- بناء
- وظائف كالموديولين
- آلية العمل
- الكالمودولين وتقلص العضلات الملساء
- التكيف في أجهزة استشعار حاسة الشم
- الكالمودولين في النباتات
- المراجع
Calmodulin هو مصطلح يعني "بروتين معدّل بالكالسيوم" ، ويشير إلى بروتين صغير داخل الخلايا له خاصية الارتباط بأيون الكالسيوم (Ca ++) ويتوسط العديد من أفعاله داخل الخلايا. يأتي أصل الكلمة من مزيج من الكلمات الإنجليزية "كالسيوم" و "معدَّل" و "بروتين" والتي عند وضعها معًا تشتق في CAL cium MODUL ated protein IN.
من بين العناصر المعدنية التي أصبحت جزءًا من تكوين الكائنات الحية ، الكالسيوم ، يليه الفوسفور ، هو الأكثر وفرة إلى حد بعيد ، حيث يتكون العظم من ترسب كميات كبيرة من الأملاح المعدنية في مصفوفة. تشكلت من هذا الأيون.
رسم تخطيطي للكالودولين ومواقع الارتباط بالكالسيوم (المصدر: PDB عبر ويكيميديا كومنز)
بالطبع ، تعتبر أملاح الكالسيوم المعدنية هذه ضرورية لتكوين وتشكيل النظام الهيكلي للفقاريات ، لكن الشكل المتأين للكالسيوم (Ca ++) الموجود في محلول في سوائل الجسم هو الذي يكتسب أهمية فسيولوجية ذات صلة بحياة الحيوانات. الكائنات الحية.
يمكن لهذا الكاتيون ، الذي يحتوي على شحنتين كهربائيتين موجبتين زائدين في بنيته ، أن يعمل كناقل للتيار من خلال التحرك عبر غشاء الخلية وتعديل مستوى الجهد الكهربائي في العديد من خلايا الجسم القابلة للاستثارة ، وخاصة في عضلة القلب.
ولكن الأهم من ذلك هو حقيقة أن العديد من التفاعلات التنظيمية الخلوية الناتجة عن المحفزات الخارجية ، مثل النواقل العصبية أو الهرمونات أو غيرها من العوامل الفيزيائية أو الكيميائية الحيوية ، هي أنواع من السلاسل الأيضية التي تشارك فيها عدة بروتينات بالتتابع ، وبعضها عبارة عن إنزيمات تتطلب الكالسيوم لتنشيطها أو تعطيلها.
يقال بعد ذلك في هذه الحالات أن الكالسيوم يعمل كمرسِل ثانٍ في سلسلة استقلابية مُقَدَّر لها الحصول على نتيجة نهائية تشبه الاستجابة الخلوية الضرورية لتلبية حاجة تم الكشف عنها على مستوى مختلف عن الخلية نفسها ، وهذا يتطلب لها تلك الإجابة بالذات.
يمكن للكالسيوم أن يعمل بشكل مباشر على هدفه الكيميائي الحيوي للتأثير على نشاطه ، لكنه غالبًا ما يتطلب مشاركة بروتين يجب أن يرتبط به من أجل ممارسة تأثيره على البروتين (البروتينات) المراد تعديله. الكالمودولين هو أحد تلك البروتينات الوسيطة.
بناء
الكالمودولين ، واسع الانتشار في كل مكان ، نظرًا لأنه يتم التعبير عنه في جميع أنواع الخلايا للكائنات حقيقية النواة تقريبًا ، هو بروتين حمضي صغير بوزن جزيئي يبلغ حوالي 17 كيلو دالتون ، ويتم الحفاظ على هيكله بدرجة عالية بين الأنواع.
إنه بروتين أحادي ، أي أنه يتكون من سلسلة عديد ببتيد واحدة ، والتي في نهاياتها النهائية تأخذ شكل المجالات الكروية المرتبطة بحلزون ألفا. يحتوي كل مجال كروي على شكلين معروفين باسم يد EF (يد EF) التي تعتبر نموذجية لبروتينات ربط الكالسيوم.
يرتبط Calmodulin بأربعة أيونات الكالسيوم (المصدر: Webridge عبر ويكيميديا كومنز)
تمثل الأشكال الطوبولوجية "يد EF" نوعًا من الهياكل فوق الثانوية ؛ ترتبط مع بعضها البعض ، في كل مجال كروي ، من خلال منطقة من المرونة الكبيرة وفي كل منها يوجد موقع ربط لـ Ca ++ ، والذي ينتج عنه 4 مواقع في المجموع لكل جزيء كالمودولين.
أصبح ربط أيونات الكالسيوم موجبة الشحنة ممكنًا من خلال وجود بقايا الأحماض الأمينية مع سلاسل جانبية سالبة الشحنة في مواقع ارتباط الكالسيوم بالكالموديولين. هذه البقايا هي ثلاثة أسبارتات وغلوتامات واحد.
وظائف كالموديولين
تم تأطير جميع الوظائف المعروفة حتى الآن للكالودولين ضمن مجموعة من الإجراءات التي تعززها الزيادات في الكالسيوم العصاري الناتج عن دخوله من الفضاء خارج الخلية أو خروجه من الرواسب داخل الخلايا: الميتوكوندريا والشبكة الإندوبلازمية.
يتم تنفيذ العديد من إجراءات الكالسيوم بواسطة هذا الأيون من خلال العمل مباشرة على البروتينات المستهدفة ، والتي يمكن أن تكون من أنواع ووظائف مختلفة. لا يمكن أن تتأثر بعض هذه البروتينات بشكل مباشر ، ولكنها تتطلب ارتباط الكالسيوم بالكالموديولين وهذا المركب هو الذي يعمل على البروتين المتأثر بالأيون.
يقال إن هذه البروتينات المستهدفة تعتمد على الكالسيوم والكالودولين وتتضمن عشرات الإنزيمات ، مثل بروتين كينازات ، وفوسفاتازات البروتين ، وحلقات النوكليوتيدات ، والفوسفوديستيراز. جميعهم يشاركون في عدد لا يحصى من الوظائف الفسيولوجية التي تشمل:
- التمثيل الغذائي
- نقل الجسيمات
- الحركة الحشوية
- إفراز المواد
- إخصاب البويضات
- التعبير الجيني
- تكاثر خلوي
- السلامة الهيكلية للخلايا
- التواصل بين الخلايا ، إلخ.
من بين كينازات البروتين المعتمدة على الكالودولين ، هناك مذكور: كيناز سلسلة خفيفة الميوسين (MLCK) ، فسفوريلاز كيناز ، و Ca ++ / كالمودولين كينازات الأول والثاني والثالث.
وبالتالي ، فإن المعلومات المشفرة بواسطة إشارات الكالسيوم (زيادة أو نقصان تركيزه داخل الخلايا) يتم "فك تشفيرها" بواسطة هذا البروتين وغيره من البروتينات المرتبطة بالكالسيوم ، والتي تحول الإشارات إلى تغييرات كيميائية حيوية ؛ بعبارة أخرى ، يعد الكالودولين بروتينًا وسيطًا في عمليات التأشير المعتمدة على الكالسيوم.
آلية العمل
يعتبر الكالمودولين بروتينًا شديد التنوع ، حيث تتنوع البروتينات "المستهدفة" بشكل كبير في الشكل والتسلسل والحجم والوظيفة. نظرًا لأنه بروتين يعمل "كمستشعر" لأيونات الكالسيوم ، فإن آلية عمله تعتمد على التغييرات التي تحدث في هيكلها و / أو شكلها بمجرد ارتباطها بأربعة من هذه الأيونات.
يمكن تمثيل آليات عملها من خلال مراجعة موجزة لمشاركتها في عدد من العمليات الفسيولوجية مثل تقلص العضلات الملساء الحشوية والتكيف مع الروائح التي تعاني منها خلايا شعر الغشاء المخاطي في الأنف.
الكالمودولين وتقلص العضلات الملساء
هيكل الجسور المتقاطعة للميوسين 1A والكالودولين في حزم الأكتين من الميكروفيلي. المصدر: Jeffrey W. Brown، C. James McKnight
يحدث تقلص عضلات الهيكل العظمي والقلب عندما تصل الزيادة في العصارة الخلوية Ca ++ إلى مستويات أعلى من 10-6 مول / لتر وهذا الأيون يرتبط بالتروبونين C ، والذي يخضع لتغيرات خيفية تؤثر على التروبوميوسين. في المقابل ، يتحرك التروبوميوسين ، ويكشف مواقع ارتباط الميوسين في الأكتين ، مما يتسبب في اشتعال عملية الانقباض.
لا يوجد تروبونين سي في العضلات الملساء ، والزيادة في الكالسيوم فوق المستوى المشار إليه تعزز ارتباطه بالكالموديولين. ينشط مركب Ca-calodulin كيناز سلسلة خفيفة من الميوسين (MLCK) ، والذي بدوره يفسفر هذه السلسلة الخفيفة ، وينشط الميوسين ، ويطلق عملية الانقباض.
تحدث الزيادة في Ca ++ من خلال دخولها من الخارج أو خروجها من الشبكة الساركوبلازمية من خلال عمل إينوزيتول ثلاثي الفوسفات (IP3) الذي يطلقه فسفوليباز C في السلسلة التي يتم تنشيطها بواسطة مستقبلات مقترنة ببروتين Gq. يحدث الاسترخاء عندما تتم إزالة Ca ++ ، من خلال عمل الناقلات ، من العصارة الخلوية والعودة إلى مواقعها الأصلية.
الفرق المهم بين كلا النوعين من الانقباضات هو أنه في العضلات المخططة (القلب والهيكل العظمي) ، يتسبب Ca ++ في حدوث تغيرات خيفية من خلال الارتباط ببروتينه ، تروبونين ، بينما في العضلات الملساء ، تكون التغييرات التي تنتجها Ca-calodulin تساهمية وتنطوي فسفرة الميوسين.
لذلك ، بمجرد انتهاء عمل Ca ++ ، يلزم مشاركة إنزيم آخر لإزالة الفوسفات المضاف بواسطة كيناز. هذا الإنزيم الجديد هو فوسفاتيز الميوسين ذو السلسلة الخفيفة (MLCP) الذي لا يعتمد نشاطه على الهدودولين ، ولكن يتم تنظيمه بواسطة مسارات أخرى.
في الواقع ، لا تتوقف عملية الانقباض للعضلات الملساء تمامًا ، لكن درجة الانقباض تظل عند مستوى متوسط نتيجة لتوازن إجراءات كلا الإنزيمين ، حيث يتحكم MLCK بواسطة Ca ++ و calodulin ، ويخضع MLCP للضوابط التنظيمية الأخرى.
التكيف في أجهزة استشعار حاسة الشم
يتم تشغيل الإحساس بالرائحة عند تنشيط المستقبلات الشمية الموجودة في أهداب الخلايا الموجودة على سطح الغشاء المخاطي الشمي.
تقترن هذه المستقبلات ببروتين G غير متجانس يعرف باسم "Golf" (بروتين G الشمي) ، والذي يحتوي على ثلاث وحدات فرعية: "αolf" و "ß" و "".
عندما يتم تنشيط المستقبلات الشمية استجابة لرائحة ما ، تنفصل الوحدات الفرعية لهذا البروتين وتنشط الوحدة الفرعية "αolf" إنزيم adenyl cyclase ، مما ينتج عنه أدينوزين أحادي الفوسفات (cAMP).
ينشط cAMP قنوات شبيهة بـ CNG (يتم تنشيطها بواسطة نيوكليوتيدات دورية) للكالسيوم والصوديوم. تدخل هذه الأيونات الخلية وتزيل الاستقطاب وتتسبب في بدء جهود العمل التي سيحدد ترددها شدة الرائحة.
الكالسيوم الذي يدخل ، والذي يميل إلى إزالة استقطاب الخلية ، له تأثير معاكس للتغذية المرتدة السلبية ، بعد ذلك بقليل ، عن طريق الارتباط بالكالموديولين وبينهما يغلق القناة ويزيل المنبهات المزيلة للاستقطاب ، على الرغم من استمرار المثير الرائحة. وهذا ما يسمى مطابقة أجهزة الاستشعار.
الكالمودولين في النباتات
تستجيب النباتات أيضًا للاختلافات في تركيز أيونات الكالسيوم داخل الخلايا عن طريق بروتين كالودولين. في هذه الكائنات الحية ، تشترك الهدودولين في العديد من الخصائص الهيكلية والوظيفية مع نظيراتها من الحيوانات والخميرة ، على الرغم من اختلافها في بعض الجوانب الوظيفية.
على سبيل المثال ، يرتبط الكالودولين في النباتات بتسلسلات الببتيد القصيرة داخل البروتينات المستهدفة ، مما يؤدي إلى تغييرات هيكلية تغير أنشطتها استجابةً للتغيرات الداخلية في الكالسيوم.
إلى أي مدى يتحكم عقار الكودودولين في العمليات المشابهة لتلك التي تحدث في الحيوانات في النباتات لا يزال موضع نقاش اليوم.
المراجع
- Brenner B: Musculatur ، in: Physiologie، 6th ed؛ آر كلينك وآخرون (محرران). شتوتغارت ، جورج ثيمي فيرلاغ ، 2010.
- Ganong WF: الأساس الخلوي والجزيئي لعلم وظائف الأعضاء الطبي ، في: مراجعة علم وظائف الأعضاء الطبية ، الطبعة 25. نيويورك ، McGraw-Hill Education ، 2016.
- Guyton AC ، Hall JE: مقدمة في علم الغدد الصماء ، في: Textbook of Medical Physiology، 13th ed، AC Guyton، JE Hall (eds). فيلادلفيا ، شركة إلسفير ، 2016.
- Kaup UB، Müller F: Olfactorisches System، In: Physiologie، 4th ed؛ P Deetjen وآخرون (محرران). München، Elsevier GmbH، Urban & Fischer، 2005.
- Korbmacher C، Greger R، Brenner B، Silbernagl S: Die Zelle als Grundbaustein، in: Physiologie، 6th ed؛ آر كلينك وآخرون (محرران). شتوتغارت ، جورج ثيمي فيرلاغ ، 2010.
- Zielinski ، RE (1998). الكالمودولين والبروتينات المرتبطة بالكالموديولين في النباتات. المراجعة السنوية لبيولوجيا النبات، 49 (1) ، 697-725.