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Señalización de calcio

Muestra la liberación de Ca 2+ del retículo endoplásmico a través de la vía de la fosfolipasa C (PLC) .

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 en 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 causado por vías de transducción de señales indirectas como los receptores acoplados a proteína G.

Regulación de la concentración

La concentración de Ca 2+ en reposo en el citoplasma se mantiene normalmente alrededor de 100 nM . Esto es de 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 endoplasmático (RE), y a veces a las mitocondrias . Ciertas proteínas del citoplasma y los orgánulos actúan como amortiguadores al unirse al Ca 2+ . La señalización se produce cuando se estimula a la célula para que libere iones Ca 2+ de los depósitos intracelulares y/o cuando el Ca 2+ entra en la célula a través de los canales iónicos de la membrana plasmática . [1] En determinadas condiciones, la concentración intracelular de Ca 2+ puede comenzar a oscilar a una frecuencia específica. [3]

Vía de la fosfolipasa C

La fosfolipasa C escinde PIP2 en IP3 y DAG

Señales específicas pueden desencadenar un aumento repentino de los niveles de Ca 2+ citoplasmático a 500–1000 nM mediante la apertura de canales en el RE o la membrana plasmática . La vía de señalización más común que aumenta la concentración de calcio citoplasmático es la vía de la fosfolipasa C (PLC) .

  1. Muchos receptores de la superficie celular , incluidos los receptores acoplados a proteína G y las tirosina quinasas receptoras , activan la enzima PLC.
  2. El PLC utiliza la hidrólisis del fosfolípido de membrana PIP 2 para formar IP 3 y diacilglicerol (DAG), dos mensajeros secundarios clásicos.
  3. El DAG se adhiere a la membrana plasmática y recluta a la proteína quinasa C (PKC).
  4. El IP3 se difunde al RE y se une al receptor de IP3 .
  5. El receptor IP3 actúa como un canal de Ca2 + y libera Ca2 + del RE.
  6. El Ca 2+ se une a la PKC y otras proteínas y las activa. [4]

Agotamiento del retículo endoplásmico

El agotamiento de Ca 2+ del RE conducirá a la entrada de Ca 2+ desde fuera de la célula mediante la activación de "canales operados por almacenamiento" ( SOC ). [5] Esta entrada de Ca 2+ se conoce como corriente de Ca 2+ activada por liberación de Ca 2+ ( ICRAC ). Los mecanismos a través de los cuales se produce la ICRAC todavía están bajo investigación. Aunque Orai1 y STIM1 han sido vinculados por varios estudios, para un modelo propuesto de entrada de calcio operada por almacenamiento. Estudios recientes han citado la fosfolipasa A2 beta, [6] ácido nicotínico adenina dinucleótido fosfato (NAADP), [7] y la proteína STIM 1 [8] como posibles mediadores de ICRAC.

Como segundo mensajero

El calcio es un segundo mensajero ubicuo con funciones fisiológicas de amplio alcance. [2] Estas incluyen la contracción muscular , la transmisión neuronal (como en una sinapsis excitatoria ), la motilidad celular (incluido el movimiento de flagelos y cilios ), la fertilización , el crecimiento celular (proliferación), la neurogénesis , el aprendizaje y la memoria como con la plasticidad sináptica y la secreción de saliva . [9] [10] Los altos niveles de Ca 2+ citoplasmático también pueden hacer que la célula experimente apoptosis . [11] Otras funciones bioquímicas del calcio incluyen la regulación de la actividad enzimática , la permeabilidad de los canales iónicos , [12] la actividad de las bombas iónicas y los componentes del citoesqueleto . [13]

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 calmodulina puede activar las proteínas quinasas dependientes de Ca 2+ -calmodulina , o puede actuar directamente sobre otras proteínas efectoras. [14] Además de la calmodulina, hay muchas otras proteínas de unión a Ca 2+ que median los efectos biológicos del Ca 2+ .

En las contracciones musculares

Comparación de la contracción del músculo liso y del músculo esquelético

Las contracciones de las fibras musculares esqueléticas se producen por 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 una serie de 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. [15]

Las contracciones de la fibra muscular lisa dependen de cómo se produce un 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. Los influjos pueden ocurrir a partir de la difusión extracelular de Ca 2+ a través de canales iónicos. Esto puede conducir a tres resultados diferentes. El primero es un aumento uniforme en la concentración de Ca 2+ en toda la célula. Esto es responsable de aumentos en 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 causar una liberación espontánea de neurotransmisores a través de canales nerviosos simpáticos o parasimpáticos . El último resultado potencial es una liberación subplasmalémica 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 causa acoplamiento excitación-concentración. El Ca 2+ también puede resultar de depósitos internos encontrados en el SR. Esta liberación puede ser causada por los receptores de ryaodina (RYR) o IP3 . La liberación de Ca2 + de los RYR es espontánea y localizada. Esto se ha observado en varios tejidos de 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 Ca2 + de IP3 es causada por la activación del receptor de IP3 en el SR. Estos flujos de entrada suelen ser espontáneos y localizados, como se observa en el colon y la vena porta, pero pueden conducir a una onda global de Ca2 + como se observa en muchos tejidos vasculares. [16]

En las 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 los niveles de decenas de μM que son necesarios para la activación de la isocitrato deshidrogenasa , que es una de las enzimas reguladoras clave del ciclo de Krebs . [17] [18]

El RE, en las neuronas, puede formar parte de una red que integra numerosas señales extracelulares e intracelulares en un sistema de membrana binario con la membrana plasmática. Esta 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 del RE, su capacidad de actuar como un sumidero de Ca2 + y las proteínas específicas liberadoras de Ca2 + sirven para crear un sistema que puede producir ondas regenerativas de liberación de Ca2 + . Estas pueden comunicarse tanto local como globalmente en la célula. Estas señales de Ca2 + integran flujos extracelulares e intracelulares y se ha implicado que desempeñan papeles en la plasticidad sináptica, la memoria, la liberación de neurotransmisores , la excitabilidad neuronal y los cambios a largo plazo a nivel de la transcripción genética. El estrés del RE también está relacionado con la señalización de Ca2 + y, junto con la respuesta de la proteína desplegada, puede causar degradación asociada al RE (ERAD) y autofagia. [19]

Los astrocitos tienen una relación directa con las neuronas a través de la liberación de gliotransmisores. Estos transmisores permiten la comunicación entre neuronas y se activan cuando los niveles de calcio aumentan alrededor de los astrocitos desde el interior de los depósitos. Este aumento de calcio también puede ser causado por otros neurotransmisores. Algunos ejemplos de gliotransmisores son el ATP y el glutamato. [20] La activación de estas neuronas conducirá a un aumento de la concentración de calcio en el citosol de 100 nanomolar a 1 micromolar. [21]

En la fertilización

Se ha observado que la entrada de Ca 2+ durante la fertilización en muchas especies es un desencadenante del desarrollo del ovocito . Estas entradas pueden producirse como un único aumento de la concentración, como se observa en los peces y los equinodermos , o pueden producirse con concentraciones oscilantes , como se observa en los mamíferos . Los desencadenantes de estas entradas de Ca 2+ pueden diferir. Se ha observado que la entrada se produce a través de los conductos de Ca 2+ de la membrana y los depósitos de Ca 2+ en el esperma . También se ha visto que el esperma se une a los receptores de membrana que conducen a una liberación de Ca 2+ del RE. También se ha observado que el esperma libera un factor soluble específico de esa especie. Esto evita que se produzca la fertilización entre especies. Estos factores solubles conducen a la activación de IP 3 , lo que provoca una liberación de Ca 2+ del RE a través de los receptores de IP 3. [22] También se ha visto que algunos sistemas modelo mezclan estos métodos, como se observa en los mamíferos. [23] [24] Una vez que el Ca 2+ se libera del RE, el óvulo comienza el proceso de formación de un pronúcleo fusionado y el reinicio del ciclo celular mitótico. [25] 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 .

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Clapham DE (diciembre de 2007). "Señalización de calcio". Cell . 131 (6): 1047–58. doi : 10.1016/j.cell.2007.11.028 . PMID  18083096. S2CID  15087548.
  2. ^ ab 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 . 
  3. ^ Uhlén P, Laestadius A, Jahnukainen T, Söderblom T, Bäckhed F, Celsi G, Brismar H, Normark S, Aperia A, Richter-Dahlfors A (junio de 2000). "La alfa-hemolisina de E. coli uropatógena induce oscilaciones de Ca2+ en las células epiteliales renales". Naturaleza . 405 (6787): 694–7. Código Bib :2000Natur.405..694U. doi :10.1038/35015091. PMID  10864327. S2CID  4420606.
  4. ^ Alberts B, Bray D, Hopkin K, Johnson A, Lewis J, Raff MC, et al. (2014). Essential Cell Biology (4.ª ed.). Nueva York, NY: Garland Science. págs. 548–549. ISBN 978-0-8153-4454-4.
  5. ^ Putney JW, Tomita T (enero de 2012). "Señalización de la fosfolipasa C y entrada de calcio". Avances en regulación biológica . 52 (1): 152–64. doi :10.1016/j.advenzreg.2011.09.005. PMC 3560308. PMID  21933679 . 
  6. ^ Csutora P, Zarayskiy V, Peter K, Monje F, Smani T, Zakharov SI, et al. (noviembre de 2006). "Mecanismo de activación de la entrada de Ca2+ operada por la corriente CRAC y el almacén: vía mediada por el factor de entrada de calcio y la fosfolipasa A2beta independiente de Ca2+". The Journal of Biological Chemistry . 281 (46): 34926–35. doi : 10.1074/jbc.M606504200 . PMID  17003039.
  7. ^ Moccia F, Lim D, Nusco GA, Ercolano E, Santella L (octubre de 2003). "NAADP activa una corriente de Ca2+ que depende del citoesqueleto de actina F". Revista FASEB . 17 (13): 1907–9. doi : 10.1096/fj.03-0178fje . PMID  12923070. S2CID  16982891.
  8. ^ 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 el almacén 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. Bibcode :2006PNAS..10316704B. doi : 10.1073/pnas.0608358103 . PMC 1636519 . PMID  17075073. 
  9. ^ Rash BG, Ackman JB, Rakic ​​P (febrero de 2016). "La actividad radial bidireccional del Ca(2+) regula la neurogénesis y la migración durante la formación temprana de la columna cortical". Science Advances . 2 (2): e1501733. Bibcode :2016SciA....2E1733R. doi :10.1126/sciadv.1501733. PMC 4771444 . PMID  26933693. 
  10. ^ Berridge MJ, Lipp P, Bootman MD (octubre de 2000). "La versatilidad y universalidad de la señalización del calcio". Nature Reviews. Biología celular molecular . 1 (1): 11–21. doi :10.1038/35036035. PMID  11413485. S2CID  13150466.
  11. ^ Joseph SK, Hajnóczky G (mayo de 2007). "Receptores IP3 en la supervivencia celular y la apoptosis: liberación de Ca2+ y más allá". Apoptosis . 12 (5): 951–68. doi : 10.1007/s10495-007-0719-7 . PMID  17294082.
  12. ^ 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, revierte la señalización de Ca (2+) intracelular alterada en hepatocitos esteatósicos". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Investigación de células moleculares . 1863 (9): 2135–46. doi : 10.1016/j.bbamcr.2016.05.006 . PMID  27178543.
  13. ^ Koolman J, Röhm KH (2005). Atlas en color de bioquímica . Nueva York: Thiéme. ISBN 978-1-58890-247-4.
  14. ^ Berg J, Tymoczko JL, Gatto GJ, Stryer L. Bioquímica (octava ed.).
  15. ^ Baylor SM, Hollingworth S (mayo de 2011). "Indicadores de calcio y señalización de calcio en fibras musculares esqueléticas durante el acoplamiento excitación-contracción". Progreso en biofísica y biología molecular . 105 (3): 162–79. doi :10.1016/j.pbiomolbio.2010.06.001. PMC 2974769 . PMID  20599552. 
  16. ^ Hill-Eubanks DC, Werner ME, Heppner TJ, Nelson MT (septiembre de 2011). "Señalización de calcio en el músculo liso". Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 3 (9): a004549. doi :10.1101/cshperspect.a004549. PMC 3181028 . PMID  21709182. 
  17. ^ Ivannikov MV, Macleod GT (junio de 2013). "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. Bibcode :2013BpJ...104.2353I. doi :10.1016/j.bpj.2013.03.064. PMC 3672877 . PMID  23746507. 
  18. ^ Ivannikov MV, Sugimori M, Llinás RR (enero de 2013). "La exocitosis de vesículas sinápticas en sinaptosomas del hipocampo se correlaciona directamente con el volumen mitocondrial total". Journal of Molecular Neuroscience . 49 (1): 223–30. doi :10.1007/s12031-012-9848-8. PMC 3488359 . PMID  22772899. 
  19. ^ Berridge MJ (julio de 1998). "Señalización neuronal del calcio". Neuron . 21 (1): 13–26. doi : 10.1016/S0896-6273(00)80510-3 . PMID  9697848. S2CID  2454323.
  20. ^ "ScienceDirect.com | Revistas científicas, médicas y de salud, artículos y libros de texto completo". www.sciencedirect.com . Consultado el 13 de abril de 2023 .
  21. ^ Bootman, Martin (4 de julio de 2012). "Señalización de calcio". Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 4 (7): a011171. doi :10.1101/cshperspect.a011171. PMC 3385957 . PMID  22751152. 
  22. ^ Kashir J, Deguchi R, Jones C, Coward K, Stricker SA (octubre de 2013). "Biología comparativa de los factores espermáticos y las señales de calcio inducidas por la fertilización en todo el reino animal". Reproducción molecular y desarrollo . 80 (10): 787–815. doi : 10.1002/mrd.22222 . PMID  23900730. S2CID  1075539.
  23. ^ 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 y ovocito durante la fertilización de mamíferos". Nature . 534 (7608): 566–9. Bibcode :2016Natur.534..566O. doi :10.1038/nature18596. PMID  27309808. S2CID  4460677.
  24. ^ Swann K, Lai FA (enero de 2016). "Activación del óvulo en la fertilización por una proteína soluble del esperma". Physiological Reviews . 96 (1): 127–49. doi :10.1152/physrev.00012.2015. PMID  26631595.
  25. ^ Gilbert, Scott F., 1949- (15 de junio de 2016). Biología del desarrollo . Barresi, Michael JF, 1974- (Undécima edición). Sunderland, Massachusetts. pág. 221. ISBN 978-1-60535-470-5.OCLC 945169933  .{{cite book}}: CS1 maint: falta la ubicación del editor ( enlace ) CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace ) CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )

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