CALMODULIN: CẤU TRÚC, CHỨC NĂNG VÀ CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG - SINH HỌC - 2025

Calmodulin là một thuật ngữ có nghĩa là "protein điều chế canxi", và đề cập đến một protein nội bào nhỏ có đặc tính liên kết với ion canxi (Ca ++) và làm trung gian cho nhiều hoạt động nội bào của nó. Nguồn gốc của từ này xuất phát từ sự kết hợp của các từ tiếng Anh 'canxi', 'modulated' và 'protein', khi ghép lại với nhau, bắt nguồn từ CAL cium MODUL ated prote IN .

Trong số các nguyên tố khoáng trở thành một phần cấu tạo nên các sinh vật động vật, canxi, sau đó là phốt pho, cho đến nay là phong phú nhất, vì xương được hình thành do sự lắng đọng trong ma trận một lượng lớn muối khoáng. hình thành từ ion này.

Sơ đồ về calmodulin và các vị trí liên kết với canxi của nó (Nguồn: PDB qua Wikimedia Commons)

Tất nhiên, những muối khoáng canxi này cần thiết cho sự cấu tạo và hình thành hệ thống xương của động vật có xương sống, nhưng chính dạng ion hóa của canxi (Ca ++) trong dung dịch trong dịch cơ thể có tầm quan trọng sinh lý liên quan đối với sự sống của động vật. sinh vật.

Cation này, với hai điện tích dương dư thừa trong cấu trúc của nó, có thể hoạt động như một chất vận chuyển dòng điện bằng cách di chuyển qua màng tế bào và điều chỉnh mức điện thế của nó trong nhiều tế bào dễ bị kích thích của cơ thể, chủ yếu là ở cơ tim.

Nhưng mối liên quan sinh lý lớn hơn là thực tế là nhiều phản ứng điều hòa tế bào được kích hoạt bởi các kích thích bên ngoài, chẳng hạn như chất dẫn truyền thần kinh, hormone hoặc các yếu tố vật lý hoặc sinh hóa khác, là các loại thác chuyển hóa trong đó một số protein tham gia tuần tự, một số trong số đó là các enzym cần canxi để kích hoạt hoặc bất hoạt chúng.

Sau đó, người ta nói rằng trong những trường hợp này, canxi đóng vai trò như một chất truyền tin thứ hai trong dòng chuyển hóa được định sẵn để có kết quả cuối cùng giống như phản ứng của tế bào cần thiết để đáp ứng nhu cầu được phát hiện ở một mức độ khác với bản thân tế bào và nó đòi hỏi câu trả lời cụ thể của cô ấy.

Canxi có thể tác động trực tiếp lên mục tiêu sinh hóa của nó để ảnh hưởng đến hoạt động của nó, nhưng nó thường yêu cầu sự tham gia của một protein mà nó phải liên kết để tạo ra tác dụng lên (các) protein được biến đổi. Calmodulin là một trong những protein trung gian đó.

Kết cấu

Calmodulin, rất phổ biến, vì nó được biểu hiện trong hầu hết các loại tế bào ở sinh vật nhân chuẩn, là một protein có tính axit nhỏ với trọng lượng phân tử khoảng 17 kDa, cấu trúc của nó được bảo tồn cao giữa các loài.

Nó là một protein đơn phân, nghĩa là, nó được tạo thành từ một chuỗi polypeptit duy nhất, mà ở đầu tận cùng của nó có dạng các miền hình cầu nối với nhau bằng một chuỗi xoắn alpha. Mỗi miền hình cầu có hai mô típ được gọi là bàn tay EF (EF hand) đặc trưng cho các protein liên kết canxi.

Calmodulin liên kết với bốn ion canxi (Nguồn: Webridge qua Wikimedia Commons)

Những mô típ tôpô "bàn tay EF" này đại diện cho một loại cấu trúc siêu thứ cấp; Chúng được liên kết với nhau, trong mỗi vùng hình cầu, bởi một vùng có tính linh hoạt cao và trong mỗi vùng có một vị trí liên kết với Ca ++, tổng cộng tạo ra 4 vị trí cho mỗi phân tử calmodulin.

Sự liên kết của các ion canxi tích điện dương được thực hiện nhờ sự hiện diện của các gốc axit amin với các chuỗi bên mang điện tích âm tại các vị trí liên kết canxi của calmodulin. Những chất tồn dư này là ba aspartat và một glutamate.

Chức năng của calmodulin

Tất cả các chức năng được biết đến cho đến nay của calmodulin đều được đóng khung trong một nhóm các hoạt động được thúc đẩy bởi sự gia tăng canxi trong tế bào được tạo ra bởi sự xâm nhập của nó từ không gian ngoại bào hoặc sự thoát ra khỏi các chất lắng đọng trong tế bào: ty thể và lưới nội chất.

Nhiều hoạt động của canxi được thực hiện bởi ion này tác động trực tiếp lên các protein mục tiêu của nó, có thể có nhiều loại và chức năng khác nhau. Một số loại protein này không thể chịu ảnh hưởng trực tiếp mà cần canxi để liên kết với calmodulin và chính phức hợp này tác động lên protein chịu ảnh hưởng của ion.

Các protein mục tiêu này được cho là phụ thuộc canxi-calmodulin và bao gồm hàng chục loại enzym, chẳng hạn như protein kinase, protein phosphatase, nucleotide cyclase và phosphodiesterase; tất cả chúng liên quan đến vô số chức năng sinh lý bao gồm:

- Sự trao đổi chất

- Sự vận chuyển của các hạt

- Di động nội tạng

- Sự bài tiết các chất

- Sự thụ tinh của noãn.

- Biểu hiện di truyền

- Tăng sinh tế bào

- Tính toàn vẹn về cấu trúc của tế bào

- Giao tiếp giữa các tế bào, v.v.

Trong số các kinase protein phụ thuộc vào calmodulin, những chất sau được đề cập: myosin chuỗi nhẹ kinase (MLCK), phosphorylase kinase, và Ca ++ / calmodulin kinase I, II và III.

Do đó, thông tin được mã hóa bởi các tín hiệu canxi (tăng hoặc giảm nồng độ nội bào của nó) được “giải mã” bởi protein này và các protein liên kết canxi khác, giúp chuyển đổi các tín hiệu thành những thay đổi sinh hóa; nói cách khác, calmodulin là một protein trung gian trong các quá trình truyền tín hiệu phụ thuộc vào canxi.

Cơ chế hoạt động

Calmodulin là một loại protein rất linh hoạt, vì các protein "đích" của nó rất đa dạng về hình dạng, trình tự, kích thước và chức năng. Vì nó là một protein có chức năng như một "cảm biến" đối với các ion canxi, nên cơ chế hoạt động của nó phụ thuộc vào những thay đổi gây ra trong cấu trúc và / hoặc hình dạng của nó khi nó liên kết với bốn trong số các ion này.

Cơ chế hoạt động của nó có thể được minh chứng bằng cách xem xét ngắn gọn sự tham gia của nó vào một số quá trình sinh lý như co cơ trơn nội tạng và thích ứng với mùi do các tế bào lông của niêm mạc khứu giác trong mũi.

Calmodulin và co cơ trơn

Cấu trúc của cầu nối ngang myosin 1A và calmodulin trong các bó actin của vi nhung mao. Nguồn: Jeffrey W. Brown, C. James McKnight

Sự co cơ của xương và cơ tim được kích hoạt khi sự gia tăng Ca ++ trong tế bào đạt đến mức trên 10-6 mol / l và ion này liên kết với troponin C, chất này trải qua những thay đổi về dị ứng ảnh hưởng đến tropomyosin. Đổi lại, tropomyosin di chuyển, để lộ các vị trí liên kết myosin của nó trong actin, khiến quá trình co bóp kích hoạt.

Troponin C không tồn tại trong cơ trơn, và sự gia tăng Ca ++ trên mức chỉ định thúc đẩy sự liên kết của nó với calmodulin. Phức hợp Ca-calmodulin kích hoạt kinase chuỗi nhẹ myosin (MLCK), từ đó phosphoryl hóa chuỗi nhẹ này, kích hoạt myosin và kích hoạt quá trình co bóp.

Sự gia tăng Ca ++ xảy ra thông qua sự xâm nhập của nó từ bên ngoài hoặc sự thoát ra khỏi lưới cơ chất do tác động của inositol triphosphat (IP3) được giải phóng bởi phospholipase C trong dòng thác được kích hoạt bởi các thụ thể kết hợp với protein Gq. Sự giãn ra xảy ra khi Ca ++, do tác động của các chất vận chuyển, được loại bỏ khỏi tế bào và quay trở lại vị trí ban đầu của nó.

Một sự khác biệt quan trọng giữa cả hai loại co là ở cơ vân (tim và xương) Ca ++ gây ra những thay đổi về dị ứng bằng cách liên kết với protein của nó, troponin, trong khi ở cơ trơn những thay đổi do Ca-calmodulin tạo ra là cộng hóa trị và ngụ ý sự phosphoryl hóa myosin.

Do đó, một khi hoạt động của Ca ++ đã kết thúc, cần có sự tham gia của một enzym khác để loại bỏ photphat do kinase thêm vào. Enzyme mới này là myosin light chain phosphatase (MLCP) có hoạt tính không phụ thuộc vào calmodulin mà được điều chỉnh bởi các con đường khác.

Trên thực tế, quá trình co bóp của cơ trơn không chấm dứt hoàn toàn, nhưng mức độ co vẫn ở mức trung gian do sự cân bằng hoạt động của cả hai enzym, MLCK được kiểm soát bởi Ca ++ và calmodulin, và MLCP chịu đối với các kiểm soát quy định khác.

Thích ứng trong cảm biến khứu giác

Cảm giác có mùi được kích hoạt khi các thụ thể khứu giác nằm trong lông mao của các tế bào nằm trên bề mặt niêm mạc khứu giác được kích hoạt.

Các thụ thể này được kết hợp với một protein G dị hóa được gọi là "Golf" (protein G khứu giác), có ba đơn vị con: "αolf", "ß" và "γ".

Khi các thụ thể khứu giác được kích hoạt để phản ứng với mùi, các tiểu đơn vị của protein này phân ly và tiểu đơn vị "αolf" kích hoạt enzyme adenyl cyclase, tạo ra cyclic adenosine monophosphate (cAMP).

CAMP kích hoạt các kênh giống CNG (được kích hoạt bởi các nucleotide tuần hoàn) cho canxi và natri. Các ion này xâm nhập vào tế bào, khử cực nó và gây ra sự khởi đầu của các điện thế hoạt động mà tần số của chúng sẽ quyết định cường độ của mùi.

Canxi đi vào, có xu hướng khử cực tế bào, có tác dụng đối kháng với phản hồi tiêu cực, phần nào sau đó, bằng cách liên kết với calmodulin và giữa chúng đóng kênh và loại bỏ kích thích khử cực, mặc dù kích thích tạo mùi vẫn tồn tại. . Đây được gọi là đối sánh cảm biến.

Calmodulin trong thực vật

Thực vật cũng phản ứng với sự khác biệt về nồng độ nội bào của các ion canxi thông qua protein calmodulin. Ở những sinh vật này, calmodulin có nhiều đặc điểm cấu trúc và chức năng với các loài động vật và nấm men, mặc dù chúng khác nhau ở một số khía cạnh chức năng.

Ví dụ, calmodulin trong thực vật liên kết với các chuỗi peptit ngắn trong protein mục tiêu của chúng, gây ra những thay đổi cấu trúc làm thay đổi hoạt động của chúng để đáp ứng với các biến thể bên trong của canxi.

Calmodulin kiểm soát các quá trình tương tự như các quá trình xảy ra ở động vật và thực vật ở mức độ nào vẫn còn là vấn đề đang được thảo luận ngày nay.

Người giới thiệu

1. Brenner B: Musculatur, trong: Physiologie, ấn bản thứ 6; R Klinke và cộng sự (chủ biên). Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 2010.
2. Ganong WF: Cơ sở Tế bào & Phân tử của Sinh lý Y học, trong: Tổng quan về Sinh lý Y khoa, 25 xuất bản. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
3. Guyton AC, Hall JE: Giới thiệu về nội tiết, trong: Sách giáo khoa Sinh lý Y khoa, xuất bản lần thứ 13, AC Guyton, JE Hall (eds). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
4. Kaup UB, Müller F: Hệ thống Olfactorisches, Trong: Physiologie, xuất bản lần thứ 4; P Deetjen và cộng sự (eds). München, Elsevier GmbH, Urban & Fischer, 2005.
5. Korbmacher C, Greger R, Brenner B, Silbernagl S: Die Zelle als Grundbaustein, trong: Physiologie, xuất bản lần thứ 6; R Klinke và cộng sự (chủ biên). Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 2010.
6. Zielinski, RE (1998). Calmodulin và các protein liên kết với calmodulin trong thực vật. Đánh giá hàng năm về sinh học thực vật, 49 (1), 697-725.