La calmodulina ( CaM ) (una abreviatura de proteína modulada con calcio ) es una proteína mensajera intermedia multifuncional que se une al calcio expresada en todas las células eucariotas . [1] Es un objetivo intracelular del mensajero secundario Ca 2+ , y la unión de Ca 2+ es necesaria para la activación de la calmodulina. Una vez unida al Ca 2+ , la calmodulina actúa como parte de una vía de transducción de señales de calcio modificando sus interacciones con diversas proteínas diana como las quinasas o las fosfatasas . [2] [3] [4]
La calmodulina es una proteína pequeña y altamente conservada que tiene 148 aminoácidos de longitud (16,7 kDa). La proteína tiene dos dominios globulares aproximadamente simétricos (los dominios N y C), cada uno de los cuales contiene un par de motivos de manos EF [5] separados por una región conectora flexible para un total de cuatro sitios de unión de Ca 2+ , dos en cada dominio globular. . [6] En el estado libre de Ca 2+ , las hélices que forman las cuatro manos EF están colapsadas en una orientación compacta y el conector central está desordenado; [5] [6] [7] [8] en el estado saturado de Ca 2+ , las hélices de la mano EF adoptan una orientación abierta aproximadamente perpendicular entre sí, y el conector central forma una hélice alfa extendida en la estructura cristalina. , [5] [6] pero permanece en gran medida desordenado en solución. [9] El dominio C tiene una mayor afinidad de unión por Ca 2+ que el dominio N. [10] [11]
La calmodulina es estructuralmente bastante similar a la troponina C , otra proteína de unión a Ca 2+ que contiene cuatro motivos de mano EF. [5] [12] Sin embargo, la troponina C contiene una hélice alfa adicional en su extremo N y está constitutivamente unida a su objetivo, la troponina I. Por lo tanto, no muestra la misma diversidad de reconocimiento de objetivos que la calmodulina.
La capacidad de la calmodulina para reconocer una enorme variedad de proteínas diana se debe en gran parte a su flexibilidad estructural. [13] Además de la flexibilidad del dominio enlazador central, los dominios N y C experimentan ciclos conformacionales abierto-cerrado en el estado unido a Ca 2+ . [9] La calmodulina también exhibe una gran variabilidad estructural y sufre considerables fluctuaciones conformacionales cuando se une a objetivos. [14] [15] [16] Además, la naturaleza predominantemente hidrofóbica de la unión entre la calmodulina y la mayoría de sus objetivos permite el reconocimiento de una amplia gama de secuencias de proteínas objetivo. [14] [17] En conjunto, estas características permiten que la calmodulina reconozca unas 300 proteínas diana [18] que exhiben una variedad de motivos de secuencia de unión a CaM.
La unión de Ca 2+ por las manos EF provoca una apertura de los dominios N y C, lo que expone las superficies de unión al objetivo hidrófobas. [6] Estas superficies interactúan con segmentos no polares complementarios en proteínas diana, que generalmente consisten en grupos de aminoácidos hidrófobos voluminosos separados por 10 a 16 aminoácidos polares y/o básicos. [18] [14] El dominio central flexible de la calmodulina permite que la proteína se enrolle alrededor de su objetivo, aunque se conocen modos alternativos de unión. Los objetivos "canónicos" de la calmodulina, como las quinasas de cadena ligera de miosina y CaMKII , se unen sólo a la proteína unida a Ca 2+ , mientras que algunas proteínas, como los canales NaV y las proteínas con motivo IQ , también se unen a la calmodulina en ausencia de Ca2 + . [14] La unión de calmodulina induce reordenamientos conformacionales en la proteína diana mediante un "ajuste mutuamente inducido", [19] que conduce a cambios en la función de la proteína diana.
La unión del calcio mediante la calmodulina muestra una cooperatividad considerable , [5] [11], lo que convierte a la calmodulina en un ejemplo inusual de una proteína de unión cooperativa monomérica (de cadena única) . Además, la unión al objetivo altera la afinidad de unión de la calmodulina hacia los iones Ca 2+ , [20] [21] [22] , lo que permite una interacción alostérica compleja entre el Ca 2+ y las interacciones de unión al objetivo. [23] Se cree que esta influencia de la unión objetivo sobre la afinidad del Ca 2+ permite la activación por Ca 2+ de proteínas que están unidas constitutivamente a la calmodulina, como los canales de potasio (SK) activados por Ca 2+ de pequeña conductancia . [24]
Aunque la calmodulina actúa principalmente como proteína fijadora de Ca 2+ , también coordina otros iones metálicos. Por ejemplo, en presencia de concentraciones intracelulares típicas de Mg 2+ (0,5–1,0 mM) y concentraciones en reposo de Ca 2+ (100 nM), los sitios de unión de Ca 2+ de la calmodulina están al menos parcialmente saturados por Mg 2+ . [25] Este Mg 2+ es desplazado por las mayores concentraciones de Ca 2+ generadas por eventos de señalización. De manera similar, el Ca 2+ puede ser desplazado por otros iones metálicos, como los lantánidos trivalentes, que se asocian con las bolsas de unión de la calmodulina incluso más fuertemente que el Ca 2+ . [26] [27] Aunque tales iones distorsionan la estructura de la calmodulina [28] [29] y generalmente no son fisiológicamente relevantes debido a su escasez in vivo , no obstante, han tenido un amplio uso científico como informadores de la estructura y función de la calmodulina. [30] [31] [26]
La calmodulina media muchos procesos cruciales como la inflamación , el metabolismo , la apoptosis , la contracción del músculo liso , el movimiento intracelular, la memoria a corto y largo plazo y la respuesta inmune . [32] [33] El calcio participa en un sistema de señalización intracelular actuando como un segundo mensajero difusible de los estímulos iniciales. Lo hace uniéndose a varios objetivos en la célula, incluida una gran cantidad de enzimas , canales iónicos , acuaporinas y otras proteínas. [4] La calmodulina se expresa en muchos tipos de células y puede tener diferentes ubicaciones subcelulares, incluido el citoplasma , dentro de los orgánulos , o asociada con el plasma o las membranas de los orgánulos, pero siempre se encuentra intracelularmente. [33] Muchas de las proteínas a las que se une la calmodulina no pueden unirse al calcio por sí mismas y utilizan la calmodulina como sensor de calcio y transductor de señal. La calmodulina también puede hacer uso de las reservas de calcio en el retículo endoplásmico y el retículo sarcoplásmico . La calmodulina puede sufrir modificaciones postraduccionales, como fosforilación , acetilación , metilación y escisión proteolítica , cada una de las cuales tiene potencial para modular sus acciones.
La calmodulina juega un papel importante en el acoplamiento de la excitación-contracción (CE) y el inicio del ciclo del puente cruzado en el músculo liso , lo que finalmente causa la contracción del músculo liso. [34] Para activar la contracción del músculo liso, la cabeza de la cadena ligera de miosina debe estar fosforilada. Esta fosforilación la realiza la quinasa de cadena ligera de miosina (MLC) . Esta MLC quinasa es activada por una calmodulina cuando está unida a calcio, lo que hace que la contracción del músculo liso dependa de la presencia de calcio, mediante la unión de la calmodulina y la activación de la MLC quinasa. [34]
Otra forma en que la calmodulina afecta la contracción muscular es controlando el movimiento de Ca 2+ a través de las membranas celulares y del retículo sarcoplásmico . Los canales de Ca 2+ , como el receptor de rianodina del retículo sarcoplásmico, pueden ser inhibidos por la calmodulina unida al calcio, afectando así los niveles generales de calcio en la célula. [35] Las bombas de calcio extraen el calcio del citoplasma o lo almacenan en el retículo endoplásmico y este control ayuda a regular muchos procesos posteriores.
Esta es una función muy importante de la calmodulina porque indirectamente juega un papel en todos los procesos fisiológicos que se ven afectados por la contracción del músculo liso , como la digestión y la contracción de las arterias (que ayuda a distribuir la sangre y regular la presión arterial ). [36]
La calmodulina desempeña un papel importante en la activación de la fosforilasa quinasa , que en última instancia conduce a que la glucógeno fosforilasa escinda la glucosa del glucógeno . [37]
La calmodulina también juega un papel importante en el metabolismo de los lípidos al afectar la calcitonina . La calcitonina es una hormona polipeptídica que reduce los niveles de Ca 2+ en sangre y activa las cascadas de proteína G que conducen a la generación de AMPc. Las acciones de la calcitonina pueden bloquearse inhibiendo las acciones de la calmodulina, lo que sugiere que la calmodulina desempeña un papel crucial en la activación de la calcitonina. [37]
Ca 2+ /proteína quinasa II dependiente de calmodulina (CaMKII) desempeña un papel crucial en un tipo de plasticidad sináptica conocida como potenciación a largo plazo (LTP) que requiere la presencia de calcio/calmodulina. CaMKII contribuye a la fosforilación de un receptor AMPA que aumenta la sensibilidad de los receptores AMPA. [38] Además, la investigación muestra que la inhibición de CaMKII interfiere con la LTP. [38]
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Mientras que las levaduras tienen un solo gen CaM, las plantas y los vertebrados contienen una forma conservada evolutivamente de genes CaM. La diferencia entre plantas y animales en la señalización de Ca 2+ es que las plantas contienen una familia extendida de CaM además de la forma conservada evolutivamente. [39] Las calmodulinas desempeñan un papel esencial en el desarrollo de las plantas y la adaptación a los estímulos ambientales.
El calcio juega un papel clave en la integridad estructural de la pared celular y el sistema de membranas de la célula. Sin embargo, los niveles altos de calcio pueden ser tóxicos para el metabolismo energético celular de una planta y, por lo tanto, la concentración de Ca 2+ en el citosol se mantiene a un nivel submicromolar eliminando el Ca 2+ citosólico hacia el apoplasto o la luz de los orgánulos intracelulares. . Los pulsos de Ca 2+ creados debido al aumento de la entrada y salida actúan como señales celulares en respuesta a estímulos externos como hormonas, luz, gravedad, factores de estrés abiótico y también interacciones con patógenos. [40]
Las plantas contienen proteínas relacionadas con CaM (CML), además de las proteínas CaM típicas. Las CML tienen aproximadamente un 15% de similitud de aminoácidos con las CaM típicas. Arabidopsis thaliana contiene alrededor de 50 genes diferentes de CML, lo que lleva a la pregunta de para qué sirven estas diversas gamas de proteínas en la función celular. Todas las especies de plantas exhiben esta diversidad en los genes de CML. Las diferentes CaM y CML difieren en su afinidad para unirse y activar las enzimas reguladas por CaM in vivo . También se encuentra que CaM o CML están ubicados en diferentes compartimentos de orgánulos.
En Arabidopsis, la proteína DWF1 desempeña un papel enzimático en la biosíntesis de brasinoesteroides, hormonas esteroides que las plantas necesitan para el crecimiento. Se produce una interacción entre CaM y DWF1, [ se necesita aclaración ] y, al no poder unirse DWF1, CaM no puede producir un fenotipo de crecimiento regular en las plantas. Por tanto, CaM es esencial para la función DWF1 en el crecimiento de las plantas.
También se sabe que las proteínas de unión a CaM regulan el desarrollo reproductivo en las plantas. Por ejemplo, la proteína quinasa de unión a CaM del tabaco actúa como un regulador negativo de la floración. Sin embargo, estas proteínas quinasas de unión a CaM también están presentes en el meristemo apical del tabaco y una alta concentración de estas quinasas en el meristemo provoca una transición retrasada a la floración en la planta.
La quinasa del receptor del locus S (SRK) es otra proteína quinasa que interactúa con CaM. SRK participa en las respuestas de autoincompatibilidad involucradas en las interacciones polen-pistilo en Brassica .
Los objetivos de CaM en Arabidopsis también participan en el desarrollo y la fertilización del polen. Los transportadores de Ca 2+ son esenciales para el crecimiento del tubo polínico . Por lo tanto, se mantiene un gradiente constante de Ca 2+ en el vértice del tubo polínico para su elongación durante el proceso de fertilización. De manera similar, CaM también es esencial en el ápice del tubo polínico, donde su función principal consiste en guiar el crecimiento del tubo polínico.
Ca 2+ juega un papel importante en la formación de nódulos en leguminosas. El nitrógeno es un elemento esencial necesario en las plantas y muchas leguminosas, incapaces de fijar nitrógeno de forma independiente, se combinan simbióticamente con bacterias fijadoras de nitrógeno que reducen el nitrógeno a amoníaco. Este establecimiento de interacción leguminosa - Rhizobium requiere el factor Nod que es producido por la bacteria Rhizobium . El factor Nod es reconocido por las células ciliadas de la raíz que participan en la formación de nódulos en las legumbres. Se caracterizan por estar involucradas en el reconocimiento del factor Nod respuestas de Ca 2+ de variada naturaleza. Hay un flujo de Ca 2+ en la punta del pelo de la raíz, seguido inicialmente por una oscilación repetitiva de Ca 2+ en el citosol y también se produce un pico de Ca 2+ alrededor del núcleo. DMI3, un gen esencial para las funciones de señalización del factor Nod aguas abajo de la firma de aumento de Ca 2+ , podría estar reconociendo la firma de Ca 2+ . Además, varios genes CaM y CML en Medicago y Lotus se expresan en nódulos.
Entre la amplia gama de estrategias de defensa que utilizan las plantas contra los patógenos, la señalización de Ca 2+ es muy común. Los niveles de Ca 2+ libre en el citoplasma aumentan en respuesta a una infección patógena. Las firmas de Ca 2+ de esta naturaleza suelen activar el sistema de defensa de la planta induciendo genes relacionados con la defensa y la muerte celular hipersensible. CaM, CML y proteínas de unión a CaM son algunos de los elementos recientemente identificados de las vías de señalización de defensa de las plantas. Varios genes de leucemia mieloide crónica en el tabaco , los frijoles y el tomate responden a los patógenos. CML43 es una proteína relacionada con CaM que, aislada del gen APR134 en las hojas de Arabidopsis resistentes a enfermedades para el análisis de la expresión genética, se induce rápidamente cuando las hojas se inoculan con Pseudomonas syringae . Estos genes también se encuentran en los tomates ( Solanum lycopersicum ). El CML43 de APR134 también se une a iones Ca 2+ in vitro, lo que muestra que CML43 y APR134 están, por lo tanto, involucrados en la señalización dependiente de Ca 2+ durante la respuesta inmune de la planta a patógenos bacterianos. [41] La expresión de CML9 en Arabidopsis thaliana es rápidamente inducida por bacterias fitopatógenas, flagelina y ácido salicílico. [42] La expresión de SCaM4 y SCaM5 de soja en tabaco transgénico y Arabidopsis provoca una activación de genes relacionados con la resistencia a patógenos y también da como resultado una mayor resistencia a un amplio espectro de infecciones por patógenos. No ocurre lo mismo con la soja SCaM1 y SCaM2, que son isoformas de CaM altamente conservadas. La proteína At BAG6 es una proteína de unión a CaM que se une a CaM sólo en ausencia de Ca 2+ y no en presencia de este. En BAG6 es responsable de la respuesta hipersensible de muerte celular programada para prevenir la propagación de la infección por patógenos o restringir el crecimiento de patógenos. Las mutaciones en las proteínas de unión a CaM pueden provocar efectos graves en la respuesta de defensa de las plantas frente a infecciones por patógenos. Los canales activados por nucleótidos cíclicos (CNGC, por sus siglas en inglés) son canales proteicos funcionales en la membrana plasmática que tienen sitios de unión a CaM superpuestos y transportan cationes divalentes como el Ca 2+ . Sin embargo, el papel exacto del posicionamiento de los CNGC en esta vía de defensa de las plantas aún no está claro.
El cambio en los niveles de Ca 2+ intracelular se utiliza como firma de diversas respuestas a estímulos mecánicos, tratamientos osmóticos y salinos, y choques de frío y calor. Diferentes tipos de células de raíz muestran una respuesta diferente de Ca 2+ al estrés osmótico y salino y esto implica las especificidades celulares de los patrones de Ca 2+ . En respuesta al estrés externo, CaM activa la glutamato descarboxilasa (GAD) que cataliza la conversión de L -glutamato en GABA. Un control estricto de la síntesis de GABA es importante para el desarrollo de las plantas y, por lo tanto, el aumento de los niveles de GABA puede afectar esencialmente el desarrollo de las plantas. Por lo tanto, el estrés externo puede afectar el crecimiento y desarrollo de las plantas y las CaM están involucradas en esa vía que controla este efecto. [ cita necesaria ]
La planta de sorgo es un organismo modelo bien establecido y puede adaptarse en ambientes cálidos y secos. Por este motivo, se utiliza como modelo para estudiar el papel de la calmodulina en las plantas. [43] El sorgo contiene plántulas que expresan una proteína de unión a ARN rica en glicina , SbGRBP. Esta proteína en particular se puede modular utilizando el calor como factor estresante. Su ubicación única en el núcleo celular y el citosol demuestra la interacción con la calmodulina que requiere el uso de Ca 2+ . [44] Al exponer la planta a condiciones de estrés versátiles , se pueden reprimir diferentes proteínas que permiten a las células vegetales tolerar los cambios ambientales. Se ha demostrado que estas proteínas de estrés moduladas interactúan con CaM. Los genes CaMBP expresados en el sorgo se presentan como un "cultivo modelo" para investigar la tolerancia al estrés por calor y sequía .
En un estudio de Arabidopsis thaliana , cientos de proteínas diferentes demostraron la posibilidad de unirse a CaM en plantas. [43]
La calmodulina pertenece a uno de los dos grupos principales de proteínas fijadoras de calcio, llamadas proteínas de la mano EF . El otro grupo, llamado anexinas , se une al calcio y a los fosfolípidos como la lipocortina . Muchas otras proteínas se unen al calcio, aunque es posible que la unión de calcio no se considere su función principal en la célula.