraphosphate (InsP4) • Sphingosine 1-phosphate • nicotinate adenine- dinucleotide phosphate (NAADP) Ins4P: quan augmenta la seva concentració provoca que augmenti la concentració de calci, ja que actua sobre determinats canals, però no es coneix quins son aquests canals.
Esfingosina-1P: funciona igual que la Ins4P NAADP: derivat del NADP+ , conté una vitamina com la nicotinamida però en lloc de tenir un grup amino, té un grup àcid.
Es pot observar en la membrana el intercanviador i la bomba, i també hi ha diferents canals.
En el RE hi ha la ATPasa que bombeja calci cap al interior, el receptor del Ins3P, i el receptor de la ryanodina.
Tots els orgànuls tenen sistemes per entrar i treure calci, ja que el calci té funcionalitat en els orgànuls.
No només està controlada la concentració en el citoplasma sinó en els orgànuls també, ja que controla la funcionalitat de proteïnes d’aquests orgànuls.
Un problema és en el nucli, perquè té els porus i es podria pensar que la concentració dins el nucli és la mateixa que fora en el citoplasma, però s’ha observat que la concentració està totalment controlada.
Figure 1. The control of cellular Ca2+ Three types of channels gated by ligands, by the emptying of cellular Ca2+ stores, and by voltage mediate Ca2+ entry into cells. The intracellular Ca2+ pool is regulated by binding to Ca2+-binding proteins (e.g., calmodulin) and by Ca2+ transport across the plasma membrane and the membranes of organelles. In addition to buffering Ca2+, soluble Ca2+-binding proteins (e.g., calmodulin) also decode its message. Ca2+ enters the sarco(endo)plasmic reticulum through the sarco(endo)plasmic reticulum Ca2+ ATPase (the SERCA pump) and is released through channels that require effectors like inositol-(1,4,5)-trisphosphate (InsP3) or cyclic ADP ribose (cADPr). The Figure does not show the Ca2+-mobilizing messenger NAADP because the store on which it functions is still undefined. The release route from the sarco(endo)plasmic reticulum creates Ca2+ hotspots, which activate the low-affinity electrophoretic uniporter of neighboring mitochondria. Ca2+ exits mitochondria through a Na+/Ca2+ exchanger (a H+/Ca2+ release exchanger has also been described). Ca2+ can also be exchanged between the cytosol and the nucleus. The nuclear envelope is a genuine Ca2+ reservoir that shares transporters and channels with the ER (not shown in the Figure). The dashed arrows in and out of the nucleus highlight the present debate on Ca2+ traffic through the nuclear envelope (permanent passive permeability versus reversible gating of the pores).
Ca2+ is expelled from the cell by a high-affinity/low-capacity plasma membrane Ca2+ ATPase (PMCA pump) and a low-affinity/high-capacity Na+/Ca2+ exchanger. The Golgi vesicles accumulate Ca2+ through a SERCA pump and also through an ATPase that differs from both the SERCA and PMCA pumps and release it through channels of which only that gated by InsP3 has so far been certified.
...