Sydney Ringer впервые установил, что изолированное сердце крысы прекрасно сокращается в водопроводной воде, но но не сокращается в дистиллированной воде. Рингер быстро установил, что субстанций в воде Лондонского водопровода. отвественной за контрактильность является кальций, который составляет 38.3 частей на миллион.

Getting the ball rolling

Неожиданные находки Рингера не вызвали волну исследовательской активности. Идея важной роли Са²⁺ была в основном проигнорирована. Концепция передачи соганлво Са²⁺ стартовала лишь в 1940 годы, когда были сделаны важные находки на мышцах Heilbrunn и в работе Bailey. Первый установил, что изолированные мышечные волокна лягушки сокращаются, когда Са²⁺ добавляется к их разрезанным концам, но не к их поверхности. Следовательно, Са²⁺ д. проникать внутрь волокна, гдже он активирует сократительные элементы. Bailey показал, что активность АТФазы препаратов миозина стимулируется Са²⁺ и предположил, что сокращение мышц (которое соответствует активации миозиновой АТФазы) обеспечивается высвобождением Са²⁺ рядом с миозиновыми филаментами. 10 лет спуся Bozler повторил исследования Bailey и показал, что chelation Са²⁺ приводит к реляксации мышечных волокон. Наконец, в 1959 Weber показал непосредственно, что актомиозин активируется за счет связывания Са²⁺.

В этом же году были изолированы митохондрии и Hasselbach и Makinnose в 1961 и Ebashi и Lipman в 1962 пузырьки саркоплазматического ретикулема. Эти эксперименты показали, что Са²⁺ д. транспортироваться через мембраны этих органелл, это и послужило поворотным пунктом в исследованиях Са²⁺.

Controlling Са²⁺ in the cell

Если Са²⁺ необходим, чтобы высвобождать сигналы к мишеням, которые контролируют важные процессы, то его внутриклеточная концентрация д. регулироваться очень точно. Концентрация кальция в цитозоле обычно поддерживается на уровне 100-200 нМ (Tsiens). Чтобы поддерживать этот цитозольный уровень, эволюция создала многочисленные белки, способные связывать Са²⁺ и/или транспортировать из цитозоля, уменьшая тем самым конц. свободного кальция до пределов, которые необходимы для его сигнальной функции. Это делается возможным с помощью специальной координации химии Са²⁺, которая позволяет ему быть связанным с помощью полостей нерегулярной формы, таких как те, что обычно образуются четвертичной структурой белков. Белки, которпые связывают или взаимодействуют с Са²⁺ м. подразделить на два класса - те, которые только связывают или взаимодействуют с Са²⁺, чтобы регулировать его его концентрацию (буфферизация Са²⁺ и Са²⁺-транспортирующие белки) и те, которые связывают Са²⁺, чтобы декодировать его сигнал (сенсоры Са²⁺).

Са²⁺-buffering and Са²⁺-transporting proteins

Белки, которые регулируют концентрацию внутриклеточного Са²⁺, м. находиться в цитозоле, в органеллах или они м.б. присущи мембранам. Растворимые Са²⁺-buffering белки в цитозоле и органаллах являются кислоыми белками, которые м. накапливать большие количества Са²⁺. Как правило, они обладают низким сродством к Са²⁺. Важным Са²⁺-buffering белком в sarco(endo)plasmatic ретикулеме является calsequestrin, а гнаиболее интеречным Са²⁺-buffering белком в цитозоле является parvalbumin, который принадлежит к семейству EF-hand Са²⁺-сенсорных белков. Однако, т.к. парвальбумин, по-видимому, не участвует в процессе передачи сигналов Са²⁺, хотя все др. Са²⁺-сенсорные белки делеают это, то считается, что он является Са²⁺-buffering белком.

Белки, присущие мембранам, м. создавать и менять форму сигналов Са²⁺ за счет своей функциии в качестве каналов, АТФаз (насосов), или обменников (exchangers) ? которые транспортируют Са²⁺ поперек мембран (Рис. 2). Са²⁺ каналы обеспечивают проникновение Са²⁺ в клетку и его выход из сарко(эндо)плазматического ретикулема. В плазматической мембране Са²⁺ каналы регулируют свою пропускуную способность за счет изменения эл. напряжения, за счет взаимодействия с лигандом или просто за счет плохо еще изученного механизма, который связан с высвобождением внутриклеточных хранилищ Са²⁺. Напряжением регулируемые каналы имеются нескольких субтипов, из которых L-типа, который являются мишенью для широко используемых антогонистов Са²⁺, охарактеризован лучше всего. Наиболее важными из каналов, оперируемых лигандом, являются регулируемые нейротрансмиттерами, а средни них, glutamate-operated каналы изучены наиболее сильно. В сарко(эндо) плазматическом ретикулеме открытие Са²⁺ каналов регулируется с помощью самого Са²⁺ - процесс Са²⁺-индуцированного высвобождения Са²⁺ - но их открытие нуждается также в лигандах подобных inositol-(1,4,5)-trisphosphate (Ins(1,4,5)P₃) или в определенных типах клеток в др. эндогенном лиганде, cyclic ADP ribose, которая высвобождает Са²⁺ через каналы, которые известны как ryanodine рецепторы. Изоформа 1 этого рецептора (RYR1) экспрессируется реимущественно в скелетных мышцах, тогда как изоформа 2 (RYR2) экспрессируется в сердце и головном мозге. Связь между активацией рецепторов плпзматической мембраны и продукцией Ins(1,4,5)P₃, хорошо изучена , но данные о связи между рецепторами плазматической мембраны и продукцией циклической АДФ рибозы бедны. Считается, что циклическая АДФ рибоза образуется внеклеточно с помощью эктоэнзима и, следовательно, д.б. импортироваться для клеточной функции. Свободная АДФ рибоза - продукт NAD⁺ гидролиза и разрыва циклической АДФ рибозы - которая продуцируется вне клетки, как было показано, открывает вход Са²⁺ канала, который известен как long transient receptor potencial channel 2 (LTRPC2). Наконец, производное никотиновой кислоты NADP⁺ - NAADP⁺ - является последним дополнением к семейству Са²⁺-мобилизирующих мессенджеров.

И плазматическая мембрана и внутренняя митохондриальная мембрана содержат Na⁺/Са²⁺ exchangers (NCX и MNCX, соотв.), которые экспортируют Са²⁺ из клетки и митохондриального матрикса, соотв. Высокая производительность NCX плазматической мембраны осоенно активна в возбудимых клетках, которые нуждаются в периодических выбросах больших количеств Са²⁺. Менее охарактеризованы митохондриальный обменник MNCX, он также осоебнно активен в возбудимых клетках. В то время как плазматической мембраны NCX обменник меняет три Na⁺ на один Са²⁺ и , следовательно, отвечает за трансмембранный градиент Na⁺ и Са²⁺ и тем самым за различия в напряжении поперек мембраны, обменник MNCX, по-видимому, обменивает два Na⁺ на один Са²⁺. Это электрически нейтральная операция MNCX делает возможным экспорт Са²⁺ из митохондрий в присутствии высоких отрицательных мембранных потенциалов, которые поддерживаются на матричной стороне внутренней мембраны митохондрий с помощью респираторной цепи. Плазматические мембраны эукариот также содержат Са²⁺ АТФазу (PMCA насос), которая поддерживает концентрацию цитозольного Са²⁺ на уровне покоя в 100-200 нМ. Ее активность регулируется с помощью калмодулина, а также др. факторов. Две изоформы насоса РМСА1 и РМСА4 являются повсеместными, тогда как РМСА2 и РМСА3 присутствуют только в специализированных клетках, таких как нейроны. Некоторые клетки ( напр., специализированные нейроны Кортиева органа) содержат только форму РМСА2, которая является укаороченной с С-конца и которая м. регулироваться по-другому в отличие от др. изоформ, т.к. ее сродство к калмодулину м.б. очень низким.

Важным в области мембранных Са²⁺ транспортеров является определение четвертичной структуры sarco(endo)plasmic reticulum Са²⁺ ATPase (SERCA pump). Выявлена структура ее Са²⁺-связанной (Е1) и свободной от Са²⁺ (Е2) конформации, которая подкрепляет предположение о мембранной топологии и молекулярном механизме накачки. SERCA1 изоформа эксперессируется преимущественно в быстро-сокращабющихся мышцах, тогда как SERCA2 экспрессируется в многочисленных немышечных тканях также. Существуют также сплайс-формы. Важным аспектом функции накачки SERCA является регуляция с помощью мембранам присущего белка phospholamban, N-терминальный гидрофильный домен которого взаимодействует с активным центром насоса, чтобы делать егьо неактивным. Фосфорилирование двух соседних остатков фосфоламбана отсоединяет его от насоса и снимает его ингибирование.

Са²⁺ sensors

EF hand белки являются наиболее важными и лучше всего охарактеризоваными Са²⁺ сенсорами. Они связывают Са²⁺ используя helix-loop-helix мотив ( имеется от 2 до 12 таких мотивов в разных EF-hand белках), которые связывают Са²⁺ с атомами кислорода некоторых инвариантных остатков (Рис. 3). Описаны вариации в паттерне координации. Напр., атомы кислрода из соседних спиралей м. связывать Са²⁺. Др. Са²⁺ сенсоры - напр., аннексины, gelsolin и белки, которые содержат С2 домены (компактный β-сендвич из двух 4-нитчатых β-листков) - также следует упомянуть, хотя их роль плохо изучена. Са²⁺ сенсоры обычно модулируют энзимы-мишени, которые не являются собственно Са²⁺ сенсорами, а являются энзимами, которые м. непосредственно модулироваться с помощью Са²⁺, т.е. они являются подлинными Са²⁺ сенсорами. Т.к. Са²⁺ является обычно аллостерическим металлом, то энзимы никогда не присоединяеются к нему посредством его каталитического сайта; однако, из правила существуют исключения...

Членом основателем семейства EF-hand белков был Са²⁺-buffering белок парвальбумин. Его кристаллическая структура установлена Kretsinger и Nickholds в 1973 (Рис. 3) и его основной Са²⁺-связывающий принцип экстраполирован на остальные блеки. Семейство EF-hand белков сейчас включает сотни членов, наиболее изучен калмодулин. Процессинг Са²⁺ сигналов для подходящих энзимов-мишеней состоит из двух последовательных конформационных изменений EF-hand белков. Первое происходит, когда Са²⁺ соединяется с EF-hand белком, второе происходит, когда EF-hand белок взаимодействует с энзимом-мишенью и спадается в шпилько-образуню структуру вокруг специфического связывающего домена.

Некоторые др EF-hand белки, напр., хорошо известный тропонин С как Са²⁺ рецептор в миофибриллах, recoverin как 'actor' в процессе зрения и calbindin, экспрессия которого контролируется витамином D. Недавно установлено. что калбиндин активирует инозитол монофосфатазу, которая является важным энзимом сигнального пути фосфоинозитидов. Наконец, группа EF-hand белков, которые коллективно называются neuronal Са²⁺ sensors, обкспечивают нейрональные функции, такие как высвобождение нейротрансмиттеров и активация семейства К+ каналов.

Spatial and Temporal control of Са²⁺

Обычно передача сигналов начинается как элементарное событие, которое непосредственно влияет на соседние мишени, но затем распространяется, чтобы повлиять и на удаленные активности. Сигнал м. путешествовать в форме волны или в виде повторяющихся всплесков (spikes) разной частоты и амплитуды. Усиление сигнала в целом объясняется с помощью дифузии Са²⁺ от места инициального высвобождения к соседним хранилищам, где он запускает дальнейшее высвобождение Са²⁺. В свою очередь это д. "активировать" дальнейшие хранилища с помощью аутокаталитического процесса. Са²⁺ д.б., следовательно, наиболее важным фактором в амплификации сигнала (Са²⁺ индуцировованное высвобождение Са²⁺), но д.б.неэффективным в запуске инициального высвобождения Са²⁺ в отсутствие вторичных мессенджеров. Это снавнимо с обнаружением, что продукция вторичных мессенджеров необходима для инициального элементарного сигнала. Berridge et al. подробно обсуждают механизмы, лежащие в основе элементарных событий, которые известны как "пуффы"('puffs'), когда они возникают из Ins(1,4,5)P₃ рецепторов и 'sparks', когда они обусловливаются ryanodin/cyclic ADP ribose рецепторами. Интенсивно изучаемые осцилляции Са²⁺ являются эффективным путем передачи сигналов Са²⁺ к мишеням, которые нуждаются в длительном присутствии Са²⁺ без повреждаеющих эффектов его постоянных повышений. Др. Са²⁺-модулирующим событием , которое необходимо лишь для быстрого высвобождения пространственно ограниченного сигнала Са²⁺ (мышечное сокращение - наилучший пример), не нуждается в повторяющихся всплесках (spiking) Са²⁺.

Упоминаемые динамичные "хранилища Са²⁺" - это сарко(эндо)плазматический ретикулем. Berridge и др. открыли, что Ins(1,4,5)P₃ вызволяет Са²⁺ из пузырьков эндоплазматического ретикулема. Эукариотические клетки, однако, содержат также и др., находящиеся в мембранах, хранилища Са²⁺. Способность митохондриона накапливать Са²⁺ была установлена еще раньше. В митохондриях впервые выявлено осциллирующее поведение сигналов Са²⁺. Однако, митохондриальные хранилища обладают собственным осциллирующим поведением.

The receiving end of the Са²⁺ signal

Возникнув сигнал Са²⁺ меняется пространственно и во времени и декодируется с помощью Са²⁺ сенсоров, воспринимающие мишени транслируют сообщение в функцию. Некоторые функции родственн хорошо изученным молекулярным процессам, которые привлекают лишь специфические (committed) Са²⁺ сенсоры; напр., мышечное сокращение, которое является результатом получения Са²⁺ сообщения от EF-hand белка тропонина С. Др. важные функции-мишени сообщений Са²⁺ более сложны и включают нейротрансмиссию, экзоцитоз и секрецию, клеточный цикл и родственные процессы оплодотворения яиц. Сложные Са²⁺-модулируемые функции часто используют предварительную активацию общих 'collectors' сообщений Са²⁺, расположенных ниже их инициального декодирования с помощью сенсоров, подобных калмодулину. Коллекторы, которые активируются с помощью Са²⁺, затем распространяют сообщение к мишеням, расположенным ниже. Эти коллекторы являются Са²⁺-активируемыми протеин киназами и фосфатазами, которые являются центральными элементами в регуляции многих клеточных функций. Одним из примеров критической роли протеин киназ и фосфатаз является транскрипция генов. Две регулируемые калмодулином киназы - calmodulin kinase IV и II - и калмодулином регулируемая фосфатаза calcineurin, контролируют трнаскрипцию генов посредством своего влияния на cAMP response element binding protein (CREB), транскрипционный фактор, который связывает цАМФ чувствительный элемент. Более того, гены м.б. активированы с помощью Са²⁺ непосредственно, как это происходит в случае EF-hand транскрипционного репрессорного белка DREAM.

Формирование и хранение памяти - это др. пример трансдукции сообщений Са²⁺ с помощью фосфорилирования, которое в этом случае обеспечивается calmodulin kinase II. Процессы, эксплуатирующие свойства этой киназы - это ее мультимерная структура, позволяющая ей декодировать частоты осцилляций Са²⁺. Са²⁺-обусловленный процесс аутофосфорилирования делает индивидуальные субъединицы энзима нечувствительными к Са²⁺, так что они оказываются способными "запоминать" синаптические события в течение временных границ оборота белка.

The dark side of the Са²⁺ signal

Существенным признаком передачи сигналов Са²⁺ является обратимость сигнала, устойчивое увеличение концентрации Са²⁺ выше субмикромолярного уровня м. гасить функцию передачи сигналов Са²⁺. Такое устойчивое увеличение м. также постоянно активировать гидролитическую активность, главным образом протеаз, это является событием, которое несовместимо с жизнью клетки. Патологические процессы часто повреждают плазматические мембраны и тем самым обусловливают избыточные количества Са²⁺ в клетке, это заставляет митохондрии использовать энергию дыхания, чтобы накапливать Са²⁺ и фосфаты. Хотя этим выкупается драгоценное для клетки время, это только временно, т.к. энергия, которая используется для накопления Са²⁺, получается из синтеза АТФ, это приводит к недостатку АТФ для дальнейшей накачки избыточного Са²⁺ из цитозоля. Если повреждающий агент не будет быстро удален, то этот эффект для клетки окажется смертельным. Это острая Са²⁺ катастрофа, однако, лишь один из возможных исходов. Менее заметны генетические патологии, которые связаны с прерыванием передачи сигналов Са²⁺, затрагивающим белки, которые контролируют Са²⁺ и его сообщения ( напр., мембранные транспортеры и Са²⁺ сенсоры) или белки-мишени для Са²⁺ сообщений (напр., протеаза calpain). Следовательно, передача сигналов Са²⁺ м. влиять на здоровье человека.

Хотя токсическая гибель клеток характеризует темную сторону передачи сигналов Са²⁺, др. форма клеточной гибели, которая также м.б. связана с нарушением передачи сигналов Са²⁺, не имеет негативных последствий. Апопотоз является одним из способос декодирования Са²⁺ сигнала в процессе обновления органа и его ремоделирования. Исполнителями апоптоза являются протеолитические энзимы, которые известны как каспазы, которые м.б. связаны с Са²⁺ более, чем одним способом. Напр., они м.б. активированы факторами, которые высвобождаются из митохондрий через большие неселективные 'permeability transition' поры, отверстия, которые м.б. запущены в матриксе. Кроме того, каспазы м. расщеплять Са²⁺ насосы плазматической мембраны, это будет постоянно повышать уровень клеточного Са²⁺ выше границ, совместимых с жизнью клетки.

THE CALCIUM-SIGNALLING SAGA: TAP WATER AND PROTEIN CRYSTALS
Ernesto Carafoli
Nature Reviews Molecular Cell Biology 4, 326 -332 (2003)

Links

CALCIUM SIGNALLING: DYNAMICS, HOMEOSTASIS AND REMODELLING
Michael J. Berridge, Martin D. Bootman, H. Llewelyn Roderick
Nature Reviews Molecular Cell Biology 4, No 7, 517 -529 (2003); doi:10.1038/nrm1155

Links

THE CALCIUM-SIGNALLING SAGA: TAP WATER AND PROTEIN CRYSTALS Ernesto CarafoliNature Reviews Molecular Cell Biology 4, 326 -332 (2003)

Links

CALCIUM SIGNALLING: DYNAMICS, HOMEOSTASIS AND REMODELLINGMichael J. Berridge, Martin D. Bootman, H. Llewelyn RoderickNature Reviews Molecular Cell Biology 4, No 7, 517 -529 (2003); doi:10.1038/nrm1155

Links

THE CALCIUM-SIGNALLING SAGA: TAP WATER AND PROTEIN CRYSTALS
Ernesto Carafoli
Nature Reviews Molecular Cell Biology 4, 326 -332 (2003)

CALCIUM SIGNALLING: DYNAMICS, HOMEOSTASIS AND REMODELLING
Michael J. Berridge, Martin D. Bootman, H. Llewelyn Roderick
Nature Reviews Molecular Cell Biology 4, No 7, 517 -529 (2003); doi:10.1038/nrm1155