Tín hiệu Canxi

Tín hiệu canxi sử dụng ion canxi như một chất truyền tin nội bào gần như phổ biến. Bởi vì các tế bào duy trì nồng độ canxi tự do rất thấp trong tế bào chất ở trạng thái nghỉ, một sự gia tăng có kiểm soát, được tạo ra bởi dòng chảy qua màng plasma hoặc giải phóng từ các kho dự trữ nội bào, đóng vai trò như một tín hiệu nhanh chóng, linh hoạt, điều hòa các quá trình từ co cơ và tiết dịch đến biểu hiện gen và chết tế bào.

Definition

Tín hiệu canxi là việc sử dụng các thay đổi được điều hòa trong nồng độ ion canxi tự do nội bào, được tạo ra bởi dòng chảy qua các kênh màng plasma hoặc giải phóng từ các kho dự trữ nội bào, để kiểm soát các quá trình tế bào thông qua các protein hiệu ứng liên kết canxi.

Scope

Chủ đề này bao gồm các nguồn và cách xử lý canxi nội bào, các kênh, bơm và bộ đệm định hình tín hiệu canxi, vai trò của inositol trisphosphate và các protein liên kết canxi, cũng như mô hình hóa không gian và thời gian của các phản ứng canxi. Nó được coi là một chủ đề sinh hóa và phân tử trong các cơ chế truyền tín hiệu.

Core questions

• Làm thế nào các tế bào tạo ra sự gia tăng canxi nhanh chóng, cục bộ so với mức nghỉ thấp?
• Làm thế nào cùng một ion được sử dụng để kiểm soát rất nhiều quá trình khác nhau?
• Làm thế nào các tín hiệu canxi được định hình trong không gian và thời gian và sau đó kết thúc?

Key concepts

• Nồng độ canxi bào tương thấp ở trạng thái nghỉ
• Thụ thể Inositol trisphosphate (IP3)
• Thụ thể Ryanodine
• Kênh canxi cổng điện thế và phụ thuộc kho dự trữ
• Bơm và bộ trao đổi canxi
• Calmodulin và các protein liên kết canxi
• Dao động và sóng canxi

Mechanisms

Các tế bào giữ nồng độ canxi tự do trong bào tương rất thấp bằng cách bơm nó ra ngoài qua màng plasma và vào lưới nội chất hoặc lưới cơ tương. Một tín hiệu làm tăng canxi bằng cách mở các kênh màng plasma, chẳng hạn như các kênh cổng điện thế, hoặc bằng cách giải phóng canxi từ các kho dự trữ nội bào thông qua các thụ thể inositol trisphosphate, mở ra để đáp ứng với chất truyền tin thứ cấp được tạo ra bởi phospholipase C, và thông qua các thụ thể ryanodine. Sự gia tăng kết quả được phát hiện bởi các protein liên kết canxi, đáng chú ý nhất là calmodulin, khi liên kết canxi sẽ kích hoạt các enzyme hạ nguồn bao gồm các kinase phụ thuộc canxi/calmodulin. Sự cạn kiệt các kho dự trữ nội bào có thể kích hoạt dòng canxi phụ thuộc kho dự trữ để bổ sung chúng. Tín hiệu được định hình thành các xung, dao động và sóng lan truyền bởi sự tương tác của các kênh giải phóng, bộ đệm và hệ thống hấp thu, và nó kết thúc khi các bơm và bộ trao đổi khôi phục nồng độ nghỉ thấp. Sự kết hợp giữa nền thấp và giải phóng có kiểm soát này cho phép cùng một ion mã hóa nhiều thông điệp riêng biệt.

Clinical relevance

Việc xử lý canxi là cần thiết cho các mô dễ bị kích thích như cơ và thần kinh, và các rối loạn trong tín hiệu canxi có liên quan đến nhiều quá trình bệnh lý. Mục này mô tả các cơ chế ở cấp độ tham chiếu và không phải là cơ sở cho các quyết định chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

Evidence & guidelines

Sự hiểu biết về tín hiệu canxi dựa trên nghiên cứu lý sinh, sinh hóa và hình ảnh, cũng như các đánh giá và sách giáo khoa có thẩm quyền, chứ không phải các hướng dẫn thực hành lâm sàng.

History

Sự công nhận rằng sự gia tăng canxi nội bào kích hoạt các phản ứng sinh lý, bắt đầu với các nghiên cứu kinh điển về co cơ, đã được mở rộng khi Berridge và Irvine xác định inositol trisphosphate là chất truyền tin thứ cấp giải phóng canxi từ các kho dự trữ nội bào. Công việc tiếp theo đã mô tả đặc điểm các kênh, bơm và protein liên kết canxi có liên quan và thiết lập mô hình hóa không gian và thời gian phong phú của tín hiệu canxi như một phương tiện mã hóa thông tin.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Tại sao các tế bào giữ nồng độ canxi ở trạng thái nghỉ rất thấp?

Mức nghỉ thấp có nghĩa là ngay cả một dòng chảy nhỏ hoặc giải phóng cũng tạo ra một thay đổi tương đối lớn, mang lại tín hiệu nhanh, độ tương phản cao; nó cũng bảo vệ tế bào, vì nồng độ canxi cao mãn tính là độc hại và có thể gây chết tế bào.

Làm thế nào một ion có thể kiểm soát rất nhiều phản ứng khác nhau?

Các tế bào mã hóa thông tin trong vị trí, biên độ, thời gian và tần số của các thay đổi canxi và đọc chúng bằng các protein liên kết canxi khác nhau, do đó cùng một ion có thể chọn lọc kích hoạt co cơ, tiết dịch, biểu hiện gen hoặc các kết quả khác tùy thuộc vào ngữ cảnh.