Homeostaza wapnia w komórce zwierzÄ™cej w zarysie STRESZCZENIE Krzysztof ZabÅ‚ocki* ony wapnia sÄ… wszechstronnym i uniwersalnym przekaznikiem sygnaÅ‚u uczestniczÄ…- Jcym w regulacji niemal wszystkich procesów życiowych komórki. Z drugiej strony nadmierny wzrost ich stężenia w komórce może być przyczynÄ… jej nieodwracalnych Joanna Bandorowicz-PikuÅ‚a uszkodzeÅ„. Dlatego zmiany stężenia jonów wapnia w różnych przedziaÅ‚ach komórko- wych muszÄ… podlegać precyzyjnej kontroli. Odbywa siÄ™ to przy udziale biaÅ‚ek umoż- Instytut Biologii DoÅ›wiadczalnej im. Marcele- liwiajÄ…cych przemieszczanie siÄ™ Ca2+ przez bÅ‚ony biologiczne, zarówno zgodnie, jak i go Nenckiego Polskiej Akademii Nauk, War- wbrew gradientowi stężenia oraz ich przejÅ›ciowe wiÄ…zanie i magazynowanie, a także szawa dekodujÄ…cych sygnaÅ‚ wapniowy. Celem niniejszego artykuÅ‚u jest zwiÄ™zÅ‚e przedsta- wienie podstawowych mechanizmów komórkowych umożliwiajÄ…cych zachowanie pra- * ZakÅ‚ad Biochemii, Instytut Biologii widÅ‚owej wewnÄ…trzkomórkowej homeostazy wapnia. DoÅ›wiadczalnej im. Marcelego Nenckiego PAN, ul. Pasteura 3, 02-093 Warszawa; tel.: (22) WPROWADZENIE 589 21 46, e-mail: k.zablocki@nencki.gov.pl Jony wapnia sÄ… kluczowym przekaznikiem sygnaÅ‚u w komórce uczest- niczÄ…cym w regulacji niemal wszystkich procesów życiowych na każdym ArtykuÅ‚ otrzymano 21 listopada 2012 r. szczeblu drzewa filogenetycznego. Innymi sÅ‚owy, sÄ… przekaznikiem uniwer- ArtykuÅ‚ zaakceptowano 26 listopada 2012 r. salnym i wszechstronnym [1]. Takie lub podobne stwierdzenia spotyka siÄ™ SÅ‚owa kluczowe: jony wapnia, homeostaza w wielu opracowaniach dotyczÄ…cych homeostazy wapniowej w komórce i wapniowa, komórka zwierzÄ™ca, regulacja sÄ… one tak oczywiste, że mogÄ… wydawać siÄ™ nie warte omawiania w kolejnej pracy przeglÄ…dowej. Z drugiej strony, badania naukowe ciÄ…gle dostarczajÄ… Wykaz skrótów: CICR (ang. calcium-induced nowych informacji i ukazujÄ… nowe aspekty metabolizmu wapniowego, za- calcium release) zjawisko polegajÄ…ce na uwal- równo w warunkach normy, jak i patologii. PojawiajÄ… siÄ™ nowe dowody na nianiu Ca2+ z siateczki Å›ródplazmatycznej w to, że rozregulowanie homeostazy wapniowej w komórce może prowadzić odpowiedzi na zwiÄ™kszone stężenia Ca2+ w do poważnych zaburzeÅ„, nie tylko dotyczÄ…cych metabolizmu energetyczne- cytosolu; ER (ang. endoplasmic reticulum) sia- teczka Å›ródplazmatyczna; NCX (ang. sodium- go, uszkodzenia mitochondriów i ostatecznie do Å›mierci komórki na drodze -calcium exchanger) wymiennik sodowo- apoptozy lub nekrozy, ale także może być przyczynÄ… poważnych patologii, -wapniowy; PMCA (ang. plasma membrane cal- np. zwiÄ…zanych z ukÅ‚adem odpornoÅ›ciowym. Odkrycia te dodatkowo pod- cium ATPase) pompa wapniowa bÅ‚ony pla- kreÅ›lajÄ… to, że stężenie jonów wapnia w różnych przedziaÅ‚ach komórkowych zmatycznej; SERCA (ang. sarco/endo reticular oraz jego zmiany pod wpÅ‚ywem różnych czynników modulujÄ…cych funkcjo- calcium ATPase) pompa wapniowa siateczki Å›ródplazmatycznej; SOC (ang. store-operated nowanie komórki muszÄ… podlegać precyzyjnej kontroli. Wymaga to udziaÅ‚u calcium channel) kanaÅ‚ wapniowy aktywo- wielu narzÄ™dzi molekularnych , umożliwiajÄ…cych przemieszczanie siÄ™ Ca2+ wany w wyniku opróżnienia wewnÄ…trzkomór- przez bÅ‚ony biologiczne. Także wiÄ…zanie jonów wapnia przez odpowiednie kowych magazynów wapnia biaÅ‚ka i magazynowanie ich w wyspecjalizowanych strukturach komórko- wych należy do repertuaru komórkowych metod utrzymywania homeostazy i regulacji sygnalizacji wapniowej. W tym wstÄ™pnym, dla cyklu prac przeglÄ…dowych opublikowanych w ni- niejszym zeszycie PostÄ™pów Biochemii, artykule zebrane sÄ… podstawowe in- formacje i pojÄ™cia dotyczÄ…ce homeostazy wapnia w komórce zwierzÄ™cej. Jego celem jest wprowadzenie w tÄ™ skomplikowanÄ… tematykÄ™ i przez to uÅ‚atwienie czytania nastÄ™pnych, bardziej szczegółowych artykułów, dotyczÄ…cych wy- branych zagadnieÅ„ biologii komórki i przedstawiajÄ…cych najnowsze poglÄ…dy dotyczÄ…ce sygnalizacji wapniowej. Wydaje siÄ™, że pierwszym pytaniem, jakie należy postawić analizujÄ…c wewnÄ…trzkomórkowÄ… homeostazÄ™ wapnia, jest to, dlaczego wÅ‚aÅ›nie jony wapnia, a nie inne jony pozornie podobnego pier- wiastka, np. magnezu, majÄ… tak wielkie znaczenie w komórce? DlACZEgO WAPÅ„? NiezwykÅ‚e znaczenie jonów wapnia w komórce jest, co oczywiste, zwiÄ…za- ne z jego szczególnymi wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ciami. WÅ›ród nich jest wiÄ™ksza niż innych jonów reaktywność w stosunku do skÅ‚adników komórki. Wynika to z dużej liczby koordynacyjnej Ca2+ i wiÄ™kszej elastycznoÅ›ci tworzenia wiÄ…zaÅ„ koor- dynacyjnych czyli czÄ™sto nieregularnej geometrii tworzenia oddziaÅ‚ywaÅ„ koordynacyjnych. Powodem jest też tendencja Ca2+ do reagowania z różny- mi zwiÄ…zkami wielkoczÄ…steczkowymi, głównie z biaÅ‚kami (zwÅ‚aszcza z ato- PostÄ™py Biochemii 58 (4) 2012 387 mami tlenu reszt karboksylowych reszt kwaÅ›nych ami- kierunku rozwoju mechanizmów jego usuwania z komó- nokwasów), a także szybka kinetyka tych oddziaÅ‚ywaÅ„. rek i organizmów. Powstawaniu życia musiaÅ‚ towarzy- Inne jony dwuwartoÅ›ciowe nie speÅ‚niajÄ… tych warunków szyć rozwój zdolnoÅ›ci do obrony przed napÅ‚ywajÄ…cymi albo ze wzglÄ™du na ich wysokÄ… toksyczność (jak Pb2+ lub do komórek jonami wapnia [3]. W efekcie stężenie jonów Cd2+), albo ze wzglÄ™du na wystÄ™powanie w dużo mniej- wapnia w cytosolu1 przeciÄ™tnej, niepobudzonej komórki szych stężeniach (np. Sr2+ i Mn2+), co stawia je na przegra- zwierzÄ™cej osiÄ…ga bezpiecznÄ… wartość wynoszÄ…cÄ… ok. 100 nej pozycji we współzawodnictwie z jonami wapnia [2]. nM, co w warunkach 1 2 mM stężenia Ca2+ panujÄ…cego w przestrzeni pozakomórkowej oznacza różnicÄ™ czterech Z drugiej jednak strony wysoka reaktywność jonów rzÄ™dów wielkoÅ›ci. Utworzony potencjaÅ‚ elektrochemicz- wapnia sprawia, że po przekroczeniu krytycznego stÄ™- ny przeciwstawia siÄ™ wypompowywaniu Ca2+ z komórki żenia sÄ… dla komórki niebezpieczne. Jest to zwiÄ…zane z i w istocie stanowi siÅ‚Ä™ wpychajÄ…cÄ… jony wapniowe z Å‚atwoÅ›ciÄ… z jakÄ… Ca2+ oddziaÅ‚uje zarówno ze zwiÄ…zkami powrotem do wnÄ™trza komórki. Jedynie duża wydajność wielko-, jak i drobnoczÄ…steczkowymi. W warunkach wy- systemów usuwajÄ…cych Ca2+, ograniczona przepuszczal- sokiego stężenia Ca2+ powoduje to zmniejszenie siÄ™ roz- ność bÅ‚on plazmatycznych dla jonów i przede wszystkim puszczalnoÅ›ci biaÅ‚ek i kwasów nukleinowych prowadzÄ…c obecność innych jonów, głównie Na+, K+ i Cl-, których do ich wypadania z roztworu. Co wiÄ™cej, jony wapnia także nierównocenny rozkÅ‚ad w poprzek bÅ‚ony sprawia, reagujÄ… z jonami fosforanowymi, czego skutkiem jest że różnica potencjaÅ‚u elektrycznego na bÅ‚onie plazma- powstawanie trudno rozpuszczalnych kryształów hy- tycznej komórki wynosi 40 60 mV (ujemny wewnÄ…trz droksyapatytu. W Å›wiecie, w którym stężenie fosforanów komórki), pozwalajÄ… na utrzymanie wÅ‚aÅ›ciwej różnicy jest wysokie, a metabolizm komórek jest w znacznej mie- stężeÅ„ Ca2+. rze oparty o reakcje fosforylacji i tworzenie fosforanów zwiÄ…zków organicznych, powstawanie nierozpuszczal- Wydatek energetyczny komórki przeznaczony na nych soli bÄ™dÄ…ce nieuchronnym skutkiem pojawienia siÄ™ utrzymanie równowagi jonowej jest bardzo wysoki, ale Ca2+ w stężeniu przekraczajÄ…cym dopuszczalnÄ… granicÄ™ część tej energii, zmagazynowanej w postaci potencjaÅ‚u wyznaczonÄ… iloczynem rozpuszczalnoÅ›ci soli miaÅ‚oby elektrochemicznego jonów, może być wykorzystana przez wysoce niekorzystne nastÄ™pstwa [2]. WÅ‚aÅ›nie ta chemicz- komórkÄ™. Dotyczy to nie tylko jonów wapnia. DziÄ™ki po- na wÅ‚aÅ›ciwość jonów wapnia wydaje siÄ™ mieć kluczowe tencjaÅ‚owi elektrochemicznemu jonów sodu oraz obecno- znaczenie ewolucyjne, a komórki, na wszystkich etapach Å›ci jonoselektywnych kanałów bÅ‚onowych możliwy jest rozwoju filogenetycznego, muszÄ… sobie radzić z nadmia- szybki napÅ‚yw Na+ do wnÄ™trza komórki. Jest to podstawÄ… rem wapnia, jako substancji szkodliwej. JednoczeÅ›nie pobudliwoÅ›ci komórki opartej o depolaryzacjÄ™ bÅ‚ony pla- precyzyjne wykorzystywanie Ca2+ w tym zakresie stężeÅ„, zmatycznej. W przypadku jonów wapnia ich szybki na- które nie wywoÅ‚uje ujemnych skutków jest podstawÄ… pÅ‚yw do komórki ma kluczowe znaczenie sygnalizacyjne. wielu procesów regulacyjnych, i w pewnym sensie jest Ze wzglÄ™du na to, że spoczynkowe stężenie Ca2+ w cyto- dodatkowÄ… korzyÅ›ciÄ… wynikajÄ…cÄ… z obrony przed Ca2+ solu jest tak maÅ‚e jego kilku- czy nawet kilkunastokrotne jako substancjÄ… toksycznÄ…. Kontrola stężenia jonów wap- zwiÄ™kszenie wymaga tylko niewielkiego napÅ‚ywu jonów nia w komórce jest w ogólnym bilansie procesem ener- wapnia do komórki i jest zwiÄ…zane z nieznacznÄ… zmia- giochÅ‚onnym, wiÄ™c jej rozchwianie z reguÅ‚y prowadzi do nÄ… osmotycznoÅ›ci Å›rodowiska wewnÄ…trzkomórkowego. nadmiernego wzrostu stężenia Ca2+ i uszkodzeÅ„ komórki Uzyskanie takiej samej wzglÄ™dnej zmiany stężenia jonów czÄ™sto prowadzÄ…cych do jej unicestwienia. magnezu, których stężenie w cytosolu wynosi 0,5 0,7 mM jest niemożliwe, po pierwsze ze wzglÄ™du na prze- W poczÄ…tkowym okresie w historii życia na Ziemi ciwny rozkÅ‚ad różnicy stężeÅ„, co czyniÅ‚o by ten proces wapÅ„ byÅ‚ uwiÄ™ziony w skaÅ‚ach wulkanicznych i niedo- energiochÅ‚onnym i powolnym. Ponadto ponad 10-krot- stÄ™pny dla pierwotnych organizmów. Po ostygniÄ™ciu ny wzrost stężenia Mg2+ (jak to ma miejsce w przypadku planety, w nastÄ™pstwie szeregu procesów geofizycznych Ca2+) wymagaÅ‚by masywnego napÅ‚ywu tych jonów do doszÅ‚o do stopniowego uwalniania wapnia do Å›rodowi- komórki, co mogÅ‚oby powodować zburzenia osmotycz- ska wodnego, w którym rozwijaÅ‚o siÄ™ życie. SkÅ‚ad jono- noÅ›ci i pÄ™cznienie komórki [2,4]. Co wiÄ™cej, duże stężenie wy wnÄ™trza komórki jest w dużej mierze uzależniony od jonów magnezu w stosunku do wartoÅ›ci staÅ‚ych wiÄ…za- skÅ‚adu jonowego tego Å›rodowiska, zawierajÄ…cego przede nia sprawia, że miejsca jego oddziaÅ‚ywania z biaÅ‚kami wszystkim jony sodu, jony chlorkowe oraz jony potasu, i innymi skÅ‚adnikami komórki sÄ… w znacznym stopniu magnezu i wapnia. Ale proporcje stężeÅ„ pomiÄ™dzy po- wysycone, co istotnie ogranicza jego zastosowanie jako szczególnymi jonami we wnÄ™trzu komórki i jej otoczeniu przekaznika sygnaÅ‚u [2]. W przypadku jonów wapnia tak znaczÄ…co siÄ™ różniÄ…. Pojawienie siÄ™ pierwszej komórki nie jest i zmiany stężenia Ca2+ w cytosolu o jeden lub dwa wiÄ…zaÅ‚o siÄ™ z powstaniem pierwotnych mechanizmów se- rzÄ™dy wielkoÅ›ci powodujÄ… znaczÄ…ce zmiany stopnia wy- gregujÄ…cych jony, sprawiajÄ…cych, że roztwór zawarty w sycenia biaÅ‚ek tymi jonami, co ma ogromne znaczenie w przestrzeni oddzielonej od Å›rodowiska bÅ‚onÄ… stanowiÄ…- sygnalizacji wewnÄ…trzkomórkowej, polegajÄ…cej w dużym ca barierÄ™ przepuszczalnoÅ›ci miaÅ‚ inny skÅ‚ad nie tylko w stopniu na odwracalnym przyÅ‚Ä…czaniu Ca2+ do wyspecja- odniesieniu do substancji organicznych, ale także jonów lizowanych biaÅ‚ek. nieorganicznych. Utrzymywanie takich różnic stężeÅ„ wy- magaÅ‚o staÅ‚ego wydatku energetycznego. Ze wzglÄ™du na 1 wspomniane wczeÅ›niej niekorzystne dla komórek wÅ‚aÅ›ci- W niniejszej pracy termin cytosol znaczy tyle co cytoplazma podstawowa , czyli cytoplazma pozbawiona wszelkich organelli woÅ›ci jonów wapnia, panujÄ…ce w pierwotnym Å›rodowi- obÅ‚onionych. W Å›cisÅ‚ym znaczeniu terminem cytosol okreÅ›la siÄ™ sku życia warunki stwarzaÅ‚y silnÄ… presjÄ™ ewolucyjnÄ… w frakcjÄ™ rozpuszczalnÄ… komórki, po odwirowaniu jÄ…dra i organelli. 388 www.postepybiochemii.pl PodsumowujÄ…c tÄ™ część rozważaÅ„, szczególne wÅ‚a- Usuwanie jonów wapnia do Å›rodowiska nie jest jedy- Å›ciwoÅ›ci jonów wapnia, które z jednej strony wymusiÅ‚y nym sposobem zmniejszania jego stężenia w cytosolu. stworzenie mechanizmów ochronnych, a z drugiej po- CechÄ… komórek eukariotycznych jest wystÄ™powanie róż- zwoliÅ‚y na ich wykorzystanie w bezpiecznym zakresie nych obÅ‚onionych organelli, w tym siateczki Å›ródplazma- stężeÅ„, tÅ‚umaczÄ… dlaczego wÅ‚aÅ›nie Ca2+ a nie inne jony tycznej wyspecjalizowanej w magazynowaniu wapnia. znajdujÄ…ce siÄ™ w Å›rodowisku majÄ… tak wielkie znacze- Funkcja wewnÄ…trzkomórkowych magazynów wapnio- nie w życiu komórki. Utrzymanie wÅ‚aÅ›ciwej homeostazy wych w siateczce plazmatycznej, jako ważnych elemen- wapniowej i regulacja sygnałów opartych o zmiany stęże- tów regulacji homeostazy i sygnalizacji wapniowej we nia Ca2+ w cytosolu i w innych przedziaÅ‚ach komórki wy- współczesnych komórkach wyewoluowaÅ‚a zapewne z maga szerokiego spektrum narzÄ™dzi molekularnych [1]. pierwotnych struktur zapobiegajÄ…cych przeÅ‚adowaniu komórek toksycznym wapniem i w efekcie ich destruk- NARZÄ™DZIA mOlEKulARNE cji [2]. W prawidÅ‚owej komórce stężenie jonów wapnia w W SygNAlIZACJI WAPNIOWEJ siateczce Å›ródplazmatycznej jest o okoÅ‚o trzy rzÄ™dy wiel- koÅ›ci wiÄ™ksze niż w cytosolu, przy czym Ca2+ (nie zwiÄ…- W warunkach normy w komórce eukariotycznej zmiany zany np. z biaÅ‚kami) stanowiÄ… jedynie niewielki uÅ‚amek stężenia Ca2+ sÄ… precyzyjnie regulowane w Å›ciÅ›le ustalonym caÅ‚ej zmagazynowanej puli wapnia. Różnica stężeÅ„ Ca2+ zakresie, którego przekroczenie grozi poważnymi nastÄ™p- w poprzek bÅ‚on siateczki Å›ródplazmatycznej jest utrzy- stwami. W regulacji tej bierze udziaÅ‚ szereg biaÅ‚ek, których mywana przez pompÄ™ wapniowÄ… zwanÄ… SERCA (ang. współdziaÅ‚anie pozwala nie tylko na ochronÄ™ komórki sarco/endo reticular calcium ATPase). przed toksycznoÅ›ciÄ… jonów wapnia, ale także na efektywne wykorzystywanie tych jonów jako regulatorów wielora- Z punktu widzenia homeostazy wapniowej, pobudze- kich procesów komórkowych poczÄ…wszy od aktywacji en- nie komórki lub innymi sÅ‚owy jej odpowiedz wapniowa zymów i kontroli procesów metabolicznych, a skoÅ„czyw- polega w pewnym uproszczeniu na szybkim zwiÄ™ksze- szy na przebudowie komórki, jej ruchu, podziaÅ‚ach i wielu niu stężenia Ca2+ w cytosolu. WapÅ„ ten pochodzi z dwóch innych [1]. Te molekularne narzÄ™dzia sÄ… bardzo zróżnico- zródeÅ‚: ze Å›rodowiska pozakomórkowego oraz z siateczki wane zarówno pod wzglÄ™dem fizyko-chemicznego mecha- Å›ródplazmatycznej. Jego przemieszczanie siÄ™ do cytosolu nizmu dziaÅ‚ania jak i peÅ‚nionej funkcji. Z punktu widzenia jest możliwe dziÄ™ki różnym kanaÅ‚om jonowym o regulo- ochrony komórki przed nadmiernÄ… akumulacjÄ… wapnia w wanym przewodnictwie. Proces ten jest tzw. dyfuzjÄ… uÅ‚a- cytosolu szczególne znaczenie majÄ… przede wszystkim te z twionÄ…, a jego znaczna szybkość i wypadkowy kierunek nich, które usuwajÄ… Ca2+ do przestrzeni pozakomórkowej. sÄ… wynikiem dużych różnic stężeÅ„ w poprzek bÅ‚on utrzy- Jak już wczeÅ›niej wspomniano, przemieszczanie siÄ™ jonu mywanych przez pompy i wymienniki jonowe. wbrew różnicy jego stężeÅ„ wymaga nakÅ‚adu energii. W najprostszej sytuacji odbywa siÄ™ to kosztem ATP, którego Wolne jony wapnia, to tylko niewielka część caÅ‚ej puli hydroliza katalizowana przez odpowiednie ATPazy jest wapnia zmagazynowanego w komórce. Znakomita wiÄ™k- sprzężona z transportem jonu. ATPazy te nazywane sÄ… szość jest zwiÄ…zana przede wszystkim z biaÅ‚kami wiążą- pompami wapniowymi PMCA (ang. plasma membrane cal- cymi wapÅ„ wystÄ™pujÄ…cymi zarówno w siateczce Å›ródpla- cium ATPase). Nieco bardziej zÅ‚ożonÄ… jest sytuacja, w której zmatycznej (np. kalsekwestryna i kalretikulina) jak i w usuwanie jonów wapnia odbywa siÄ™ kosztem potencjaÅ‚u cytosolu (np. parwalbumina). CechÄ… charakterystycznÄ… elektrochemicznego innego jonu np. Na+. W warunkach tych biaÅ‚ek jest ich duża pojemność buforowa, co ozna- normy stężenie Na+ jest znacznie wiÄ™ksze w Å›rodowisku cza, że jedna czÄ…steczka biaÅ‚ka może przyÅ‚Ä…czyć wiele pozakomórkowym niż wewnÄ…trz komórki, a zatem jon jonów wapnia. Ze wzglÄ™du na stosunkowo maÅ‚e powi- sodowy ma naturalnÄ… tendencjÄ™ do wnikania do cytoso- nowactwo, stopieÅ„ wysycenia tych biaÅ‚ek wapniem zmie- lu, czemu dodatkowo sprzyja różnica potencjałów elek- nia siÄ™ szybko w zależnoÅ›ci od zmian stężenia Ca2+ (w trycznych w poprzek bÅ‚ony plazmatycznej komórki. TakÄ… zakresie fizjologicznym) w danym przedziale komórko- samÄ… tendencjÄ™ majÄ… jony wapnia, ale budowa czÄ…stecz- wym. Ma to istotne znaczenie w ksztaÅ‚towaniu sygnaÅ‚u kowa i mechanizm dziaÅ‚ania biaÅ‚ka zwanego wymienni- wapniowego. kiem sodowo-potasowym (NCX) jest taka, że przenoszone jednoczeÅ›nie Na+ i Ca2+ mogÄ… siÄ™ przemieszczać tylko w PrzejÅ›ciowe magazynowanie jonów wapnia, bardziej przeciwnym kierunku. Decyduje o nim wzglÄ™dna wartość precyzyjnie okreÅ›lane terminem buforowanie jest tak- potencjałów elektrochemicznych obu jonów oraz Å‚adunek że funkcjÄ… mitochondriów. Mitochondria pobierajÄ… Ca2+ elektryczny na bÅ‚onie, bÄ™dÄ…cy wypadkowÄ… niejednorodnej kosztem potencjaÅ‚u bÅ‚onowego (siÅ‚y protonomotorycz- dystrybucji wszystkich rodzajów jonów znajdujÄ…cych siÄ™ nej), a zatem ich dziaÅ‚anie jako buforów wapniowych jest w komórce i poza niÄ…. Zaburzenie tego Å‚adunku i wzrost skorelowane ze stanem energetycznym komórek [5]. Co stężenia Na+ w cytosolu, co jest podstawÄ… depolaryzacji wiÄ™cej, ze wzglÄ™du na stosunkowo maÅ‚e powinowactwo np. komórki nerwowej sprawia, że kierunek transportu biaÅ‚ka transportujÄ…cego Ca2+ do macierzy mitochondrial- Ca2+ zachodzÄ…cego z udziaÅ‚em NCX może siÄ™ zmienić. Po- nej w stosunku do tego jonu oraz obecność w bÅ‚onie mi- wstawanie sygnaÅ‚u wapniowego polega na przejÅ›ciowym tochondrialnej wymienników NCX stale i szybko usu- wzroÅ›cie stężenia jonów wapnia w cytosolu, a zatem pom- wajÄ…cych Ca2+ z mitochondriów sprawiajÄ…, że mitochon- py i wymienniki jonowe usuwajÄ…ce Ca2+ do przestrzeni dria mogÄ… efektywnie akumulować jony wapnia w tych pozakomórkowej uczestniczÄ… raczej w wyciszaniu tego miejscach komórki, w których dochodzi do chwilowego sygnaÅ‚u niż jego wzbudzaniu. wzrostu ich stężenia, powodujÄ…c jego lokalne obniżenie. PostÄ™py Biochemii 58 (4) 2012 389 Jony wapnia sÄ… w mitochondriach wiÄ…zane przez biaÅ‚- ka buforujÄ…ce lub wraz z jonami fosforanowym tworzÄ… amorficzne fosforany [6]. Współistnienie wielu mechanizmów wpÅ‚ywajÄ…cych na stężenie jonów wapnia w cytosolu i w innych prze- dziaÅ‚ach komórkowych, różniÄ…cych siÄ™ powinowactwem do Ca2+ oraz szybkoÅ›ciÄ… dziaÅ‚ania, sposobem aktywacji i mechanizmami regulacji swojej aktywnoÅ›ci pozwala na ksztaÅ‚towanie odpowiedzi wapniowej komórki w sposób wysoce swoisty, zależny od rodzaju komórki oraz pobu- dzajÄ…cego jÄ… bodzca. PowstajÄ…ce sygnaÅ‚y wapniowe, róż- niÄ…ce siÄ™ intensywnoÅ›ciÄ…, lokalizacjÄ…, stopniem rozprze- strzeniania w komórce i czÄ™stotliwoÅ›ciÄ… wystÄ™powania sÄ… dekodowane przez efektorowe biaÅ‚ka wiążące jony wapnia, których sztandarowym, ale tylko jednym z bar- dzo wielu, przykÅ‚adem 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- noÅ›ci tych procesów, a także regulacji ekspresji genów kodujÄ…cych biaÅ‚ka zaangażowane w utrzymywanie ho- meostazy wapniowej komórki sprawia, że sygnalizacja Rycina 1. Funkcjonalna organizacja sygnalizacji wapniowej w komórce zwierzÄ™- wapniowa podlega autoregulacji. WspółzależnoÅ›ci po- cej. WyjaÅ›nienia w tekÅ›cie pracy. RycinÄ™ przygotowano na podstawie [1], zmie- niono. miÄ™dzy poszczególnymi elementami regulacji sygna- łów wapniowych stanowiÄ… kolejny, wyższy stopieÅ„ organizacji systemu powiÄ…zaÅ„ nie tylko funkcjonalnych, ale także strukturalnych. Chociaż ogólna zasada wydaje siÄ™ wspólna dla wszystkich komórek, istniejÄ… znaczne różnice dotyczÄ…ce udziaÅ‚u każdego z nich w czasie wzbudza- nia, wzmacniania, rozprzestrzenia- nia siÄ™ i wygaszania sygnaÅ‚u wap- niowego. DokÅ‚adne omówienie tych zagadnieÅ„ nie jest tematem tego wstÄ™pnego artykuÅ‚u, natomiast na rycinie 2 przedstawiono schema- tycznie takie zależnoÅ›ci. W bÅ‚onie komórkowej zaznaczono różne ro- dzaje kanałów wapniowych, w tym jako DV niektórych gruczołów wy- dzielania dokrewnego, kanaÅ‚y wap- niowe, które sÄ… aktywowane wsku- tek depolaryzacji tej bÅ‚ony. SÄ… one typowe dla komórek pobudliwych elektrycznie (np. komórek mięśni gÅ‚adkich, mięśnia sercowego, neuro- nów, niektórych gruczołów wydzie- lania dokrewnego). Nieco inaczej jest w przypadku komórek mięśni szkieletowych, w których depolary- zacja bÅ‚ony plazmatycznej i aktywa- cja kanaÅ‚u zależnego od potencjaÅ‚u bÅ‚onowego powoduje uwalnianie Ca2+ z siateczki sarkoplazmatycznej, co umożliwia (przynajmniej przez kilka minut) kurczenie siÄ™ komórki Rycina 2. Schemat sygnalizacji wapniowej w komórce zwierzÄ™cej. WyjaÅ›nienia w tekÅ›cie pracy. RycinÄ™ przygo- bez napÅ‚ywu Ca2+ z zewnÄ…trz. InnÄ… towano na podstawie [1], zmieniono. 390 www.postepybiochemii.pl grupÄ™ stanowiÄ… kanaÅ‚y aktywowane ligandem, zwiÄ…zane z komórki lub do cystern siateczki Å›ródplazmatycznej. z tzw. receptorami jonotropowymi. Ich przykÅ‚adami sÄ… W obu przypadkach ważnym czynnikiem decydujÄ…cym kanaÅ‚y aktywowane glutaminianem (receptory NMDA) o możliwoÅ›ci usuwania Ca2+ z cytosolu jest dostÄ™pność w oÅ›rodkowym ukÅ‚adzie nerwowym, albo wystÄ™pujÄ…ce ATP. Zaburzenie metabolizmu energetycznego komórki w wielu narzÄ…dach kanaÅ‚y/receptory nukleotydowe P2X. prowadzi do zaburzenia równowagi miÄ™dzy wnikaniem PrzyÅ‚Ä…czenie agonisty do takiego receptora powoduje Ca2+ do komórek a jego energiochÅ‚onnym usuwaniem, otwarcie kanaÅ‚u jonowego w bÅ‚onie plazmatycznej. Jesz- co jest przyczynÄ… nadmiernego wzrostu stężenia Ca2+ w cze inny rodzaj to kanaÅ‚y zależne od stymulacji recepto- cytosolu i w efekcie uszkodzenia komórek, apoptozy lub rów metabotropowych znajdujÄ…cych siÄ™ na powierzchni nekrozy [12]. komórki. TworzÄ… one bardzo licznÄ… grupÄ™, a ich otwarcie W mitochondriach, które, jak wspomniano wczeÅ›niej, poprzedzajÄ… procesy metaboliczne prowadzÄ…ce wytwo- speÅ‚niajÄ… funkcjÄ™ buforujÄ…cÄ… w stosunku do Ca2+, jony te rzenia tzw. wtórnych przekazników sygnaÅ‚u. PrzykÅ‚adem aktywujÄ… oksydacyjnÄ… fosforylacjÄ™. UmożliwiajÄ… zatem jest stymulowany agonistÄ… szlak przemian prowadzÄ…cy wydajne wytwarzanie ATP, którego duża część jest wy- do aktywacji fosfolipazy C i powstania inozytolotrisfos- korzystywana do utrzymywania homeostazy jonowej, foranu (IP3) jako wtórnego przekaznika sygnaÅ‚u powo- w tym do aktywnego transportu Ca2+ przez bÅ‚ony [5]. Z dujÄ…cego uwolnienie Ca2+ z siateczki Å›ródplazmatycznej drugiej strony, nadmierne zwiÄ™kszenie stężenia Ca2+ w przez kanaÅ‚y wapniowe zwiÄ…zane z receptorami aktywo- cytosolu i w efekcie zbyt intensywne pobieranie jonów wanymi przez IP3 (IP3R) [7]. W odpowiedzi tej uczestni- wapnia przez mitochondria może aktywować tzw. mito- czÄ… czÄ™sto biaÅ‚ka G, albo zwiÄ…zane z receptorem kinazy chondrialnÄ… Å›cieżkÄ™ apoptozy. Uważa siÄ™, że w procesie biaÅ‚kowe katalizujÄ…ce fosforylacjÄ™ reszt tyrozynowych tym uczestniczÄ… biaÅ‚ka mitochondrialnego megakanaÅ‚u (na schemacie RTK). Do tej kategorii należy na przykÅ‚ad oraz cytochrom c i inne biaÅ‚ka wydostajÄ…ce siÄ™ z prze- kanaÅ‚ aktywowany pojemnoÅ›ciowo tzw. SOC (ang. sto- strzeni miÄ™dzybÅ‚onowej mitochondriów [6,13]. re-operated calcium channel), którego otwarcie wymaga wczeÅ›niejszego opróżnienia magazynów wapniowych Podobnie jak mitochondria także siateczka Å›ródpla- w siateczce Å›ródplazmatycznej oraz kanaÅ‚y aktywowane zmatyczna nie jest jedynie biernym magazynem wapnia. kwasem arachidonowym uwalnianym z fosfolipidów, a Jego niedobór w ER może powodować tzw. stres retiku- także innymi ligandami powstajÄ…cymi wewnÄ…trz pobu- larny zwiÄ…zany z niewÅ‚aÅ›ciwie przebiegajÄ…cym dojrze- dzonej komórki. Aktywacja SOC i innych kanałów wap- waniem biaÅ‚ek i nadmiernym nagromadzaniem siÄ™ biaÅ‚ek niowych w bÅ‚onie plazmatycznej, poprzedzana uwol- niewÅ‚aÅ›ciwie sfaÅ‚dowanych. Natomiast nadmiar wapnia nieniem Ca2+ z siateczki Å›ródplazmatycznej, pozwala na w siateczce Å›ródplazmatycznej prowadzi do zbyt dużych wzmocnienie i przedÅ‚użenie tej pierwotnej odpowiedzi wzrostów stężenia Ca2+ w cytosolu w chwili pobudzenia wapniowej [8]. komórki. W obu przypadkach może dojść do aktywacji Sam wzrost stężenia Ca2+ w cytosolu może być czyn- apoptozy. Co wiÄ™cej, istniejÄ… przekonujÄ…ce dane o bezpo- nikiem aktywujÄ…cym inne, wystÄ™pujÄ…ce obok kanałów/ Å›rednim strukturalnym oddziaÅ‚ywaniu siateczki Å›ródpla- receptorów IP3, receptory znajdujÄ…ce siÄ™ w siateczce zmatycznej z mitochondriami. Ma to kluczowe znaczenie Å›ródplazmatycznej, zwane receptorami rianodynowymi. dla regulacji opróżniania i uzupeÅ‚niania zasobów maga- Ich nazwa pochodzi od rianodyny, alkaloidu roÅ›linnego zynów wapniowych oraz Å›cisÅ‚ej synchronizacji sygnaliza- hamujÄ…cego ich aktywność i uwalnianie jonów wapnia z cji wapniowej z metabolizmem energetycznym komórek. siateczki Å›ródplazmatycznej. Czynnikiem aktywujÄ…cym PodkreÅ›la to spójność i caÅ‚oÅ›ciowy charakter gospodarki receptory rianodynowe jest Ca2+ zazwyczaj wnikajÄ…cy wapniowej w komórce [14,15]. do komórek przez kanaÅ‚y zależne od potencjaÅ‚u bÅ‚ony PODSumOWANIE plazmatycznej. Jest to mechanizm wzmacniajÄ…cy sygnaÅ‚ wapniowy, zwany jako CICR (ang. calcium-induced cal- cium release). Zarówno kanaÅ‚y/receptory IP3 jak i kanaÅ‚y Jest oczywiste, że schematy przedstawione na rycinach rianodynowe wystÄ™pujÄ… powszechnie w różnych typach ilustrujÄ… ogólny zarys zależnoÅ›ci zwiÄ…zanych z utrzymy- komórek, przy czym na ogół w komórkach pobudliwych waniem homeostazy i sygnalizacji wapniowej w sposób elektrycznie dominuje RyR, a w niepobudliwych IP3R. bardzo uproszczony i nie uwzglÄ™dnia wszystkich aspek- Mechanizmy prowadzÄ…ce do wzrostu stężenia Ca2+ w cy- tów omawianych zjawisk. Ich zadaniem, podobnie jak tosolu ulegajÄ… zazwyczaj zwrotnej regulacji. Na przykÅ‚ad celem niniejszego krótkiego artykuÅ‚u, jest wskazanie naj- SOC jest hamowany wtedy, gdy stężenie jonów wapnia ważniejszych narzÄ™dzi komórkowych i ich funkcji w wzrasta w pobliżu bÅ‚ony plazmatycznej. Podobnie jony kontekÅ›cie caÅ‚oÅ›ciowej odpowiedzi wapniowej komórki. wapnia mogÄ… aktywować lub zmieszać aktywność IP3R, Jest to wstÄ™p do bardziej szczegółowych rozważaÅ„. w zależnoÅ›ci od ich stężenia [9-11]. PIÅ›mIENNICtWO Na rycinie 2 oprócz mechanizmów zwiÄ™kszajÄ…cych 1. Berridge MJ, Lipp P, Bootman MD (2000) The versality and universali- ty of calcium signaling. Nat Rev Mol Cell Biol 1: 11-21 stężenia Ca2+ w cytosolu pokazane sÄ… także narzÄ™dzia zmniejszania lub modulowania. Przede wszystkim sÄ… to 2. Jaiswal JK (2001) Calcium how and why? J Biosci 26: 357-363 pompy wapniowe SERCA i PMCA oraz wymiennik sodo- 3. Case RM, Eisner D, Gurney A, Jones O, Muallem A, Verkhratsky A wo wapniowy NCX. Aktywność tych biaÅ‚ek jest precyzyj- (2007) Evolution of valcium homeostasis: from birth of the first cell to an omniprescent signalling system. Cell Calcium 42: 345-350 nie regulowana miÄ™dzy innymi przez jony wapnia; wzrost ich stężenia w cytosolu aktywuje systemy usuwajÄ…ce Ca2+ PostÄ™py Biochemii 58 (4) 2012 391 4. Romani A (2007) Regulation of magnesium homeostasis and transport 11. Lanner JT, Georgiou DK, Joshi AD, Hamilton SL (2010) Ryanodine in mammalian cells. Arch Biochem Biophys 458: 90-102 receptors: structure, expression, molecular details, and function in cal- cium release. Cold Spring Harb Perspect Biol 2: a00399613 5. Poburko D, Demaurex N (2012) Regulation of the mitochondrial pro- ton gradient by cytosolic Ca²+ signals. Pflugers Arch 464: 19-26 12. Brini M, Carafoli E (2009) Calcium pumps in health and disease. Phy- siol Rev 89: 1341-1378 6. Rizzuto R, De Stefani D, Raffaello A, Mammucari C (2012) Mitochon- dria as sensors and regulators of calcium signalling. Nat Rev Mol Cell 13. Giorgi C, Baldassari F, Bononi A, Bonora M, De Marchi E, Marchi S, Biol 13: 566-578 Missiroli S, Patergnani S, Rimessi A, Suski JM, Wieckowski MR, Pin- ton P (2012) Mitochondrial Ca2+ and apoptosis. Cell Calcium 52: 36-43 7. Berridge MJ (2009) Inositol trisphosphate and calcium signalling me- chanisms. Biochim Biophys Acta 1793: 933-940 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 8. Parekh AB, Putney JW Jr (2005) Store-operated calcium channels. Phy- MR, Pinton P (2012) Mitochondria-associated membranes (MAMs) as siol Rev 85: 757-810 hotspot Ca2+ signaling units. Adv Exp Med Biol 740: 411-437 9. Parekh AB (2003) Store-operated Ca2+ influx: dynamic interplay be- 15. Grimm S (2012) The ER-mitochondria interface: the social network of tween endoplasmic reticulum, mitochondria and plasma membrane. cell death. Biochim Biophys Acta 1823: 327-334 J Physiol 547: 333-348 10. Taylor CW, Tovey SC (2010) IP3 receptors: toward understanding their activation. Cold Spring Harb Perspect Biol 2: a004010 Calcium homeostasis in the animal cell an outline Krzysztof ZabÅ‚ocki*, Joanna Bandorowicz-PikuÅ‚a Department of Biochemistry, Nencki Institute of Experimental Biology, 3 Pasteur St., 02-093 Warsaw, Poland * e-mail: k.zablocki@nencki.gov.pl 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 Ca2+ in comparison to other two- and monovalent cations commonly present inside and outside cells. On the other hand an excessive increase of intracellular Ca2+ 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 Ca2+ in very controlled manner. this article gives a concise survey of mechanisms involved cellular calcium homeostasis and signalling. 392 www.postepybiochemii.pl