Postępy Biochemii 58 (4) 2012

387

Krzysztof Zabłocki

*

Joanna Bandorowicz-Pikuła

Instytut Biologii Doświadczalnej im. Marcele-

go Nenckiego Polskiej Akademii Nauk, War-

szawa

*

Zakład

Biochemii,

Instytut

Biologii

Doświadczalnej im. Marcelego Nenckiego

PAN, ul. Pasteura 3, 02-093 Warszawa; tel.: (22)

589 21 46, e-mail: [e-mail]

Artykuł otrzymano 21 listopada 2012 r.

Artykuł zaakceptowano 26 listopada 2012 r.

Słowa kluczowe: jony wapnia, homeostaza

wapniowa, komórka zwierzęca, regulacja

Wykaz skrótów: CICR (ang. calcium-induced

calcium release) — zjawisko polegające na uwal-

nianiu Ca

2+

z siateczki śródplazmatycznej w

odpowiedzi na zwiększone stężenia Ca

2+

w

cytosolu; ER (ang. endoplasmic reticulum) — sia-

teczka śródplazmatyczna; NCX (ang. sodium-

-calcium exchanger) — wymiennik sodowo-

-wapniowy; PMCA (ang. plasma membrane cal-

cium ATPase) — pompa wapniowa błony pla-

zmatycznej; SERCA (ang. sarco/endo reticular

calcium ATPase) — pompa wapniowa siateczki

śródplazmatycznej; SOC (ang. store-operated

calcium channel) — kanał wapniowy aktywo-

wany w wyniku opróżnienia wewnątrzkomór-

kowych magazynów wapnia

Homeostaza wapnia w komórce zwierzęcej — w zarysie

StreSzczenie

J

ony wapnia są wszechstronnym i uniwersalnym przekaźnikiem sygnału uczestniczą-

cym w regulacji niemal wszystkich procesów życiowych komórki. Z drugiej strony

nadmierny wzrost ich stężenia w komórce może być przyczyną jej nieodwracalnych

uszkodzeń. Dlatego zmiany stężenia jonów wapnia w różnych przedziałach komórko-

wych muszą podlegać precyzyjnej kontroli. Odbywa się to przy udziale białek umoż-

liwiających przemieszczanie się Ca

2+

przez błony biologiczne, zarówno zgodnie, jak i

wbrew gradientowi stężenia oraz ich przejściowe wiązanie i magazynowanie, a także

„dekodujących” sygnał wapniowy. Celem niniejszego artykułu jest zwięzłe przedsta-

wienie podstawowych mechanizmów komórkowych umożliwiających zachowanie pra-

widłowej wewnątrzkomórkowej homeostazy wapnia.

WPROWADZENIE

Jony wapnia są kluczowym przekaźnikiem sygnału w komórce uczest-

niczącym w regulacji niemal wszystkich procesów życiowych na każdym

szczeblu drzewa filogenetycznego. Innymi słowy, są przekaźnikiem uniwer-

salnym i wszechstronnym [1]. Takie lub podobne stwierdzenia spotyka się

w wielu opracowaniach dotyczących homeostazy wapniowej w komórce i

są one tak oczywiste, że mogą wydawać się nie warte omawiania w kolejnej

pracy przeglądowej. Z drugiej strony, badania naukowe ciągle dostarczają

nowych informacji i ukazują nowe aspekty „metabolizmu” wapniowego, za-

równo w warunkach normy, jak i patologii. Pojawiają się nowe dowody na

to, że rozregulowanie homeostazy wapniowej w komórce może prowadzić

do poważnych zaburzeń, nie tylko dotyczących metabolizmu energetyczne-

go, uszkodzenia mitochondriów i ostatecznie do śmierci komórki na drodze

apoptozy lub nekrozy, ale także może być przyczyną poważnych patologii,

np. związanych z układem odpornościowym. Odkrycia te dodatkowo pod-

kreślają to, że stężenie jonów wapnia w różnych przedziałach komórkowych

oraz jego zmiany pod wpływem różnych czynników modulujących funkcjo-

nowanie komórki muszą podlegać precyzyjnej kontroli. Wymaga to udziału

wielu „narzędzi molekularnych”, umożliwiających przemieszczanie się Ca

2+

przez błony biologiczne. Także wiązanie jonów wapnia przez odpowiednie

białka i magazynowanie ich w wyspecjalizowanych strukturach komórko-

wych należy do repertuaru komórkowych metod utrzymywania homeostazy

i regulacji sygnalizacji wapniowej.

W tym wstępnym, dla cyklu prac przeglądowych opublikowanych w ni-

niejszym zeszycie Postępów Biochemii, artykule zebrane są podstawowe in-

formacje i pojęcia dotyczące homeostazy wapnia w komórce zwierzęcej. Jego

celem jest wprowadzenie w tę skomplikowaną tematykę i przez to ułatwienie

czytania następnych, bardziej szczegółowych artykułów, dotyczących wy-

branych zagadnień biologii komórki i przedstawiających najnowsze poglądy

dotyczące sygnalizacji wapniowej. Wydaje się, że pierwszym pytaniem, jakie

należy postawić analizując wewnątrzkomórkową homeostazę wapnia, jest

to, dlaczego właśnie jony wapnia, a nie inne jony pozornie podobnego pier-

wiastka, np. magnezu, mają tak wielkie znaczenie w komórce?

DlACZEgO WAPń?

Niezwykłe znaczenie jonów wapnia w komórce jest, co oczywiste, związa-

ne z jego szczególnymi właściwościami. Wśród nich jest większa niż innych

jonów reaktywność w stosunku do składników komórki. Wynika to z dużej

liczby koordynacyjnej Ca

2+

i większej elastyczności tworzenia wiązań koor-

dynacyjnych czyli często nieregularnej geometrii tworzenia oddziaływań

koordynacyjnych. Powodem jest też tendencja Ca

2+

do reagowania z różny-

mi związkami wielkocząsteczkowymi, głównie z białkami (zwłaszcza z ato-

388

www.postepybiochemii.pl

mami tlenu reszt karboksylowych reszt kwaśnych ami-

nokwasów), a także szybka kinetyka tych oddziaływań.

Inne jony dwuwartościowe nie spełniają tych warunków

albo ze względu na ich wysoką toksyczność (jak Pb

2+

lub

Cd

2+

), albo ze względu na występowanie w dużo mniej-

szych stężeniach (np. Sr

2+

i Mn

2+

), co stawia je na przegra-

nej pozycji we współzawodnictwie z jonami wapnia [2].

Z drugiej jednak strony wysoka reaktywność jonów

wapnia sprawia, że po przekroczeniu krytycznego stę-

żenia są dla komórki niebezpieczne. Jest to związane z

łatwością z jaką Ca

2+

oddziałuje zarówno ze związkami

wielko-, jak i drobnocząsteczkowymi. W warunkach wy-

sokiego stężenia Ca

2+

powoduje to zmniejszenie się roz-

puszczalności białek i kwasów nukleinowych prowadząc

do ich wypadania z roztworu. Co więcej, jony wapnia

reagują z jonami fosforanowymi, czego skutkiem jest

powstawanie trudno rozpuszczalnych kryształów hy-

droksyapatytu. W świecie, w którym stężenie fosforanów

jest wysokie, a metabolizm komórek jest w znacznej mie-

rze oparty o reakcje fosforylacji i tworzenie fosforanów

związków organicznych, powstawanie nierozpuszczal-

nych soli będące nieuchronnym skutkiem pojawienia się

Ca

2+

w stężeniu przekraczającym dopuszczalną granicę

wyznaczoną iloczynem rozpuszczalności soli miałoby

wysoce niekorzystne następstwa [2]. Właśnie ta chemicz-

na właściwość jonów wapnia wydaje się mieć kluczowe

znaczenie ewolucyjne, a komórki, na wszystkich etapach

rozwoju filogenetycznego, muszą sobie radzić z nadmia-

rem wapnia, jako substancji szkodliwej. Jednocześnie

precyzyjne wykorzystywanie Ca

2+

w tym zakresie stężeń,

które nie wywołuje ujemnych skutków jest podstawą

wielu procesów regulacyjnych, i w pewnym sensie jest

dodatkową korzyścią wynikającą z obrony przed Ca

2+

jako substancją toksyczną. Kontrola stężenia jonów wap-

nia w komórce jest w ogólnym bilansie procesem ener-

giochłonnym, więc jej rozchwianie z reguły prowadzi do

nadmiernego wzrostu stężenia Ca

2+

i uszkodzeń komórki

często prowadzących do jej unicestwienia.

W początkowym okresie w historii życia na Ziemi

wapń był uwięziony w skałach wulkanicznych i niedo-

stępny dla pierwotnych organizmów. Po ostygnięciu

planety, w następstwie szeregu procesów geofizycznych

doszło do stopniowego uwalniania wapnia do środowi-

ska wodnego, w którym rozwijało się życie. Skład jono-

wy wnętrza komórki jest w dużej mierze uzależniony od

składu jonowego tego środowiska, zawierającego przede

wszystkim jony sodu, jony chlorkowe oraz jony potasu,

magnezu i wapnia. Ale proporcje stężeń pomiędzy po-

szczególnymi jonami we wnętrzu komórki i jej otoczeniu

znacząco się różnią. Pojawienie się pierwszej komórki

wiązało się z powstaniem pierwotnych mechanizmów se-

gregujących jony, sprawiających, że roztwór zawarty w

przestrzeni oddzielonej od środowiska błoną stanowią-

ca barierę przepuszczalności miał inny skład nie tylko w

odniesieniu do substancji organicznych, ale także jonów

nieorganicznych. Utrzymywanie takich różnic stężeń wy-

magało stałego wydatku energetycznego. Ze względu na

wspomniane wcześniej niekorzystne dla komórek właści-

wości jonów wapnia, panujące w pierwotnym środowi-

sku życia warunki stwarzały silną presję ewolucyjną w

kierunku rozwoju mechanizmów jego usuwania z komó-

rek i organizmów. Powstawaniu życia musiał towarzy-

szyć rozwój zdolności do obrony przed napływającymi

do komórek jonami wapnia [3]. W efekcie stężenie jonów

wapnia w cytosolu

1

przeciętnej, niepobudzonej komórki

zwierzęcej osiąga bezpieczną wartość wynoszącą ok. 100

nM, co w warunkach 1–2 mM stężenia Ca

2+

panującego

w przestrzeni pozakomórkowej oznacza różnicę czterech

rzędów wielkości. Utworzony potencjał elektrochemicz-

ny przeciwstawia się wypompowywaniu Ca

2+

z komórki

i w istocie stanowi siłę „wpychającą” jony wapniowe z

powrotem do wnętrza komórki. Jedynie duża wydajność

systemów usuwających Ca

2+

, ograniczona przepuszczal-

ność błon plazmatycznych dla jonów i przede wszystkim

obecność innych jonów, głównie Na

+

, K

+

i Cl

-

, których

także nierównocenny rozkład w poprzek błony sprawia,

że różnica potencjału elektrycznego na błonie plazma-

tycznej komórki wynosi 40–60 mV (ujemny wewnątrz

komórki), pozwalają na utrzymanie właściwej różnicy

stężeń Ca

2+

.

Wydatek energetyczny komórki przeznaczony na

utrzymanie równowagi jonowej jest bardzo wysoki, ale

część tej energii, zmagazynowanej w postaci potencjału

elektrochemicznego jonów, może być wykorzystana przez

komórkę. Dotyczy to nie tylko jonów wapnia. Dzięki po-

tencjałowi elektrochemicznemu jonów sodu oraz obecno-

ści jonoselektywnych kanałów błonowych możliwy jest

szybki napływ Na

+

do wnętrza komórki. Jest to podstawą

pobudliwości komórki opartej o depolaryzację błony pla-

zmatycznej. W przypadku jonów wapnia ich szybki na-

pływ do komórki ma kluczowe znaczenie sygnalizacyjne.

Ze względu na to, że spoczynkowe stężenie Ca

2+

w cyto-

solu jest tak małe jego kilku- czy nawet kilkunastokrotne

zwiększenie wymaga tylko niewielkiego napływu jonów

wapnia do komórki i jest związane z nieznaczną zmia-

ną osmotyczności środowiska wewnątrzkomórkowego.

Uzyskanie takiej samej względnej zmiany stężenia jonów

magnezu, których stężenie w cytosolu wynosi 0,5–0,7

mM jest niemożliwe, po pierwsze ze względu na prze-

ciwny rozkład różnicy stężeń, co czyniło by ten proces

energiochłonnym i powolnym. Ponadto ponad 10-krot-

ny wzrost stężenia Mg

2+

(jak to ma miejsce w przypadku

Ca

2+

) wymagałby masywnego napływu tych jonów do

komórki, co mogłoby powodować zburzenia osmotycz-

ności i pęcznienie komórki [2,4]. Co więcej, duże stężenie

jonów magnezu w stosunku do wartości stałych wiąza-

nia sprawia, że miejsca jego oddziaływania z białkami

i innymi składnikami komórki są w znacznym stopniu

wysycone, co istotnie ogranicza jego zastosowanie jako

przekaźnika sygnału [2]. W przypadku jonów wapnia tak

nie jest i zmiany stężenia Ca

2+

w cytosolu o jeden lub dwa

rzędy wielkości powodują znaczące zmiany stopnia wy-

sycenia białek tymi jonami, co ma ogromne znaczenie w

sygnalizacji wewnątrzkomórkowej, polegającej w dużym

stopniu na odwracalnym przyłączaniu Ca

2+

do wyspecja-

lizowanych białek.

1

W niniejszej pracy termin „cytosol” znaczy tyle co „cytoplazma

podstawowa”, czyli cytoplazma pozbawiona wszelkich organelli

obłonionych. W ścisłym znaczeniu terminem „cytosol” określa się

frakcję rozpuszczalną komórki, po odwirowaniu jądra i organelli.

Postępy Biochemii 58 (4) 2012

389

Podsumowując tę część rozważań, szczególne wła-

ściwości jonów wapnia, które z jednej strony wymusiły

stworzenie mechanizmów ochronnych, a z drugiej po-

zwoliły na ich wykorzystanie w bezpiecznym zakresie

stężeń, tłumaczą dlaczego właśnie Ca

2+

a nie inne jony

znajdujące się w środowisku mają tak wielkie znacze-

nie w życiu komórki. Utrzymanie właściwej homeostazy

wapniowej i regulacja sygnałów opartych o zmiany stęże-

nia Ca

2+

w cytosolu i w innych przedziałach komórki wy-

maga szerokiego spektrum narzędzi molekularnych [1].

NARZęDZIA mOlEKulARNE

W SygNAlIZACJI WAPNIOWEJ

W warunkach normy w komórce eukariotycznej zmiany

stężenia Ca

2+

są precyzyjnie regulowane w ściśle ustalonym

zakresie, którego przekroczenie grozi poważnymi następ-

stwami. W regulacji tej bierze udział szereg białek, których

współdziałanie pozwala nie tylko na ochronę komórki

przed toksycznością jonów wapnia, ale także na efektywne

wykorzystywanie tych jonów jako regulatorów wielora-

kich procesów komórkowych począwszy od aktywacji en-

zymów i kontroli procesów metabolicznych, a skończyw-

szy na przebudowie komórki, jej ruchu, podziałach i wielu

innych [1]. Te molekularne narzędzia są bardzo zróżnico-

wane zarówno pod względem fizyko-chemicznego mecha-

nizmu działania jak i pełnionej funkcji. Z punktu widzenia

ochrony komórki przed nadmierną akumulacją wapnia w

cytosolu szczególne znaczenie mają przede wszystkim te z

nich, które usuwają Ca

2+

do przestrzeni pozakomórkowej.

Jak już wcześniej wspomniano, przemieszczanie się jonu

wbrew różnicy jego stężeń wymaga nakładu energii. W

najprostszej sytuacji odbywa się to kosztem ATP, którego

hydroliza katalizowana przez odpowiednie ATPazy jest

sprzężona z transportem jonu. ATPazy te nazywane są

pompami wapniowymi PMCA (ang. plasma membrane cal-

cium ATPase). Nieco bardziej złożoną jest sytuacja, w której

usuwanie jonów wapnia odbywa się kosztem potencjału

elektrochemicznego innego jonu np. Na

+

. W warunkach

normy stężenie Na

+

jest znacznie większe w środowisku

pozakomórkowym niż wewnątrz komórki, a zatem jon

sodowy ma naturalną tendencję do wnikania do cytoso-

lu, czemu dodatkowo sprzyja różnica potencjałów elek-

trycznych w poprzek błony plazmatycznej komórki. Taką

samą tendencję mają jony wapnia, ale budowa cząstecz-

kowa i mechanizm działania białka zwanego wymienni-

kiem sodowo-potasowym (NCX) jest taka, że przenoszone

jednocześnie Na

+

i Ca

2+

mogą się przemieszczać tylko w

przeciwnym kierunku. Decyduje o nim względna wartość

potencjałów elektrochemicznych obu jonów oraz ładunek

elektryczny na błonie, będący wypadkową niejednorodnej

dystrybucji wszystkich rodzajów jonów znajdujących się

w komórce i poza nią. Zaburzenie tego ładunku i wzrost

stężenia Na

+

w cytosolu, co jest podstawą depolaryzacji

np. komórki nerwowej sprawia, że kierunek transportu

Ca

2+

zachodzącego z udziałem NCX może się zmienić. Po-

wstawanie sygnału wapniowego polega na przejściowym

wzroście stężenia jonów wapnia w cytosolu, a zatem pom-

py i wymienniki jonowe usuwające Ca

2+

do przestrzeni

pozakomórkowej uczestniczą raczej w wyciszaniu tego

sygnału niż jego wzbudzaniu.

Usuwanie jonów wapnia do środowiska nie jest jedy-

nym sposobem zmniejszania jego stężenia w cytosolu.

Cechą komórek eukariotycznych jest występowanie róż-

nych obłonionych organelli, w tym siateczki śródplazma-

tycznej wyspecjalizowanej w magazynowaniu wapnia.

Funkcja wewnątrzkomórkowych magazynów wapnio-

wych w siateczce plazmatycznej, jako ważnych elemen-

tów regulacji homeostazy i sygnalizacji wapniowej we

współczesnych komórkach wyewoluowała zapewne z

pierwotnych struktur zapobiegających „przeładowaniu”

komórek toksycznym wapniem i w efekcie ich destruk-

cji [2]. W prawidłowej komórce stężenie jonów wapnia w

siateczce śródplazmatycznej jest o około trzy rzędy wiel-

kości większe niż w cytosolu, przy czym Ca

2+

(nie zwią-

zany np. z białkami) stanowią jedynie niewielki ułamek

całej zmagazynowanej puli wapnia. Różnica stężeń Ca

2+

w poprzek błon siateczki śródplazmatycznej jest utrzy-

mywana przez pompę wapniową zwaną SERCA (ang.

sarco/endo reticular calcium ATPase).

Z punktu widzenia homeostazy wapniowej, pobudze-

nie komórki lub innymi słowy jej odpowiedź wapniowa

polega w pewnym uproszczeniu na szybkim zwiększe-

niu stężenia Ca

2+

w cytosolu. Wapń ten pochodzi z dwóch

źródeł: ze środowiska pozakomórkowego oraz z siateczki

śródplazmatycznej. Jego przemieszczanie się do cytosolu

jest możliwe dzięki różnym kanałom jonowym o regulo-

wanym przewodnictwie. Proces ten jest tzw. dyfuzją uła-

twioną, a jego znaczna szybkość i wypadkowy kierunek

są wynikiem dużych różnic stężeń w poprzek błon utrzy-

mywanych przez pompy i wymienniki jonowe.

Wolne jony wapnia, to tylko niewielka część całej puli

wapnia zmagazynowanego w komórce. Znakomita więk-

szość jest związana przede wszystkim z białkami wiążą-

cymi wapń występującymi zarówno w siateczce śródpla-

zmatycznej (np. kalsekwestryna i kalretikulina) jak i w

cytosolu (np. parwalbumina). Cechą charakterystyczną

tych białek jest ich duża pojemność buforowa, co ozna-

cza, że jedna cząsteczka białka może przyłączyć wiele

jonów wapnia. Ze względu na stosunkowo małe powi-

nowactwo, stopień wysycenia tych białek wapniem zmie-

nia się szybko w zależności od zmian stężenia Ca

2+

(w

zakresie fizjologicznym) w danym przedziale komórko-

wym. Ma to istotne znaczenie w kształtowaniu sygnału

wapniowego.

Przejściowe magazynowanie jonów wapnia, bardziej

precyzyjnie określane terminem „buforowanie” jest tak-

że funkcją mitochondriów. Mitochondria pobierają Ca

2+

kosztem potencjału błonowego (siły protonomotorycz-

nej), a zatem ich działanie jako buforów wapniowych jest

skorelowane ze stanem energetycznym komórek [5]. Co

więcej, ze względu na stosunkowo małe powinowactwo

białka transportującego Ca

2+

do macierzy mitochondrial-

nej w stosunku do tego jonu oraz obecność w błonie mi-

tochondrialnej wymienników NCX stale i szybko usu-

wających Ca

2+

z mitochondriów sprawiają, że mitochon-

dria mogą efektywnie akumulować jony wapnia w tych

miejscach komórki, w których dochodzi do chwilowego

wzrostu ich stężenia, powodując jego lokalne obniżenie.

390

www.postepybiochemii.pl

Jony wapnia są w mitochondriach wiązane przez biał-

ka buforujące lub wraz z jonami fosforanowym tworzą

amorficzne fosforany [6].

Współistnienie wielu mechanizmów wpływających

na stężenie jonów wapnia w cytosolu i w innych prze-

działach komórkowych, różniących się powinowactwem

do Ca

2+

oraz szybkością działania, sposobem aktywacji i

mechanizmami regulacji swojej aktywności pozwala na

kształtowanie odpowiedzi wapniowej komórki w sposób

wysoce swoisty, zależny od rodzaju komórki oraz pobu-

dzającego ją bodźca. Powstające sygnały wapniowe, róż-

niące się intensywnością, lokalizacją, stopniem rozprze-

strzeniania w komórce i częstotliwością występowania

są „dekodowane” przez efektorowe białka wiążące jony

wapnia, których sztandarowym, ale tylko jednym z bar-

dzo wielu, przykładem jest kalmodulina.

Współistnienie mechanizmów wzbudzania, wzmac-

niania, dekodowania i wreszcie wyciszania sygnałów

wapniowych jest schematycznie przedstawione na ryci-

nie 1. Zależny od jonów wapnia sposób regulacji aktyw-

ności tych procesów, a także regulacji ekspresji genów

kodujących białka zaangażowane w utrzymywanie ho-

meostazy wapniowej komórki sprawia, że sygnalizacja

wapniowa podlega autoregulacji. Współzależności po-

między poszczególnymi elementami regulacji sygna-

łów wapniowych stanowią kolejny,

wyższy stopień organizacji systemu

powiązań nie tylko funkcjonalnych,

ale także strukturalnych. Chociaż

ogólna zasada wydaje się wspólna

dla wszystkich komórek, istnieją

znaczne różnice dotyczące udziału

każdego z nich w czasie wzbudza-

nia, wzmacniania, rozprzestrzenia-

nia się i wygaszania sygnału wap-

niowego. Dokładne omówienie tych

zagadnień nie jest tematem tego

wstępnego artykułu, natomiast na

rycinie 2 przedstawiono schema-

tycznie takie zależności. W błonie

komórkowej zaznaczono różne ro-

dzaje kanałów wapniowych, w tym

jako DV niektórych gruczołów wy-

dzielania dokrewnego, kanały wap-

niowe, które są aktywowane wsku-

tek depolaryzacji tej błony. Są one

typowe dla komórek pobudliwych

elektrycznie (np. komórek mięśni

gładkich, mięśnia sercowego, neuro-

nów, niektórych gruczołów wydzie-

lania dokrewnego). Nieco inaczej

jest w przypadku komórek mięśni

szkieletowych, w których depolary-

zacja błony plazmatycznej i aktywa-

cja kanału zależnego od potencjału

błonowego powoduje uwalnianie

Ca

2+

z siateczki sarkoplazmatycznej,

co umożliwia (przynajmniej przez

kilka minut) kurczenie się komórki

bez napływu Ca

2+

z zewnątrz. Inną

Rycina 1. Funkcjonalna organizacja sygnalizacji wapniowej w komórce zwierzę-

cej. Wyjaśnienia w tekście pracy. Rycinę przygotowano na podstawie [1], zmie-

niono.

Rycina 2. Schemat sygnalizacji wapniowej w komórce zwierzęcej. Wyjaśnienia w tekście pracy. Rycinę przygo-

towano na podstawie [1], zmieniono.

Postępy Biochemii 58 (4) 2012

391

grupę stanowią kanały aktywowane ligandem, związane

z tzw. receptorami jonotropowymi. Ich przykładami są

kanały aktywowane glutaminianem (receptory NMDA)

w ośrodkowym układzie nerwowym, albo występujące

w wielu narządach kanały/receptory nukleotydowe P2X.

Przyłączenie agonisty do takiego receptora powoduje

otwarcie kanału jonowego w błonie plazmatycznej. Jesz-

cze inny rodzaj to kanały zależne od stymulacji recepto-

rów metabotropowych znajdujących się na powierzchni

komórki. Tworzą one bardzo liczną grupę, a ich otwarcie

poprzedzają procesy metaboliczne prowadzące wytwo-

rzenia tzw. wtórnych przekaźników sygnału. Przykładem

jest stymulowany agonistą szlak przemian prowadzący

do aktywacji fosfolipazy C i powstania inozytolotrisfos-

foranu (IP

3

) jako wtórnego przekaźnika sygnału powo-

dującego uwolnienie Ca

2+

z siateczki śródplazmatycznej

przez kanały wapniowe związane z receptorami aktywo-

wanymi przez IP

3

(IP

3

R) [7]. W odpowiedzi tej uczestni-

czą często białka G, albo związane z receptorem kinazy

białkowe katalizujące fosforylację reszt tyrozynowych

(na schemacie RTK). Do tej kategorii należy na przykład

kanał aktywowany pojemnościowo tzw. SOC (ang. sto-

re-operated calcium channel), którego otwarcie wymaga

wcześniejszego opróżnienia magazynów wapniowych

w siateczce śródplazmatycznej oraz kanały aktywowane

kwasem arachidonowym uwalnianym z fosfolipidów, a

także innymi ligandami powstającymi wewnątrz pobu-

dzonej komórki. Aktywacja SOC i innych kanałów wap-

niowych w błonie plazmatycznej, poprzedzana uwol-

nieniem Ca

2+

z siateczki śródplazmatycznej, pozwala na

wzmocnienie i przedłużenie tej pierwotnej odpowiedzi

wapniowej [8].

Sam wzrost stężenia Ca

2+

w cytosolu może być czyn-

nikiem aktywującym inne, występujące obok kanałów/

receptorów IP

3

, receptory znajdujące się w siateczce

śródplazmatycznej, zwane receptorami rianodynowymi.

Ich nazwa pochodzi od rianodyny, alkaloidu roślinnego

hamującego ich aktywność i uwalnianie jonów wapnia z

siateczki śródplazmatycznej. Czynnikiem aktywującym

receptory rianodynowe jest Ca

2+

zazwyczaj wnikający

do komórek przez kanały zależne od potencjału błony

plazmatycznej. Jest to mechanizm wzmacniający sygnał

wapniowy, zwany jako CICR (ang. calcium-induced cal-

cium release). Zarówno kanały/receptory IP

3

jak i kanały

rianodynowe występują powszechnie w różnych typach

komórek, przy czym na ogół w komórkach pobudliwych

elektrycznie dominuje RyR, a w niepobudliwych IP

3

R.

Mechanizmy prowadzące do wzrostu stężenia Ca

2+

w cy-

tosolu ulegają zazwyczaj zwrotnej regulacji. Na przykład

SOC jest hamowany wtedy, gdy stężenie jonów wapnia

wzrasta w pobliżu błony plazmatycznej. Podobnie jony

wapnia mogą aktywować lub zmieszać aktywność IP

3

R,

w zależności od ich stężenia [9-11].

Na rycinie 2 oprócz mechanizmów zwiększających

stężenia Ca

2+

w cytosolu pokazane są także narzędzia

zmniejszania lub modulowania. Przede wszystkim są to

pompy wapniowe SERCA i PMCA oraz wymiennik sodo-

wo wapniowy NCX. Aktywność tych białek jest precyzyj-

nie regulowana między innymi przez jony wapnia; wzrost

ich stężenia w cytosolu aktywuje systemy usuwające Ca

2+

z komórki lub do cystern siateczki śródplazmatycznej.

W obu przypadkach ważnym czynnikiem decydującym

o możliwości usuwania Ca

2+

z cytosolu jest dostępność

ATP. Zaburzenie metabolizmu energetycznego komórki

prowadzi do zaburzenia równowagi między wnikaniem

Ca

2+

do komórek a jego energiochłonnym usuwaniem,

co jest przyczyną nadmiernego wzrostu stężenia Ca

2+

w

cytosolu i w efekcie uszkodzenia komórek, apoptozy lub

nekrozy [12].

W mitochondriach, które, jak wspomniano wcześniej,

spełniają funkcję buforującą w stosunku do Ca

2+

, jony te

aktywują oksydacyjną fosforylację. Umożliwiają zatem

wydajne wytwarzanie ATP, którego duża część jest wy-

korzystywana do utrzymywania homeostazy jonowej,

w tym do aktywnego transportu Ca

2+

przez błony [5]. Z

drugiej strony, nadmierne zwiększenie stężenia Ca

2+

w

cytosolu i w efekcie zbyt intensywne pobieranie jonów

wapnia przez mitochondria może aktywować tzw. mito-

chondrialną ścieżkę apoptozy. Uważa się, że w procesie

tym uczestniczą białka mitochondrialnego megakanału

oraz cytochrom c i inne białka wydostające się z prze-

strzeni międzybłonowej mitochondriów [6,13].

Podobnie jak mitochondria także siateczka śródpla-

zmatyczna nie jest jedynie biernym magazynem wapnia.

Jego niedobór w ER może powodować tzw. stres retiku-

larny związany z niewłaściwie przebiegającym dojrze-

waniem białek i nadmiernym nagromadzaniem się białek

niewłaściwie sfałdowanych. Natomiast nadmiar wapnia

w siateczce śródplazmatycznej prowadzi do zbyt dużych

wzrostów stężenia Ca

2+

w cytosolu w chwili pobudzenia

komórki. W obu przypadkach może dojść do aktywacji

apoptozy. Co więcej, istnieją przekonujące dane o bezpo-

średnim strukturalnym oddziaływaniu siateczki śródpla-

zmatycznej z mitochondriami. Ma to kluczowe znaczenie

dla regulacji opróżniania i uzupełniania zasobów maga-

zynów wapniowych oraz ścisłej synchronizacji sygnaliza-

cji wapniowej z metabolizmem energetycznym komórek.

Podkreśla to spójność i całościowy charakter gospodarki

wapniowej w komórce [14,15].

PODSumOWANIE

Jest oczywiste, że schematy przedstawione na rycinach

ilustrują ogólny zarys zależności związanych z utrzymy-

waniem homeostazy i sygnalizacji wapniowej w sposób

bardzo uproszczony i nie uwzględnia wszystkich aspek-

tów omawianych zjawisk. Ich zadaniem, podobnie jak

celem niniejszego krótkiego artykułu, jest wskazanie naj-

ważniejszych „narzędzi komórkowych” i ich funkcji w

kontekście całościowej odpowiedzi wapniowej komórki.

Jest to wstęp do bardziej szczegółowych rozważań.

PIśmIENNICtWO

1. Berridge MJ, Lipp P, Bootman MD (2000) The versality and universali-

ty of calcium signaling. Nat Rev Mol Cell Biol 1: 11-21

2. Jaiswal JK (2001) Calcium — how and why? J Biosci 26: 357-363
3. Case RM, Eisner D, Gurney A, Jones O, Muallem A, Verkhratsky A

(2007) Evolution of valcium homeostasis: from birth of the first cell to

an omniprescent signalling system. Cell Calcium 42: 345-350

392

www.postepybiochemii.pl

Calcium homeostasis in the animal cell — an outline

Krzysztof Zabłocki

*

, Joanna Bandorowicz-Pikuła

Department of Biochemistry, Nencki Institute of Experimental Biology, 3 Pasteur St., 02-093 Warsaw, Poland

*

e-mail: [e-mail]

Key words: calcium ions, calcium homeostasis, animal cell, regulatory mechanisms

ABStRACt

Calcium ions are universal and versatile intracellular signalling molecule which is involved in regulation of many cellular functions in all

living cells throughout all animal species. It results from unique properties of Ca

2+

in comparison to other two- and monovalent cations

commonly present inside and outside cells. On the other hand an excessive increase of intracellular Ca

2+

accumulation may exert toxic effect

leading to cell death. therefore calcium content in particular cellular compartment must be precisely regulated. All cells have a complex set

of proteins which allow them to remove, store or take up Ca

2+

in very controlled manner. this article gives a concise survey of mechanisms

involved cellular calcium homeostasis and signalling.

4. Romani A (2007) Regulation of magnesium homeostasis and transport

in mammalian cells. Arch Biochem Biophys 458: 90-102

5. Poburko D, Demaurex N (2012) Regulation of the mitochondrial pro-

ton gradient by cytosolic Ca²

+

signals. Pflugers Arch 464: 19-26

6. Rizzuto R, De Stefani D, Raffaello A, Mammucari C (2012) Mitochon-

dria as sensors and regulators of calcium signalling. Nat Rev Mol Cell

Biol 13: 566-578

7. Berridge MJ (2009) Inositol trisphosphate and calcium signalling me-

chanisms. Biochim Biophys Acta 1793: 933-940

8. Parekh AB, Putney JW Jr (2005) Store-operated calcium channels. Phy-

siol Rev 85: 757-810

9. Parekh AB (2003) Store-operated Ca

2+

influx: dynamic interplay be-

tween endoplasmic reticulum, mitochondria and plasma membrane.

J Physiol 547: 333-348

10. Taylor CW, Tovey SC (2010) IP

3

receptors: toward understanding their

activation. Cold Spring Harb Perspect Biol 2: a004010

11. Lanner JT, Georgiou DK, Joshi AD, Hamilton SL (2010) Ryanodine

receptors: structure, expression, molecular details, and function in cal-

cium release. Cold Spring Harb Perspect Biol 2: a00399613

12. Brini M, Carafoli E (2009) Calcium pumps in health and disease. Phy-

siol Rev 89: 1341-1378

13. Giorgi C, Baldassari F, Bononi A, Bonora M, De Marchi E, Marchi S,

Missiroli S, Patergnani S, Rimessi A, Suski JM, Wieckowski MR, Pin-

ton P (2012) Mitochondrial Ca

2+

and apoptosis. Cell Calcium 52: 36-43

14. Bononi A, Missiroli S, Poletti F, Suski JM, Agnoletto C, Bonora M, De

Marchi E, Giorgi C, Marchi S, Patergnani S, Rimessi A, Wieckowski

MR, Pinton P (2012) Mitochondria-associated membranes (MAMs) as

hotspot Ca

2+

signaling units. Adv Exp Med Biol 740: 411-437

15. Grimm S (2012) The ER-mitochondria interface: the social network of

cell death. Biochim Biophys Acta 1823: 327-334