การส่งสัญญาณแคลเซียม
การส่งสัญญาณแคลเซียมใช้ไอออนแคลเซียมเป็นตัวส่งสารภายในเซลล์ที่เกือบจะเป็นสากล เนื่องจากเซลล์รักษาระดับความเข้มข้นของแคลเซียมอิสระในไซโตพลาสซึมไว้ต่ำมาก การเพิ่มขึ้นอย่างควบคุม ซึ่งเกิดจากการไหลเข้าผ่านเยื่อหุ้มเซลล์พลาสมาหรือการปล่อยจากแหล่งเก็บภายใน ทำหน้าที่เป็นสัญญาณที่รวดเร็วและหลากหลาย ซึ่งควบคุมกระบวนการต่างๆ ตั้งแต่การหดตัวของกล้ามเนื้อและการหลั่ง ไปจนถึงการแสดงออกของยีนและการตายของเซลล์
Definition
การส่งสัญญาณแคลเซียมคือการใช้การเปลี่ยนแปลงที่ถูกควบคุมในความเข้มข้นของไอออนแคลเซียมอิสระภายในเซลล์ ซึ่งเกิดจากการไหลเข้าผ่านช่องทางเยื่อหุ้มเซลล์พลาสมาหรือการปล่อยจากแหล่งเก็บภายใน เพื่อควบคุมกระบวนการของเซลล์ผ่านโปรตีนตัวรับสัญญาณที่จับกับแคลเซียม
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมแหล่งที่มาและการจัดการแคลเซียมภายในเซลล์ ช่องทาง ปั๊ม และบัฟเฟอร์ที่กำหนดรูปแบบสัญญาณแคลเซียม บทบาทของอิโนซิทอลไตรฟอสเฟตและโปรตีนจับแคลเซียม รวมถึงรูปแบบเชิงพื้นที่และเวลาของการตอบสนองของแคลเซียม โดยได้รับการพิจารณาว่าเป็นหัวข้อทางชีวเคมีและโมเลกุลภายในกลไกการส่งสัญญาณ
Core questions
- เซลล์สร้างการเพิ่มขึ้นของแคลเซียมอย่างรวดเร็วและเฉพาะที่ได้อย่างไรเมื่อเทียบกับระดับพักที่ต่ำ?
- ไอออนเดียวกันถูกนำมาใช้เพื่อควบคุมกระบวนการที่แตกต่างกันมากมายได้อย่างไร?
- สัญญาณแคลเซียมถูกกำหนดรูปแบบในอวกาศและเวลาอย่างไร และสิ้นสุดลงได้อย่างไร?
Key concepts
- แคลเซียมในไซโตซอลที่ระดับพักต่ำ
- ตัวรับอิโนซิทอลไตรฟอสเฟต (IP3)
- ตัวรับไรยาโนดีน
- ช่องทางแคลเซียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าและที่ควบคุมโดยแหล่งเก็บ
- ปั๊มและตัวแลกเปลี่ยนแคลเซียม
- คาลโมดูลินและโปรตีนจับแคลเซียม
- การแกว่งและคลื่นแคลเซียม
Mechanisms
เซลล์รักษาระดับแคลเซียมอิสระในไซโตซอลให้ต่ำมากโดยการสูบฉีดออกไปทั่วเยื่อหุ้มเซลล์พลาสมาและเข้าสู่เอนโดพลาสมิกหรือซาร์โคพลาสมิกเรติคูลัม สัญญาณจะเพิ่มแคลเซียมโดยการเปิดช่องทางเยื่อหุ้มเซลล์พลาสมา เช่น ช่องทางที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า หรือโดยการปล่อยแคลเซียมจากแหล่งเก็บภายในผ่านตัวรับอิโนซิทอลไตรฟอสเฟต ซึ่งจะเปิดออกเพื่อตอบสนองต่อตัวส่งสารตัวที่สองที่สร้างโดยฟอสโฟไลเปสซี และผ่านตัวรับไรยาโนดีน การเพิ่มขึ้นที่เกิดขึ้นจะถูกตรวจจับโดยโปรตีนจับแคลเซียม โดยเฉพาะอย่างยิ่งคาลโมดูลิน ซึ่งเมื่อจับกับแคลเซียมจะกระตุ้นเอนไซม์ปลายน้ำ รวมถึงไคเนสที่ขึ้นกับแคลเซียม/คาลโมดูลิน การพร่องของแหล่งเก็บภายในสามารถกระตุ้นการไหลเข้าของแคลเซียมที่ควบคุมโดยแหล่งเก็บเพื่อเติมเต็มแหล่งเก็บเหล่านั้น สัญญาณจะถูกสร้างเป็นช่วงเวลาสั้นๆ การแกว่ง และคลื่นที่แพร่กระจายโดยการทำงานร่วมกันของช่องทางการปล่อย บัฟเฟอร์ และระบบการดูดซึม และจะสิ้นสุดลงเมื่อปั๊มและตัวแลกเปลี่ยนคืนค่าความเข้มข้นที่ต่ำในสภาวะพัก การรวมกันของพื้นหลังที่ต่ำและการปล่อยที่ควบคุมนี้ช่วยให้ไอออนเดียวกันสามารถเข้ารหัสข้อความที่แตกต่างกันได้มากมาย
Clinical relevance
การจัดการแคลเซียมมีความสำคัญต่อเนื้อเยื่อที่ตื่นตัวได้ เช่น กล้ามเนื้อและเส้นประสาท และความผิดปกติในการส่งสัญญาณแคลเซียมมีความเกี่ยวข้องกับกระบวนการของโรคหลายชนิด ข้อมูลนี้อธิบายกลไกในระดับอ้างอิงและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษาเฉพาะบุคคล
Evidence & guidelines
ความเข้าใจเกี่ยวกับการส่งสัญญาณแคลเซียมขึ้นอยู่กับการวิจัยทางชีวฟิสิกส์ ชีวเคมี และการถ่ายภาพ รวมถึงบทวิจารณ์และตำราเรียนที่เชื่อถือได้ มากกว่าแนวทางปฏิบัติทางคลินิก
History
การรับรู้ว่าการเพิ่มขึ้นของแคลเซียมภายในเซลล์กระตุ้นการตอบสนองทางสรีรวิทยา โดยเริ่มจากการศึกษาคลาสสิกของการหดตัวของกล้ามเนื้อ ได้รับการขยายออกไปเมื่อ Berridge และ Irvine ระบุว่าอิโนซิทอลไตรฟอสเฟตเป็นตัวส่งสารตัวที่สองที่ปล่อยแคลเซียมจากแหล่งเก็บภายใน งานวิจัยต่อมาได้ระบุลักษณะของช่องทาง ปั๊ม และโปรตีนจับแคลเซียมที่เกี่ยวข้อง และสร้างรูปแบบเชิงพื้นที่และเวลาที่หลากหลายของสัญญาณแคลเซียมเป็นวิธีการเข้ารหัสข้อมูล
Key figures
- Michael Berridge
- David Clapham
- William Catterall
- Robin Irvine
Related topics
Seminal works
- berridge-2000
- berridge-1984
- clapham-2007
Frequently asked questions
- ทำไมเซลล์จึงรักษาระดับแคลเซียมในสภาวะพักให้ต่ำมาก?
- ระดับพักที่ต่ำหมายความว่าแม้การไหลเข้าหรือการปล่อยเพียงเล็กน้อยก็ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ที่มาก ทำให้ได้สัญญาณที่รวดเร็วและมีความคมชัดสูง นอกจากนี้ยังช่วยปกป้องเซลล์ เนื่องจากแคลเซียมที่สูงเรื้อรังเป็นพิษและสามารถกระตุ้นการตายของเซลล์ได้
- ไอออนเดียวสามารถควบคุมการตอบสนองที่แตกต่างกันมากมายได้อย่างไร?
- เซลล์เข้ารหัสข้อมูลในตำแหน่ง ความกว้าง เวลา และความถี่ของการเปลี่ยนแปลงของแคลเซียม และอ่านข้อมูลเหล่านั้นด้วยโปรตีนจับแคลเซียมที่แตกต่างกัน ดังนั้นไอออนเดียวกันจึงสามารถกระตุ้นการหดตัว การหลั่ง การแสดงออกของยีน หรือผลลัพธ์อื่นๆ ได้อย่างเลือกสรรขึ้นอยู่กับบริบท