La codificación de calcio (también conocida como codificación de Ca 2+ o procesamiento de información de calcio ) es una vía de señalización intracelular utilizada por muchas células para transferir, procesar y codificar información externa detectada por la célula. En fisiología celular , la información externa a menudo se convierte en dinámica de calcio intracelular . El concepto de codificación de calcio explica cómo los iones Ca 2+ actúan como mensajeros intracelulares , retransmitiendo información dentro de las células para regular su actividad. [1] Dada la ubicuidad de los iones Ca 2+ en la fisiología celular , la codificación de Ca 2+ también se ha sugerido como una herramienta potencial para caracterizar la fisiología celular en la salud y la enfermedad. [2] [3] [4] Las bases matemáticas de la codificación de Ca 2+ han sido iniciadas por el trabajo de Joel Keizer y Hans G. Othmer sobre el modelado de calcio en la década de 1990 y más recientemente han sido revisadas por Eshel Ben-Jacob , Herbert Levine y colaboradores.
Aunque las elevaciones de Ca 2+ son necesarias para que actúe como señal, los aumentos prolongados de la concentración de Ca 2+ en el citoplasma pueden ser letales para la célula. Por lo tanto, las células evitan la muerte enviando generalmente señales de Ca 2+ como breves transitorios (es decir, elevaciones de Ca 2+ seguidas de una rápida disminución ) o en forma de oscilaciones . En analogía con la teoría de la información , la amplitud o la frecuencia o ambas características de estas oscilaciones de Ca 2+ definen el modo de codificación de Ca 2+ . Por lo tanto, se pueden distinguir tres clases de señales de Ca 2+ en función de su modo de codificación: [2] [3] [5]
Los experimentos y modelos biofísicos muestran que el modo de codificación del calcio varía de una célula a otra, y que una célula dada podría incluso mostrar diferentes tipos de codificación de calcio para diferentes condiciones patofisiológicas. [6] [7] Esto podría proporcionar en última instancia una herramienta crucial en el diagnóstico médico , para caracterizar, reconocer y prevenir enfermedades . [6] Se han desarrollado herramientas de análisis basadas en la transformada de Furier que pueden realizar análisis espectrales y examinar las oscilaciones de calcio a partir de datos experimentales [8]
La codificación del calcio se puede caracterizar matemáticamente mediante modelos biofísicos de señalización del calcio . [9] El análisis del plano de fase y de bifurcación de estos modelos puede revelar de hecho cómo varían la frecuencia y la amplitud de las oscilaciones del calcio en función de cualquier parámetro del modelo. [3] La aparición de codificación AM, FM o AFM se puede evaluar en la extensión del rango mínimo-máximo de amplitud y frecuencia de las oscilaciones de Ca 2+ y la estructura de bifurcación del sistema en estudio.
Un aspecto crítico de la codificación de Ca 2+ revelado por el modelado , es cómo depende de la dinámica de la compleja red de reacciones de las señales subyacentes de movilización de Ca 2+ . Este aspecto se puede abordar considerando modelos de Ca 2+ que incluyen tanto la dinámica de Ca 2+ como la dinámica de las señales de movilización de Ca 2+ . Un modelo simple y biofísicamente realista de este tipo es el modelo ChI , desarrollado originalmente por Eshel Ben-Jacob y colaboradores, [4] para la liberación de Ca 2+ inducida por inositol-1,4,5-trisfosfato (IP 3 ) mediada por GPCR . La principal conclusión de este estudio fue que la dinámica de la señal de IP 3 movilizadora de Ca 2+ es esencialmente codificación AFM con respecto al estímulo, mientras que las oscilaciones de Ca 2+ pueden ser FM o AFM, pero no únicamente AM . [4] Se argumentó que la naturaleza AFM de la señal IP 3 movilizadora de Ca 2+ podría representar la solución ideal para traducir de manera óptima señales extracelulares pulsadas o discontinuas en oscilaciones de Ca 2+ intracelulares continuas . [4]
La codificación del calcio puede estar confinada dentro de una sola célula o involucrar conjuntos de células [9] [10] y desplegar tareas computacionales esenciales, como la integración de estímulos [4] [11] o la activación regulada de la transcripción genética . [12] Además, las células a menudo se organizan en redes , lo que permite la propagación intercelular de la señalización del calcio . [10] Con este respecto, el mismo modo de codificación del calcio podría ser compartido por diferentes células, proporcionando sincronización [4] o la base funcional para implementar tareas computacionales más complejas. [7]
Michael Forrest ha demostrado que la dinámica intracelular del calcio puede permitir que una neurona de Purkinje realice cálculos de alternancia y ganancia sobre sus entradas. [13] De este modo, se muestra cómo una concentración de iones puede utilizarse como una variable computacional, en particular, como un elemento de memoria: registrando un historial de disparos y entradas, para dictar cómo responde la neurona a futuras entradas. Por lo tanto, este trabajo plantea la hipótesis de que el potencial de membrana (V) no es la única variable de codificación de la célula de Purkinje, sino que funciona junto con un sistema de memoria de calcio. Estos dos interactúan, y la memoria de calcio es codificada y decodificada por el potencial de membrana. Es probable que los cálculos de alternancia y ganancia sean importantes para los cálculos de red en el cerebelo , en el cerebro . Por lo tanto, los cálculos de iones pueden ser importantes de manera más global que para una sola célula. Forrest denomina a esta hipótesis: "computación de iones a red".