CALMODULIN: STRUKTUR, FUNGSI DAN MEKANISME TINDAKAN - BIOLOGI - 2025

Calmodulin adalah istilah yang berarti "protein termodulasi kalsium", dan merujuk kepada protein intraselular kecil yang memiliki sifat mengikat ion kalsium (Ca ++) dan menengahi banyak tindakan intraselularnya. Asal kata berasal dari gabungan perkataan Inggeris 'kalsium', 'termodulasi' dan 'protein' yang, apabila disatukan, berasal dari CAL cium MODUL yang disusun prote IN .

Di antara unsur-unsur mineral yang menjadi sebahagian daripada pembentukan organisma haiwan, kalsium, diikuti oleh fosfor, sejauh ini adalah yang paling banyak, kerana tulang terbentuk oleh pemendapan dalam matriks sejumlah besar garam mineral terbentuk daripada ion ini.

Skema tenangodulin dan laman pengikat kalsiumnya (Sumber: PDB melalui Wikimedia Commons)

Sudah tentu, garam mineral kalsium ini penting untuk penyusunan dan penyesuaian sistem kerangka vertebrata, tetapi bentuk kalsium terionisasi (Ca ++) dalam larutan dalam cairan tubuh yang memperoleh kepentingan fisiologi yang relevan untuk kehidupan haiwan. organisma.

Kation ini, dengan dua cas elektrik positif yang berlebihan dalam strukturnya, dapat bertindak sebagai pengangkut arus dengan bergerak melalui membran sel dan mengubah tahap potensi elektriknya di banyak sel tubuh yang terangsang, terutama pada otot jantung.

Tetapi yang lebih relevan dengan fisiologi adalah kenyataan bahawa banyak reaksi pengawalseliaan selular yang dipicu oleh rangsangan luaran, seperti neurotransmitter, hormon, atau faktor fizikal atau biokimia lain, adalah spesies lata metabolik di mana beberapa protein berpasangan secara berurutan, beberapa di antaranya adalah enzim yang memerlukan kalsium untuk pengaktifan atau ketidakaktifan mereka.

Dikatakan kemudian dalam kes-kes ini bahawa kalsium bertindak sebagai utusan kedua dalam lata metabolik yang ditakdirkan memiliki hasil akhir yang akan menjadi seperti tindak balas selular yang diperlukan untuk memenuhi keperluan yang dikesan pada tahap lain yang berbeza dari sel itu sendiri, dan bahawa ia memerlukan itu jawapannya.

Kalsium dapat bertindak secara langsung pada sasaran biokimia untuk mempengaruhi aktivitinya, tetapi sering memerlukan penyertaan protein yang mesti diikatnya agar dapat memberi kesannya pada protein untuk diubah. Calmodulin adalah salah satu protein mediator.

Struktur

Calmodulin, yang mana-mana terdapat di mana-mana, kerana dinyatakan dalam hampir semua jenis sel dalam organisma eukariotik, adalah protein berasid kecil dengan berat molekul sekitar 17 kDa, strukturnya sangat terpelihara di antara spesies.

Ini adalah protein monomer, iaitu, ia terdiri daripada rantai polipeptida tunggal, yang pada hujung terminalnya mengambil bentuk domain globular yang bergabung dengan heliks alfa. Setiap domain globular mempunyai dua motif yang dikenali sebagai tangan EF (tangan EF) yang khas untuk protein yang mengikat kalsium.

Calmodulin terikat kepada empat ion kalsium (Sumber: Webridge melalui Wikimedia Commons)

Motif topologi "tangan EF" ini mewakili sejenis struktur supersecondary; Mereka dihubungkan satu sama lain, di setiap domain globular, dengan wilayah yang sangat fleksibel dan di masing-masing terdapat laman web yang mengikat untuk Ca ++, yang menghasilkan 4 laman secara keseluruhan untuk setiap molekul tenang.

Pengikatan ion kalsium bermuatan positif dimungkinkan dengan adanya residu asid amino dengan rantai sampingan bermuatan negatif di tempat pengikatan kalsium tenangodulin. Sisa ini adalah tiga aspartat dan satu glutamat.

Fungsi tenangodulin

Semua fungsi yang diketahui setakat ini untuk tenangodulin dirangka dalam sekumpulan tindakan yang dipromosikan oleh peningkatan kalsium sitosolik yang dihasilkan oleh kemasukannya dari ruang ekstraselular atau keluarnya dari deposit intraselular: mitokondria dan retikulum endoplasma.

Sebilangan besar tindakan kalsium dilakukan oleh ion ini yang bertindak langsung pada protein sasarannya, yang boleh terdiri dari pelbagai jenis dan fungsi. Sebilangan protein ini tidak dapat dipengaruhi secara langsung, tetapi memerlukan kalsium untuk mengikat kododulin dan kompleks inilah yang bertindak pada protein yang dipengaruhi oleh ion.

Protein sasaran ini dikatakan bergantung kepada kalsium-tenangodulin dan merangkumi puluhan enzim, seperti protein kinase, protein fosfatase, nukleotida siklase, dan fosfodiesterase; semuanya terlibat dalam pelbagai fungsi fisiologi yang merangkumi:

- Metabolisme

- Pengangkutan zarah

- Mobiliti viseral

- Rembesan zat

- Persenyawaan ovula

- Ekspresi genetik

- Percambahan sel

- Keutuhan struktur sel

- Komunikasi antara sel, dll.

Di antara kinase protein yang bergantung pada kododulin, berikut disebutkan: kinase rantai ringan myosin (MLCK), fosforilase kinase, dan kinase Ca ++ / tenangodulin I, II dan III.

Oleh itu, maklumat yang dikodkan oleh isyarat kalsium (kenaikan atau penurunan kepekatan intraselularnya) "disahkod" oleh ini dan protein pengikat kalsium lain, yang mengubah isyarat menjadi perubahan biokimia; dengan kata lain, tenangodulin adalah protein perantaraan dalam proses isyarat bergantung kepada kalsium.

Mekanisme tindakan

Calmodulin adalah protein yang sangat serba boleh, kerana protein "sasaran" sangat beragam dalam bentuk, urutan, ukuran, dan fungsi. Oleh kerana ia adalah protein yang berfungsi sebagai "sensor" untuk ion kalsium, mekanisme tindakannya bergantung pada perubahan yang disebabkan oleh struktur dan / atau konformasinya setelah ia mengikat ke empat ion ini.

Mekanisme tindakannya dapat dicontohkan dengan mengkaji secara ringkas penyertaannya dalam beberapa proses fisiologi seperti pengecutan otot licin viseral dan penyesuaian terhadap bau yang dialami oleh sel-sel rambut mukosa penciuman di hidung.

Calmodulin dan pengecutan otot licin

Struktur jambatan silang myosin 1A dan tenangodulin dalam kumpulan mikrovili aktin. Sumber: Jeffrey W. Brown, C. James McKnight

Kontraksi otot rangka dan jantung dipicu apabila peningkatan Ca ++ sitosolik mencapai tahap di atas 10-6 mol / l dan ion ini mengikat troponin C, yang mengalami perubahan alosterik yang mempengaruhi tropomiosin. Pada gilirannya, tropomyosin bergerak, memperlihatkan tapak pengikat myosin dalam aktin, menyebabkan proses kontraktil terbakar.

Troponin C tidak terdapat pada otot licin, dan peningkatan Ca ++ di atas tahap yang ditunjukkan mendorong pengikatannya dengan tenangodulin. Kompleks Ca-tenangodulin mengaktifkan kinase rantai ringan myosin (MLCK), yang seterusnya memfosforilasi rantai ringan ini, mengaktifkan myosin, dan memicu proses kontraktil.

Peningkatan Ca ++ berlaku melalui kemasukannya dari luar atau keluarnya dari retikulum sarkoplasma oleh tindakan inositol trifosfat (IP3) yang dilepaskan oleh fosfolipase C dalam lata yang diaktifkan oleh reseptor yang digabungkan dengan protein Gq. Relaksasi berlaku apabila Ca ++, dengan tindakan pengangkut, dikeluarkan dari sitosol dan kembali ke tempat asalnya.

Perbezaan penting antara kedua-dua jenis kontraksi adalah bahawa pada otot-otot yang berlarut (jantung dan rangka) Ca ++ menyebabkan perubahan alosterik dengan mengikat proteinnya, troponin, sementara pada otot licin perubahan yang dihasilkan oleh Ca-tenangodulin adalah kovalen dan menyiratkan fosforilasi myosin.

Oleh itu, setelah tindakan Ca ++ berakhir, penyertaan enzim lain diperlukan untuk menghilangkan fosfat yang ditambahkan oleh kinase. Enzim baru ini adalah fosfatase rantai ringan myosin (MLCP) yang aktivitinya tidak bergantung pada tenangodulin, tetapi diatur oleh jalan lain.

Pada hakikatnya, proses kontraktil otot licin tidak berhenti sepenuhnya, tetapi tahap penguncupan tetap pada tahap pertengahan akibat keseimbangan tindakan kedua-dua enzim, MLCK yang dikendalikan oleh Ca ++ dan tenangodulin, dan MLCP dikenakan kepada kawalan peraturan lain.

Penyesuaian dalam sensor penciuman

Sensasi bau dipicu apabila reseptor penciuman yang terletak di silia sel yang terletak di permukaan mukosa penciuman diaktifkan.

Reseptor ini digabungkan dengan protein G heterotrimerik yang dikenali sebagai "Golf" (protein penciuman G), yang mempunyai tiga subunit: "αolf", "ß" dan "γ".

Apabila reseptor penciuman diaktifkan sebagai tindak balas kepada bau, subunit protein ini berasingan dan subunit "αolf" mengaktifkan enzim adenil siklase, menghasilkan adenosin monofosfat siklik (cAMP).

CAMP mengaktifkan saluran seperti CNG (diaktifkan oleh nukleotida siklik) untuk kalsium dan natrium. Ion-ion ini memasuki sel, mendepolarisasi dan menyebabkan permulaan potensi tindakan yang frekuensinya akan menentukan intensiti bau.

Kalsium yang masuk, yang cenderung mendepolarisasi sel, mempunyai kesan antagonis terhadap maklum balas negatif, agak lama kemudian, dengan mengikat pada kododulin dan antara keduanya menutup saluran dan menghilangkan rangsangan depolarisasi, walaupun rangsangan bau tetap ada . Ini dipanggil pemadanan sensor.

Calmodulin pada tumbuh-tumbuhan

Tumbuhan juga bertindak balas terhadap perbezaan kepekatan ion kalsium intraselular dengan protein kododulin. Dalam organisma ini, tenangodulin berkongsi banyak ciri struktur dan fungsi dengan rakan haiwan dan ragi mereka, walaupun mereka berbeza dalam beberapa aspek fungsi.

Sebagai contoh, tenangodulin pada tumbuhan mengikat urutan peptida pendek dalam protein sasarannya, menyebabkan perubahan struktur yang mengubah aktiviti mereka sebagai tindak balas terhadap variasi dalaman kalsium.

Sejauh mana proses kawalan kododulin yang serupa dengan proses yang berlaku pada haiwan pada tumbuhan masih menjadi perbincangan hari ini.

Rujukan

1. Brenner B: Musculatur, dalam: Physiologie, 6th ed; R Klinke et al (eds). Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 2010.
2. Ganong WF: Asas Selular & Molekul Fisiologi Perubatan, dalam: Kajian Fisiologi Perubatan, edisi ke-25. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
3. Guyton AC, Hall JE: Pengantar endokrinologi, dalam: Buku teks Fisiologi Perubatan, edisi ke-13, AC Guyton, JE Hall (eds). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
4. Kaup UB, Müller F: Olfactorisches System, In: Physiologie, edisi ke-4; P Deetjen et al (eds). München, Elsevier GmbH, Urban & Fischer, 2005.
5. Korbmacher C, Greger R, Brenner B, Silbernagl S: Die Zelle als Grundbaustein, dalam: Physiologie, 6th ed; R Klinke et al (eds). Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 2010.
6. Zielinski, RE (1998). Protein pengikat Calmodulin dan tenangodulin pada tumbuhan. Kajian tahunan biologi tumbuhan, 49 (1), 697-725.