Кальциевая сигнализация

Кальциевая сигнализация использует ионы кальция в качестве почти универсального внутриклеточного мессенджера. Поскольку клетки поддерживают очень низкую базальную концентрацию свободного кальция в цитоплазме, контролируемое повышение, вызванное притоком через плазматическую мембрану или высвобождением из внутриклеточных депо, служит быстрым, многофункциональным сигналом, регулирующим процессы от сокращения мышц и секреции до экспрессии генов и гибели клеток.

Definition

Кальциевая сигнализация — это использование регулируемых изменений концентрации внутриклеточных свободных ионов кальция, вызванных притоком через каналы плазматической мембраны или высвобождением из внутриклеточных депо, для контроля клеточных процессов посредством кальций-связывающих эффекторных белков.

Scope

Тема охватывает источники и механизмы внутриклеточного кальция, каналы, насосы и буферы, формирующие кальциевые сигналы, роль инозитолтрифосфата и кальций-связывающих белков, а также пространственно-временное паттернирование кальциевых ответов. Она рассматривается как биохимический и молекулярный аспект в рамках механизмов передачи сигналов.

Core questions

• Как клетки генерируют быстрые, локализованные повышения кальция на фоне низкого базального уровня?
• Как один и тот же ион используется для контроля такого множества различных процессов?
• Как кальциевые сигналы формируются в пространстве и времени, а затем прекращаются?

Key concepts

• Низкий базальный цитозольный кальций
• Инозитолтрифосфатный (IP3) рецептор
• Рианодиновый рецептор
• Потенциал-зависимые и управляемые депо кальциевые каналы
• Кальциевые насосы и обменники
• Кальмодулин и кальций-связывающие белки
• Кальциевые осцилляции и волны

Mechanisms

Клетки поддерживают очень низкий уровень цитозольного свободного кальция, активно выкачивая его через плазматическую мембрану и в эндоплазматический или саркоплазматический ретикулум. Сигнал повышает уровень кальция либо путем открытия каналов плазматической мембраны, таких как потенциал-зависимые каналы, либо путем высвобождения кальция из внутренних депо через рецепторы инозитолтрифосфата, которые открываются в ответ на вторичный мессенджер, генерируемый фосфолипазой C, и через рианодиновые рецепторы. Возникающее повышение обнаруживается кальций-связывающими белками, наиболее заметным из которых является кальмодулин, который при связывании с кальцием активирует нижестоящие ферменты, включая кальций/кальмодулин-зависимые киназы. Истощение внутренних депо может вызвать кальциевый вход, управляемый депо (store-operated calcium entry), для их пополнения. Сигнал формируется в виде транзиентов, осцилляций и распространяющихся волн благодаря взаимодействию каналов высвобождения, буферов и систем поглощения, и он прекращается, когда насосы и обменники восстанавливают низкую базальную концентрацию. Такое сочетание низкого фонового уровня и контролируемого высвобождения позволяет одному и тому же иону кодировать множество различных сообщений.

Clinical relevance

Регуляция кальция имеет важное значение для возбудимых тканей, таких как мышцы и нервы, а нарушения кальциевой сигнализации связаны с многочисленными патологическими процессами. Эта статья описывает механизмы на справочном уровне и не является основанием для индивидуальных диагностических или лечебных решений.

Evidence & guidelines

Понимание кальциевой сигнализации основывается на биофизических, биохимических и визуализационных исследованиях, а также на авторитетных обзорах и учебниках, а не на клинических рекомендациях.

History

Признание того, что повышение внутриклеточного кальция запускает физиологические реакции, начиная с классических исследований сокращения мышц, было расширено, когда Берридж и Ирвин идентифицировали инозитолтрифосфат как вторичный мессенджер, высвобождающий кальций из внутренних депо. Последующие работы охарактеризовали задействованные каналы, насосы и кальций-связывающие белки и установили богатое пространственно-временное паттернирование кальциевых сигналов как средство кодирования информации.

Key figures

• Michael Berridge
• David Clapham
• William Catterall
• Robin Irvine

Seminal works

• berridge-2000
• berridge-1984
• clapham-2007

Frequently asked questions

Почему клетки поддерживают такой низкий базальный уровень кальция?

Низкий базальный уровень означает, что даже небольшой приток или высвобождение вызывает большое относительное изменение, обеспечивая быстрый, высококонтрастный сигнал; это также защищает клетку, поскольку хронически высокий уровень кальция токсичен и может вызвать гибель клетки.

Как один ион может контролировать так много разных реакций?

Клетки кодируют информацию в местоположении, амплитуде, времени и частоте изменений кальция и считывают ее с помощью различных кальций-связывающих белков, поэтому один и тот же ион может избирательно запускать сокращение, секрецию, экспрессию генов или другие результаты в зависимости от контекста.