La señalización de calcio es el uso de iones de calcio (Ca 2+ ) para comunicarse e impulsar procesos intracelulares, a menudo como un paso en la transducción de señales . Ca 2+ es importante para la señalización celular , ya que una vez que ingresa al citosol del citoplasma ejerce efectos reguladores alostéricos sobre muchas enzimas y proteínas . El Ca 2+ puede actuar en la transducción de señales resultante de la activación de canales iónicos o como segundo mensajero causado por vías indirectas de transducción de señales como los receptores acoplados a proteína G.
La concentración en reposo de Ca 2+ en el citoplasma normalmente se mantiene 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, Ca 2+ se bombea activamente desde el citosol al espacio extracelular, el retículo endoplásmico (RE) y, a veces, a las mitocondrias . Ciertas proteínas del citoplasma y orgánulos actúan como tampones al unirse al Ca 2+ . La señalización ocurre cuando se estimula a la célula para que libere iones Ca 2+ de los depósitos intracelulares y/o cuando el Ca 2+ ingresa a la célula a través de canales iónicos de la membrana plasmática . [1] Bajo ciertas condiciones, la concentración intracelular de Ca 2+ puede comenzar a oscilar a una frecuencia específica. [3]
Señales específicas pueden desencadenar un aumento repentino en los niveles de Ca 2+ citoplasmático a 500-1000 nM al abrir 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) .
El agotamiento de Ca 2+ del ER dará lugar a la entrada de Ca 2+ desde fuera de la célula mediante la activación de los "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 ocurre el ICRAC aún están bajo investigación. Aunque Orai1 y STIM1 se han relacionado en varios estudios para un modelo propuesto de entrada de calcio operado por una tienda. Estudios recientes han citado la fosfolipasa A2 beta, [6] el ácido nicotínico adenina dinucleótido fosfato (NAADP), [7] y la proteína STIM 1 [8] como posibles mediadores de ICRAC.
El calcio es un segundo mensajero ubicuo con una amplia gama de funciones fisiológicas. [2] Estos 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 ocurre con la plasticidad sináptica y la secreción. de saliva . [9] [10] Los niveles altos de Ca 2+ citoplasmático también pueden causar que la célula sufra 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 de iones y los componentes del citoesqueleto . [13]
Muchos de los eventos mediados por Ca 2+ ocurren cuando el Ca 2+ liberado se une y activa la proteína reguladora calmodulina . La calmodulina puede activar las proteínas quinasas dependientes de calmodulina Ca 2+ o puede actuar directamente sobre otras proteínas efectoras. [14] Además de la calmodulina, existen muchas otras proteínas de unión a Ca 2+ que median los efectos biológicos del Ca 2+ .
Las contracciones de las fibras del músculo esquelético se deben a la 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 varios tampones sensibles al calcio. El Ca 2+ en el mioplasma se difundirá hacia 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 la entrada de Ca 2+ . Cuando se produce una entrada 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 por difusión de Ca 2+ extracelular a través de canales iónicos. Esto puede conducir a tres resultados diferentes. El primero es un aumento uniforme de la concentración de Ca 2+ en toda la célula. Esto es responsable del aumento de 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 provocar una liberación espontánea de neurotransmisores a través de canales nerviosos simpáticos o parasimpáticos . El último resultado potencial es una liberación de Ca 2+ subplasmalémica específica y localizada . Este tipo de liberación aumenta la activación de la proteína quinasa y se observa en el músculo cardíaco, donde provoca el acoplamiento excitación-concentración. Ca 2+ también puede resultar de depósitos internos que se encuentran en el SR. Esta liberación puede ser causada por receptores Ryaodine (RYR) o IP 3 . La liberación de Ca 2+ de RYR es espontánea y localizada. Esto se ha observado en varios tejidos del músculo liso, incluidas las arterias , la vena porta , la vejiga urinaria , los tejidos de los uréteres , los tejidos de las vías respiratorias y los tejidos gastrointestinales . La liberación de IP 3 Ca 2+ es causada por la activación del receptor IP 3 en el SR. Estos flujos de entrada suelen ser espontáneos y localizados, como se observa en el colon y la vena porta, pero pueden dar lugar a una onda global de Ca 2+ , como se observa en muchos tejidos vasculares. [dieciséis]
En las neuronas , los aumentos concomitantes del 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+ en la matriz mitocondrial pueden alcanzar las 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 servir en una red que integra numerosas señales extracelulares e intracelulares en un sistema de membrana binario con la membrana plasmática. Tal 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 para actuar como un sumidero de Ca 2+ y las proteínas liberadoras de Ca 2+ específicas sirven para crear un sistema que puede producir ondas regenerativas de liberación de Ca 2+ . Estos pueden comunicarse tanto local como globalmente en la célula. Estas señales de Ca 2+ integran flujos extracelulares e intracelulares y se ha implicado que desempeñan funciones en la plasticidad sináptica, la memoria, la liberación de neurotransmisores , la excitabilidad neuronal y los cambios a largo plazo a nivel de transcripción genética. El estrés del RE también está relacionado con la señalización de Ca 2+ 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 mediante 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 las reservas internas. 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 en la concentración de calcio en el citosol de 100 nanomolar a 1 micromolar. [21]
En muchas especies se ha observado que la entrada de Ca 2+ durante la fertilización es un desencadenante del desarrollo del ovocito . Estos flujos pueden ocurrir como un único aumento en la concentración como se observa en peces y equinodermos , o pueden ocurrir con concentraciones oscilantes como se observa en los mamíferos . Los desencadenantes de estos influjos de Ca 2+ pueden diferir. Se ha observado que la entrada se produce a través de conductos de Ca 2+ de membrana y depósitos de Ca 2+ en los espermatozoides . También se ha visto que los espermatozoides se unen a receptores de membrana que conducen a la liberación de Ca 2+ desde el RE. También se ha observado que los espermatozoides liberan un factor soluble que es específico de esa especie. Esto evita que se produzca fertilización entre especies. Estos factores solubles conducen a la activación de IP 3, lo que provoca una liberación de Ca 2+ desde el RE a través de los receptores IP 3 . [22] También se ha visto que algunos sistemas modelo combinan estos métodos, como se ve con 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 de 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 polispermia .
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