Postępy Biochemii 58 (4) 2012

403

Elżbieta Salińska

*

Jerzy W. Łazarewicz

Instytut Medycyny Doświadczalnej i Klinicz-

nej im. M. Mossakowskiego Polskiej Akademii

Nauk, Warszawa

*

Pracownia

Farmakoneurochemii,

Zakład Neurochemii, Instytut Medycyny

Doświadczalnej i Klinicznej im. M.

Mossakowskiego Polskiej Akademii Nauk, ul.

Pawińskiego 5, 02-106 Warszawa; tel.: (22) 608

65 28, e-mail: [e-mail]

Artykuł otrzymano 11 września 2012 r.

Artykuł zaakceptowano 2 października 2012 r.

Słowa kluczowe: homeostaza wapnia, ische-

mia mózgu, plastyczność neuronalna, recepto-

ry glutaminianergiczne, transdukcja sygnału,

zwyrodnienie neuronów

Wykaz skrótów: CICR (ang. Ca

2+

-induced Ca

2+

release) — indukowany przez wapń wyrzut

wapnia; ER — siateczka śródplazmatyczna;

IP

3

— inozytolo-1,4,5-trifosforan; LTD (ang.

long term depression) — długotrwałe osłabienie

synaptyczne; LTP (ang. long term potentiation)

— długotrwałe wzmocnienie synaptyczne;

NCX — wymiennik Na

+

/Ca

2+

; PMCA (ang.

plasma membrane Ca

2+

-ATPase) — Ca

2+

-ATPaza

błony plazmatyczej; ROC (ang. receptor-opera-

ted channels) — receptory jonotropowe; SERCA

— Ca

2+

-ATPaza siateczki sarko/śródplazma-

tycznej (ang. sarcoplasmic/endoplasmic reticulum

Ca

2+

-ATPase); VOCC (ang. voltage-operated Ca

2+

channels) — kanały wapniowe zależne od po-

tencjału błony

Podziękowanie: Praca powstała w trakcie re-

alizacji projektu badawczego nr N N401 003935

finansowanego ze środków przyznanych

przez MNiSW.

Rola wapnia w fizjologii i patologii neuronów

STRESZCZENIE

W

artykule na wstępie przedstawiono ewolucyjne aspekty dwoistej roli jonów wapnia

jako cząsteczek sygnałowych oraz kationów o działaniu cytotoksycznym. Następnie

omówiono mechanizmy homeostazy wapnia w neuronach z uwzględnieniem specyficznych

funkcji tych komórek pobudliwych, oraz mechanizmy generacji i przekazywania sygnału

wapniowego. W oparciu o te informacje została przedstawiona w zarysie rola Ca

2+

w specy-

ficznych funkcjach komórek nerwowych, jak pobudliwość, przewodnictwo nerwowe, prze-

kaźnictwo synaptyczne, plastyczność i różne formy mobilności. Następnie omówiono rolę

zaburzeń homeostazy wapnia i jego funkcji sygnałowych w mechanizmach uszkodzenia i

śmierci neuronów w ostrych schorzeniach, ze szczególnym uwzględnieniem niedokrwienia

mózgu, oraz w przewlekłych chorobach neurozwyrodnieniowych.

WPROWADZENIE

Wapń jest dwuwartościowym kationem zewnątrzkomórkowym, a wysoki

gradient jego stężeń w przedziałach na zewnątrz i wewnątrz komórki prze-

kracza wartość 10

4

. We krwi i płynach tkankowych ssaków stężenie Ca

2+

jest

utrzymywane na stałym poziomie około 10

–3

M, podczas gdy jego spoczynkowe

stężenie w cytosolu wynosi poniżej 10

–7

M. Równie niskie stężenia jonów Ca

2+

obserwuje się zarówno w komórkach ssaków jak i u prokaryota, co świadczy

o tym, że mechanizmy usuwania wapnia z komórek są stare i ewolucyjnie za-

chowane. Wiadomo od dawna, że jony Ca

2+

odgrywają kluczową rolę w fizjo-

logii komórek, a zwłaszcza neuronów. Z drugiej strony masowy napływ Ca

2+

jest toksyczny dla komórek, a udział wapnia w mechanizmach uszkodzenia i

śmierci neuronów jest przedmiotem badań od wielu lat. Uważa się, że cyto- i

neurotoksyczność Ca

2+

wynika z jego właściwości chemicznych oraz szczególnej

roli w mechanizmach przekazywania sygnału, leżących u podstaw fizjologicz-

nych funkcji komórek, a szczególnie neuronów. Stąd też ich zaburzenie może

mieć skutki letalne. Uniwersalne mechanizmy komórkowej homeostazy Ca

2+

oraz sygnalnej roli wapnia, dotyczące także neuronów, zostały przedstawione

szczegółowo w innych rozdziałach bieżącego zeszytu Postępów Biochemii. W

tym rozdziale zwrócimy uwagę na wybrane szczegółowe aspekty, ważne dla

funkcji fizjologicznych lub patologii neuronów.

DWOISTA ROLA WAPNIA W KOMÓRKACH: ASPEKTY EWOLUCYJNE

Ewolucja życia na Ziemi potoczyła się w kierunku wykorzystania fosforanów

jako anionów wewnątrzkomórkowych kluczowych dla metabolizmu energe-

tycznego i przemian lipidów, regulacji aktywności białek i replikacji DNA. Prze-

ciw-jonem w tych procesach jest Mg

2+

, natomiast długotrwały wzrost stężenia

Ca

2+

wewnątrz komórki jest dla niej zabójczy, ponieważ jony Ca

2+

konkurują z

Mg

2+

, a fosforany wapnia są praktycznie nierozpuszczalne w wodzie. Dla unik-

nięcia wytrącania się tych soli, stężenie Ca

2+

wewnątrz komórki musi być utrzy-

mywane poniżej poziomu 10

–5

M [1].

Sugerowane są hipotezy dotyczące rozwoju mechanizmów homeostazy

Ca

2+

w komórkach, które stały się kluczowe dla pojawienia się funkcji tych jo-

nów w procesach przekazywania sygnałów, a których zaburzenie prowadzi do

śmierci komórek. Chociaż obecnie stężenie Ca

2+

w oceanach waha sie w grani-

cach 10

–2

-10

–3

M, zapewne ewolucja najwcześniejszych form życia, a być może

także prostych eukaryota, miała miejsce w wodach w których stężenie jonów

Ca

2+

początkowo nie przekraczało 10

–4

M. Późniejszy jego wzrost do obecnego

poziomu wymusił na komórkach ewolucję mechanizmów adaptacyjnych [1]. W

rezultacie zarówno współczesne prokaryota jak i eukaryota dysponują dwoma

podstawowymi mechanizmami usuwania Ca

2+

z komórek przez błonę plazma-

tyczną, to jest ATPazami PMCA zależnymi od dostępności ATP, oraz wymienni-

404

www.postepybiochemii.pl

kiem NCX napędzanym gradientem jonów sodu zależnym

od aktywności Na

+

-K

+

-ATPazy.

W przebiegu ewolucji eukaryota wzbogaciły mechani-

zmy homeostazy Ca

2+

w bardziej rozwinięte systemy bu-

forowania wapnia wewnątrz komórek. Należy do nich po-

bieranie Ca

2+

przez struktury wewnątrzkomórkowe: ER i

mitochondria, a także wiązanie przez liczne białka wiążące

wapń o znaczącej pojemności buforowej. Ponadto pojawiły

się kanały pojemnościowe w błonach plazmatycznych oraz

receptory/kanały wrażliwe na IP

3

i rianodynę, odgrywające

rolę w utrzymaniu zrównoważonego bilansu wapniowe-

go w komórkach, uzupełnianiu zasobów Ca

2+

i uwalnianiu

Ca

2+

z ER do cytosolu.

W neuronach, komórkach pobudliwych cechujących się

intensywnymi przepływami jonów wapnia, obserwujemy

różnorodne drogi kontrolowanego wzrostu wewnątrzko-

mórkowego stężenia Ca

2+

i usuwania go z cytosolu [2]. Roz-

budowany system homeostazy wapnia u eukaryota stał się

w przebiegu ewolucji sprawnym narzędziem dla wykorzy-

stania jonów wapnia w wewnątrzkomórkowych mechani-

zmach przekazywania sygnałów, szczególnie silnie rozwi-

niętych w neuronach [3]. Uważa się, że uniwersalna rola Ca

2+

jako cząsteczki służącej do przekazu sygnału wynika z uni-

kalnych właściwości fizykochemicznych tego kationu, ponie-

waż w swej sferze koordynacyjnej może on pomieścić od 4

do 12 atomów tlenu [4]. Dzięki obecności obfitych zasobów

jonów Ca

2+

w przestrzeniach na zewnątrz i wewnątrz komór-

ki indukcja sygnału wapniowego jest błyskawiczna, ponadto

jest możliwość jego szybkiego wygaszenia dzięki sprawnym

mechanizmom usuwania tego kationu z cytosolu.

GENEROWANIE SYGNAŁU

WAPNIOWEGO W NEURONACH

Wewnątrzkomórkowe sygnały wapniowe w neuronach

są elementem łańcucha przekazu informacji w układzie ner-

wowym, zapoczątkowanego przez sygnał zewnątrzkomór-

kowy, w postaci pobudzenia synaptycznego docierającego

do tych komórek w przebiegu neurotransmisji chemicznej

lub elektrycznej [3]. W efekcie depolaryzacji błony plazma-

tycznej i/lub aktywacji receptorów, dochodzi do napływu

jonów Ca

2+

do cytosolu ze środowiska zewnątrzkomórko-

wego lub do ich mobilizacji z zasobów wewnątrz komórki,

co prowadzi do wzrostu stężenia Ca

2+

wewnątrz neuronów.

Napływ Ca

2+

do neuronów przez błonę plazmatyczną za-

chodzi za pośrednictwem kanałów wapniowych VOCC lub

receptorów jonotropowych ROC, a zwłaszcza receptorów

dla glutaminianu specyficznie wrażliwych na N-metyl-

-D-asparaginian (NMDAR) [5]. Z kolei pobudzenie recep-

torów metabotropowych sprzężonych za pośrednictwem

białek G z fosfolipazą C, do których należą receptory me-

tabotropowe dla glutaminianu (mGluR) grupy I, prowadzi

do mobilizacji wapnia z zasobów w ER, zachodzącej za po-

średnictwem wtórnego przekaźnika IP

3

i specyficznych dla

niego receptorów [6]. Początkowy krótkotrwały wzrost stę-

żenia Ca

2+

w cytosolu spowodowany napływem z zewnątrz

może być przedłużony i wzmocniony w wyniku wtórnego

uwalniania Ca

2+

z ER, głównie za pośrednictwem recepto-

rów rianodynowych, w mechanizmie CICR [7]. Dla kodo-

wania sygnału przekazywanego za pośrednictwem jonów

Ca

2+

wykorzystywana jest charakterystyka wzrostu we-

wnątrzkomórkowego stężenia tych jonów: jego amplituda,

częstotliwość, czas trwania i lokalizacja wewnątrz komórki

Rycina 1. Komórkowa homeostaza Ca

2+

na przykładzie dendrytu neuronów glutaminianergicznych w warunkach komfortu i niedoboru energetycznego. (A) Warunki

prawidłowe. Ściśle kontrolowany napływ Ca

2+

przez VOCC i ROC (głównie NMDAR) jest równoważony przez wyrzut jonów wapnia z neuronów za pośrednictwem

pompy PMCA i wymiennika NCX. Buforowanie Ca

2+

wewnątrz komórki przez białka wiążące wapń (CaBP) oraz pobieranie przez mitochondria (na drodze uniportu

zgodnie z gradientem elektrochemicznym) i ER dzięki pompie SERCA. Mobilizacja Ca

2+

z ER w wyniku aktywacji receptorów metabotropowych grupy I (mGluR1/5) i

otwarcia kanałów receptorów IP

3

R lub w drodze CICR. (B) Warunki niedoboru energetycznego, np. w niedokrwieniu mózgu. Zahamowanie ATPaz, depolaryzacja neu-

ronów oraz pobudzenie VOCC i ROC, zwłaszcza NMDAR prowadzi do napływu Ca

2+

do neuronów, wspomaganego przez odwrócenie trybu pracy NCX. Pobudzenie

mGluR I i wzrost stężenia Ca

2+

w cytosolu indukuje wyrzut wapnia z zasobów w ER za pośrednictwem IP

3

R i RyR (CICR). Początkowe przeładowanie mitochondriów

wapniem owocuje ich deenergizacją, aktywacją megakanałów (MPT) z uwalnianiem Ca

2+

z mitochondriów.

Postępy Biochemii 58 (4) 2012

405

[8]. Postęp w badaniu z dużą rozdzielczością stężenia Ca

2+

w żywych komórkach pozwolił na ujawnienie, na tle global-

nych wzrostów stężenia Ca

2+

przyrównywanych do analo-

gowych sygnałów wapniowych, iskrzeń wapniowych (ang.

calcium sparks) będących krótkotrwałymi lokalnymi bardzo

znacznymi wzrostami stężeń Ca

2+

, którym przypisuje się

rolę cyfrowych sygnałów wapniowych [9]. Na dywersyfika-

cję sygnałów wapniowych generowanych w neuronach ma

także wpływ zróżnicowanie struktury molekularnej i skła-

du podjednostkowego białek zaangażowanych w regulację

przepływów Ca

2+

.

NAPŁYW JONÓW WAPNIA DO NEURONÓW

Z PRZESTRZENI ZEWNĄTRZKOMÓRKOWEJ

Sygnał elektryczny docierający do neuronu (tj. depolary-

zacja błony) jest przetwarzany przez VOCC w sygnał wap-

niowy, którego pierwszym elementem jest napływ Ca

2+

do

komórki i podwyższenie jego lokalnego stężenia (Ryc. 1A).

Ten efekt, zwykle krótkotrwały, ma jednak doniosłe skut-

ki regulacyjne. Heteromeryczne VOCC są pentamerami o

złożonej strukturze podjednostkowej. W ich skład wchodzą

podjednostki α1, kodowane przez 10 genów, zawierające

sensor napięcia, por kanału selektywnego dla Ca

2+

i miejsce

fosforylacji przez kinazę białkową zależną od cAMP, pod-

jednostki α2 i δ, kodowane przez 3 geny i regulujące am-

plitudę prądów jonowych, oraz podjednostki β i γ pełniące

funkcje regulatorowe. Skład podjednostkowy determinuje

właściwości czynnościowe VOCC. W oparciu o kryteria

elektrofizjologiczne i farmakologiczne wyodrębniono pięć

typów VOCC, kanały L, P/Q, N, R i T. Wykazano istotne

różnice w lokalizacji poszczególnych typów tych kanałów

w różnych częściach komórki nerwowej i w ich funkcjach.

Kanały N i P/Q są głównie zlokalizowane presynaptycznie

i regulują zależną od Ca

2+

egzocytozę pęcherzyków synap-

tycznych [10]. Kanały L są zlokalizowane zarówno w części

pre- jak i postsynaptycznej, głównie jednak w części prok-

symalnej dendrytów i ciele neuronów. Przypisuje się im

rolę w regulacji za pośrednictwem jonów Ca

2+

transkrypcji

genów, w aktywacji genów szybkiej odpowiedzi i w akty-

wacji wraz z kalmoduliną białka CREB [11]. Znane są zło-

żone oddziaływania i powiązania czynnościowe kanałów

L z różnorodnymi zależnymi od wapnia mechanizmami

przekazywania sygnałów w neuronach [12]. Obecnie dys-

ponujemy rozbudowanym zestawem narzędzi farmakolo-

gicznych służących do sterowania aktywnością VOCC [13].

ROC przetwarzają docierający z zewnątrz sygnał che-

miczny, jakim jest związanie się specyficznego neuroprze-

kaźnika z receptorem w błonie synaptycznej w sygnał wap-

niowy wewnątrz komórki. Pobudzenie receptorów jonotro-

powych prowadzi bowiem do aktywacji kanału przepusz-

czalnego dla Ca

2+

. Wśród ROC najbardziej rozpowszech-

nione w mózgu są jonotropowe receptory dla glutaminianu

trzech podtypów: NMDAR, AMPAR i kainianowe (KAR)

(Ryc. 1A) [14]. Szczególnie wysoką przepuszczalnością dla

jonów wapnia cechują się NMDAR. Są to tetramery, składa-

jące się z dwóch podjednostek NR1 i dwóch podjednostek

NR2. Występuje wiele wariantów poszczególnych podjed-

nostek (NR1

1-4a/b

oraz NR2

A-D

), co zapewnia ogromną różno-

rodność tych receptorów. Ich unikalną cechą jest detekcja

koincydencji zdarzeń kluczowych dla aktywacji receptora:

dostępności agonisty, którym jest neuroprzekaźnik - gluta-

minian, koagoniasty - glicyny lub D-seryny, oraz depolary-

zacji błony plazmatycznej neuronu, w czym mogą pośred-

niczyć AMPAR [15]. Aktywacja kanału jonowego NMDAR

zależy bowiem od depolaryzacji, która zwalnia jony Mg

2+

blokujące kanał. C-końcowe cytoplazmatyczne fragmen-

ty podjednostek NMDAR służą do połączenia tych recep-

torów z innymi elementami gęstości postsynaptycznych

(PSD, ang. post-synaptic density) w kolcach dendrytycznych

synaps, co ma zasadnicze znaczenie dla procesów przeka-

zywania sygnałów. AMPAR są heteromerami składającymi

się z podjednostek GluR1-4 kodowanych przez cztery geny.

Ich przepuszczalność dla jonów Ca

2+

jest normalnie bardzo

ograniczona, jednak wzrasta ona dramatycznie przy braku

w strukturze podjednostki GluR2, co ma istotne znaczenie

funkcjonalne i patologiczne [16]. KAR mają strukturę i wła-

ściwości zbliżone do AMPAR. Inne przepuszczalne dla Ca

2+

podtypy ROC, to receptory jonotropowe dla acetylocholiny

(nAch), ATP (P2X) i serotoniny (5-HT3) [17], które cechują

się mniej intensywnymi przepływami Ca

2+

i pozostają w cie-

niu receptorów dla glutaminianu.

Podobnie jak w komórkach niepobudliwych, w neuro-

nach zachodzi napływ wapnia za pośrednictwem kanałów

pojemnościowych SOCC (ang. store-operated calcium chan-

nels) z udziałem białka Orai1, których aktywność jest re-

gulowana przez wrażliwe na zawartość Ca

2+

w ER białka

sensorowe STIM [18], wykryte w neuronach licznych okolic

mózgu [19]. Napływowi pojemnościowemu wapnia przypi-

suje się udział w mechanizmach plastyczności neuronalnej

[20].

UWALNIANIE JONÓW WAPNIA

Z WEWNĘTRZNYCH ZASOBÓW NEURONÓW

W uwalnianiu Ca

2+

zmagazynowanego w ER do cytosolu

pośredniczą dwa typy kanałów wapniowych zlokalizowa-

nych w błonach ER (Ryc. 1A) [6,7]. Jeden z nich, to receptor

IP

3

(IP

3

R) o budowie tetrameru (monomeru), zbudowane-

go z trzech sklonownych izoform, a poszczególne podtypy

IP

3

R różnią się właściwościami funkcjonalnymi [21]. Ago-

nista tego receptora — IP

3

, to produkt sprzężonej z recepto-

rami metabotropowymi fosfolipazy C [3]. IP

3

pełni funkcję

globalnego przekaźnika sygnału w komórce, co wynika z

jego długiego, mierzonego w sekundach okresu półtrwa-

nia i rozległego zakresu dyfuzji w komórkach w granicach

20 μm. IP

3

Rs integrują ten sygnał i przekształcają go w sy-

gnał lokalny przekazywany przez jony Ca

2+

. Ten podział

ról wynika z faktu, że droga dyfuzji uwalnianych z ER jo-

nów Ca

2+

jest 200 razy krótsza niż IP

3

[22]. Aktywność IP

3

R

jest zwrotnie regulowana przez jony Ca

2+

, przy czym Ca

2+

w stężeniach do 0,1–0,3 μM potęgują aktywność kanału, a

przy wyższych stężeniach go inaktywują [23]. Z kolei białka

wiążące wapń oraz cytochrom c hamują inaktywację kanału

przez wyższe stężenia jonów Ca

2+

[24,25].

Drugi typ receptorów/kanałów wapniowych zaanga-

żowanych w proces wyrzutu Ca

2+

z ER w neuronach, to

receptor rianodynowy (RyR) (Ryc. 1A) [26]. RyR to homo-

tetramer o dużej masie cząsteczkowej ok. 500 kDa, z N-

-końcową domeną cytoplazmatyczną, domeną błonową w

pobliżu końca C cząsteczki oraz regionem pośrednim, za-

wierającym miejsca wiążące jony Ca

2+

, ATP, kalmodulinę

406

www.postepybiochemii.pl

(CaM) i inne modulatory [27]. Sklonowane trzy izoformy

RyR charakteryzują się różną lokalizacją w tkankach i nieco

innymi właściwościami. Izoforma RyR1 występuje głównie

w mięśniach szkieletowych, RyR2 w sercu i neuronach mó-

zgu, a RyR3, choć nazywana neuronalną lub mózgową, jest

wykrywana głównie w tkankach obwodowych. Aktywność

RyR jest regulowana przez wapń, przy czym Ca

2+

w niskich

stężeniach pobudza, a w wysokich hamuje aktywność RyRs

[28]. Kofeina i cykliczna ADP-ryboza są odpowiednio egzo-

i endogennymi aktywatorami RyR [29].

Uwalnianie jonów Ca

2+

z ER w neuronach, zachodzące

za pośrednictwem IP

3

R, jest wykorzystane w mechanizmie

przekazywania sygnałów z udziałem receptorów metabo-

tropowych, w tym w mGluR grupy I, obejmującej dwa typy

receptorów: mGluR1 i mGluR5 (Ryc. 1A) [30]. Jak wspo-

mniano powyżej, niskie stężenia jonów Ca

2+

aktywują oba

rodzaje receptorów/kanałów wapniowych występujących

w ER. Ta cecha jest podstawą dla CICR, czynnościowego

sprzężenia poprzez Ca

2+

kanałów i receptorów pośredniczą-

cych w napływie Ca

2+

ze środowiska zewnętrznego (zwłasz-

cza VOCC i NMDAR) z receptorami uwalniającymi Ca

2+

z

ER, a szczególnie RyR. Znaczenie czynnościowe CICR po-

lega na wzmacnianiu i przedłużaniu sygnału wapniowego

w neuronach [31]. Bez względu na drogę uwolnienia Ca

2+

z

ER, opróżnienie tych zasobów wapnia indukuje pojemno-

ściowy napływ Ca

2+

do komórki oraz uzupełnienie zasobów

w ER [18]. Niezależnie od znanych funkcji sekrecyjnych

związanych z tworzeniem amyloidu β, białko presenilina

odgrywa ważną rolę w integracji homeostazy wapnia w ko-

mórce, moduluje aktywność IP

3

R i RyR, pracę pompy wap-

niowej SERCA, wpływa na aktywację SOCC, a sama tworzy

w błonie ER kanał wycieku Ca

2+

(ang. leak channel) [32].

BUFOROWANIE Ca

2+

I WYGASZANIE SYGNAŁU

WAPNIOWEGO W NEURONACH

Kontrolowany wzrost wewnątrzkomórkowego stężenia

Ca

2+

w neuronach (sygnał wapniowy), dla zachowania swej

kluczowej roli w systemie przekazu informacji w komór-

kach, wymaga skutecznych mechanizmów wygaszania, co

sprowadza się do usuwania wolnych jonów Ca

2+

z cytosolu.

Do tych mechanizmów należą wyrzut wapnia na zewnątrz

komórki za pośrednictwem pompy PMCA i wymiennika

NCX oraz buforowanie wewnątrz neuronów, polegające

na pobieraniu Ca

2+

przez organelle komórkowe - ER i mito-

chondria oraz wiązaniu przez wyspecjalizowane białka [2].

USUWANIE Ca

2+

Z NEURONÓW

Dla pełnego i długoterminowego wyrównania bilansu

wapniowego komórki nerwowej oraz utrzymania niskiego

stężenia Ca

2+

w cytosolu decydujące są mechanizmy usu-

wania tych jonów na zewnątrz (Ryc. 1A). W warunkach

spoczynkowych tę rolę spełnia PMCA. Cząsteczka tego

enzymu ma złożoną strukturę, w tym 10 fragmentów prze-

szywających błonę i 4 pętle wewnątrzkomórkowe z krótkim

fragmentem N-końcowym, miejsce wiążące kwaśne fosfo-

lipidy, domenę katalityczną oraz fragment C-końcowy za-

wierający miejsca modulatorowe wiążące CaM i fosforylo-

wane przez kinazy białkowe C i A [33]. W mózgu występuje

ponad 30 izoform PMCA; białko to jest kodowane przez 4

geny i są cztery alternatywne warianty jego składania. Daw-

no poznany mechanizm działania PMCA polega na zmianie

konformacyjnej cząsteczki, zachodzącej dzięki hydrolizie

ATP. Wyrzutowi wapnia z cytoplazmy towarzyszy napływ

protonów do wnętrza komórki. Jako błonowa pompa wap-

niowa PMCA cechuje się względnie niską wydajnością, ale

wysokim powinowactwem do jonów Ca

2+

, dzięki czemu

utrzymuje ich stężenie na prawidłowym poziomie poniżej

10

–7

M.

W neuronach pobudzonych dochodzi do znacznego

wzrostu stężenia Ca

2+

w komórce. Do jego usuwania włącza

się wymiennik NCX, wykorzystujący energię elektroche-

micznego gradientu sodu (Ryc. 1A). Posiada on znacznie

niższe niż PMCA powinowactwo dla jonów Ca

2+

, ale dużą

wydajność transportu. NCX jest białkiem transportowym

niezależnym od potasu, kodowanym przez geny NCX1, 2 i

3 [34]. Ponadto występuje też transporter zależny od pota-

su, kodowany przez geny NCKX1 i 2. Białka te mają rozbu-

dowaną strukturę zawierającą 11 domen transbłonowych,

pętle cytoplazmatyczne z miejscami modulatorowymi, a po

stronach na zewnątrz i wewnątrz komórki posiadają liczne

miejsca wiążące jony [35]. Aktywność NCX jest modulowa-

na przez ATP, stopień ufosforylowania, fosfoargininę, jony

H

+

i Na

+

. Zależy ona też od stężenia jonów Ca

2+

w cytosolu,

jest bardzo niska przy wartościach spoczynkowych poniżej

10

-7

M, natomiast osiąga maksymalną wartość przy stężeniu

Ca

2+

10

-4

M [36]. Transport polega na wymianie 1 jonu Ca

2+

na 3 jony Na

+

, lub 1 jonu Ca

2+

i 1 jonu K

+

na 4 jony Na

+

, i

jest odwracalny, przy czym kierunek transportu jest regulo-

wany przez potencjał błonowy oraz gradienty stężeń jonów

Ca

2+

i Na

+

. Odwrócony tryb pracy prowadzący do napływu

wapnia, cechuje komórkę o niskim potencjale błonowym,

z podwyższonym stężeniem sodu. Tak więc, wymiennik

NCX pracujący w trybie odwróconym jest alternatywną

drogą wnikania wapnia do komórek.

POBIERANIE Ca

2+

PRZEZ MITOCHONDRIA I ER

Obok wytwarzania ATP i regulacji metabolizmu w ko-

mórce, inną uniwersalną funkcją mitochondriów jest pobie-

ranie jonów Ca

2+

. Fakt, że ulega on znaczącej aktywacji do-

piero przy stężeniu Ca

2+

> 0,5µM czyni z tego mechanizmu

bufor wapniowy o stosunkowo niskim powinowactwie, ale

dużej pojemności (Ryc. 1A). Ponieważ zewnętrzna błona

mitochondrialna jest przepuszczalna dla substancji drob-

nocząsteczkowych (o małej masie cząsteczkowej), napływ

Ca

2+

do mitochondriów polega na transporcie przez błonę

wewnętrzną na zasadzie uniportu napędzanego przez po-

tencjał mitochondrialny i gradient elektrochemiczny Ca

2+

[37]. Usuwanie Ca

2+

z mitochondriów do cytosolu zacho-

dzi ze znacznie mniejszą szybkością, głównie na zasadzie

wymiany z jonami Na

+

[38]. Zarówno uniporter jak i mito-

chondrialny wymiennik NCX są hamowane przez czerwień

rutenową i kationy dwuwartościowe, przy czym jony Mg

2+

hamują aktywność uniportera przez działanie na miejsce

regulatorowe. Za mechanizm mogący prowadzić do szyb-

kiego usuwania nadmiaru jonów Ca

2+

z mitochondiów

uważana jest aktywacja megakanałów (kanałów MPT, ang.

mitochondrial permeability transition), co przy przeładowa-

niu mitochondriów jonami wapnia może się stać zarazem

elementem dysfunkcji mitochondriów mogącej prowadzić

Postępy Biochemii 58 (4) 2012

407

do nekrotycznej lub apoptotycznej śmierci neuronów [39].

Ponieważ w warunkach spoczynkowych w neuronach

stężenie Ca

2+

jest znacznie niższe niż powinowactwo mi-

tochondrialnego uniportera, buforowanie przez mitochon-

dria wewnątrzkomórkowego stężenia Ca

2+

nabiera znacze-

nia regulacyjnego przy lokalizacji tych struktur w pobliżu

zewnątrzkomórkowych lub wewnątrzkomórkowych ka-

nałów wapniowych, gdzie lokalne stężenia jonów wapnia

mogą na krótko osiągać wysokie wartości i wymagają bu-

forowania [40].

Wysokie powinowactwo do Ca

2+

wykazuje system buforo-

wania wapnia w ER, w skład którego wchodzą wapniowa AT-

Paza SERCA, transportująca wapń do światła ER, białka wią-

żące Ca

2+

zlokalizowane wewnątrz kanałów ER, oraz recepto-

ry/kanały IP

3

i RyR uwalniające Ca

2+

(Ryc. 1A) [7,41]. Aktyw-

ności SERCA i pobieraniu Ca

2+

przez cysterny ER towarzyszy

przeciwprądowy przepływ H

+

. Wykryto dotąd trzy izoformy

i szereg wariantów SERCA: 1a i b, 2a i b oraz 3. Najlepiej po-

znano strukturę molekularną SERCA 2b zawierającą dziesięć

domen transbłonowych, trzy domeny cytoplazmatyczne, w

których zlokalizowane są miejsca wiązania ATP i ulegające

fosforylacji, oraz dwa miejsce wiążące Ca

2+

[42].

Wzrastającą uwagę przyciąga homeostaza wapnia w ją-

drze komórkowym. Podwójna błona jądrowa jest w ciągłym

kontakcie z ER, zachowując jej funkcje transportu Ca

2+

. Pory

w błonie jądrowej są przepuszczalne dla małych cząstek, w

tym dla jonów Ca

2+

. Wykazano, że transport Ca

2+

w błonie

jądrowej jest spolaryzowany i są różnice w zawartości białek

transportujących Ca

2+

w błonie zewnętrznej i wewnętrznej.

Błona wewnętrzna obfituje w receptory IP

3

i rianodynowe, a

błona zewnętrzna zawiera SERCA. Ułatwia to generowanie

i wygaszanie sygnału Ca

2+

w nukleoplazmie, obfitującej w

białka wiążące wapń. Te mechanizmy stanowią podłoże dla

bezpośredniej roli wapnia w mechanizmach przekazywania

sygnałów w jądrze komórkowym [43].

BIAŁKA WIĄŻĄCE Ca

2+

O znaczeniu mechanizmów wiązania Ca

2+

wewnątrz

komórki świadczy to, że wolne jony Ca

2+

w cytosolu sta-

nowią zaledwie 1% całkowitej zawartości wapnia, a resz-

ta przypada na wapń związany z cząsteczkami jak ATP, a

przede wszystkim z różnorodnymi białkami. Pomijając en-

zymy takie jak niektóre fosfolipazy A

2

, posiadające w swojej

strukturze miejsca wiążące Ca

2+

z niskim powinowactwem

i aktywowane w obecności tych kationów [44], należy pod-

kreślić znaczenie właściwych białek wiążących Ca

2+

[45].

Wśród nich wyróżniamy bufory wapniowe jak parwalbu-

mina, kalbindyna i kalretinina, którym przypisuje się m. in.

udział w wiązaniu i wewnątrzkomórkowym transporcie

tego kationu, oraz sensory wapnia jak CaM, kalcyneuryna,

białka S100 i troponina, a także neuronalne sensory wapnia

(NCS), spełniające omówione poniżej funkcje regulacyjne

ważne w mechanizmach przekazywania sygnałów. Właści-

we białka wiążące wapń posiadają w swej strukturze różną

liczbę domen zwanych „EF-hand”, umożliwiających wiąza-

nie Ca

2+

[2,46]. Białka wiążące wapń, zarówno o niskim jak i

o wysokim powinowactwie, występują w dużych ilościach

zarówno w cytosolu, jak i w świetle cystern ER, w jądrze

oraz w macierzy mitochondriów.

CZUJNIKI WAPNIA; NIEGENOMOWE

KONSEKWENCJE PRZEKAZYWANIA SYGNAŁU

WAPNIOWEGO W NEURONACH

Wynikiem wzrostu wewnątrzkomórkowego stężenia

Ca

2+

jest ich przyłączenie się do białek zawierających dome-

ny EF-hand, będących wewnątrzkomórkowymi czujnikami

Ca

2+

i

mediatorami zależnych od wapnia dalszych szlaków

przekazywania sygnału. Przykładem specyficznych dla

neuronów i wyspecjalizowanych białek będących sensora-

mi wapnia są synaptotagminy, zlokalizowane w części pre-

synaptycznej zakończeń synaptycznych i odgrywające klu-

czową rolę w zależnym od Ca

2+

wyrzucie neurotransmite-

rów nagromadzonych w pęcherzykach synaptycznych [47].

Kalmodulina (CaM) odgrywa szczególną rolę uniwersal-

nego czujnika wapnia integrującego sygnał wapniowy w

neuronach i zaangażowanego w regulację bardzo licznych

procesów komórkowych (Ryc. 2). W kompleksie z Ca

2+

wiąże się ona z szeregiem białek efektorowych, w tym en-

zymów takich jak kinazy i fosfatazy białkowe, cyklazy czy

syntazy NO i reguluje ich aktywność [48]. Ważne miejsce

wśród zależnych od wapnia i CaM mechanizmów przeka-

zywania sygnałów w neuronach zajmuje szlak aktywowany

przez pobudzenie receptorów NMDA lub VOCC i napływ

Ca

2+

, obejmujący aktywację syntazy NO, pobudzenie cy-

klazy guanylowej, produkcji cGMP i odpowiednich kinaz

białkowych, fosfataz i kanałów jonowych, co prowadzi

do modulacji aktywności synaptycznej [49]. Istotną rolę w

procesie przekazywania sygnału odgrywają cyklazy adeny-

lanowe wrażliwe na wapń i CaM. Natomiast wśród kinaz

białkowych zależnych od wapnia i CaM (CaM kinaz), nale-

ży wyróżnić CaM kinazę II (CaMKII) zlokalizowaną postsy-

naptycznie, która jest podstawowym zależnym od wapnia

regulatorem plastyczności synaptycznej. Przykłady mecha-

nizmów, ważnych dla krótko- i długotrwałych zmian pla-

stycznych w neuronach, a kontrolowanych przez Ca

2+

, CaM

i CaMKII to fosforylacja receptorów AMPA oraz aktywacja

jądrowego czynnika transkrypcyjnego CREB [50]. Fosfata-

za białkowa, kalcyneuryna jest enzymem aktywowanym

przez wapń i CaM, co powoduje, że CaM kontroluje także

defosforylację białek [51].

Ca

2+

A REGULACJA EKSPRESJI GENÓW

Szybkie odpowiedzi wewnątrzkomórkowe na wzrost

stężenia Ca

2+

angażują głównie potranslacyjną modyfika-

cję białek już obecnych w komórce. Jednakże długotrwałe

zmiany strukturalne i funkcjonalne komórki, będące od-

powiedzią na sygnał wapniowy, wymagają uruchomienia

ekspresji odpowiednich genów. Wykazano, że sygnał wap-

niowy jest niezbędny do uruchomienia ekspresji genów

wczesnej odpowiedzi takich jak np. c-fos czy zif/268, a w

konsekwencji również do aktywacji ekspresji genów róż-

nych białek docelowych. W neuronach można wyróżnić

dwa mechanizmy, dzięki którym elektryczny sygnał pobu-

dzenia komórki przekładany jest na transkrypcję. W pierw-

szym, jony Ca

2+

po wniknięciu do komórki aktywują znaj-

dujące się w pobliżu cytoplazmatyczne przekaźniki, które

następnie przekazują sygnał do jądra. W drugim jony Ca

2+

działają bezpośrednio w jądrze.

408

www.postepybiochemii.pl

Podstawowym szlakiem uruchamianym przez wzrost

stężenia Ca

2+

w cytoplazmie jest szlak Ras/MAP kinaza/

ERK1/2 (ang. extracellular signal-regulated kinase 1/2), który

prowadzi do aktywacji jądrowych kinaz Rsk 1-3, mających

zdolność fosforylacji związanych z DNA białek regulują-

cych transkrypcję (Ryc. 2). Szlak ten aktywowany jest głów-

nie napływem Ca

2+

przez kanały związane z NMDAR [52],

jednakże napływ Ca

2+

przez zależne od potencjału kanały

typu L (L-VOCC) również może uruchomić ten szlak [53].

Nie jest do końca wyjaśnione, w jaki sposób sygnał wap-

niowy uruchamia kaskadę Ras/MAPK/ERK1/2. Część ba-

daczy uważa, że kompleks Ca

2+

/CaM reguluje aktywację

Ras poprzez czynnik uwalniający nukleotyd guanylowy

Ras (Ras-GRF), inni z kolei opowiadają się za udziałem za-

leżnej od Ca

2+

/CaM kinazy kinazy (CaMKK) oraz zależnej

od Ca

2+

/CaM kinazy I (CaMKI) [54]. Przekaz sygnału przez

ERK1/2 w jądrze zachodzi albo bezpośrednio za pomocą

ufosforylowanego ERK1/2 (pERK1/2) przedostającego się

do jądra, albo pośrednio poprzez kinazy fosforyzowane

przez pERK1/2 w cytoplazmie przed ich przemieszczeniem

się do jądra. Do kinaz tych należą zlokalizowana w jądrze

i wymagająca obecności aktywnej MAPK — MKS1/2 oraz

RSK2, która jest importowana do jądra po jej ufosforylowa-

niu przez REK1/2 w cytoplazmie [54].

Wzrost stężenia Ca

2+

w cytoplazmie aktywuje również

przekazywanie sygnału przez kinazy zależne od Ca

2+

i CaM

(CaMKs) (Ryc. 2). CaMKs I, II i IV mogą fosforylować CREB

na reszcie seryny 133 (Ser133), co jest niezbędne do zapo-

czątkowania transkrypcji, jednakże największe znaczenie

wydają się mieć CaMKs II oraz IV. CaMK II zlokalizowa-

na jest głównie w cytoplazmie, a jej aktywna forma może

ulegać przemieszczeniu do jądra. W jądrze znajdują się

również izoformy CaMKII mogące być aktywowane przez

przedostające się do jądra jony Ca

2+

związane z CaM. Na-

tomiast CaMK IV jest enzymem zlokalizowanym głównie

w jądrze i jak wykazano jej aktywacja zbiega się w czasie

z aktywacją CREB [55]. CREB nie jest jedynym czynnikiem

transkrypcyjnym, który może aktywować jony Ca

2+

i CaM.

Wykazano bowiem, że działanie CaMKIV jest niezbędne

przy aktywowaniu C/EBPβ, ATF-1 oraz SRF [52].

Wiadomo, że chociaż napływ Ca

2+

przez L-VOCC silnie

aktywuje CREB, to równoważny napływ Ca

2+

przez pozo-

stałe VOCC nie skutkuje zainicjowaniem zależnej od CREB

ekspresji genów [55]. Napływ Ca

2+

przez kanały związane z

NMDAR jest dominującym elementem aktywacji ekspresji

genów w embrionalnym rozwoju neuronów, jednakże wraz

z dojrzewaniem tkanki mózgowej tę rolę przejmują również

inne mechanizmy powodujące wzrost wewnątrzkomórko-

wego stężenia Ca

2+

[55]. Wykazano, że w dojrzałej tkance

mózgowej napływ Ca

2+

przez VOCC typu L prowadzi do

długotrwałej fosforylacji CREB, podczas gdy wejście Ca

2+

kanałami związanymi z NMDAR skutkuje krótkotrwałą

fosforylacją [56].

Oprócz opisanych powyżej dwóch szlaków przekazywa-

nia sygnału wapniowego w cytoplazmie, transkrypcja może

być aktywowana bezpośrednio przez wzrost stężenia Ca

2+

w jądrze. Podwyższenie poziomu Ca

2+

w jądrze najczęściej

związane jest z uwalnianiem Ca

2+

z magazynów wewnątrz-

komórkowych, ale może też być wynikiem przemieszczenia

się kompleksu Ca

2+

/CaM do jądra. Bezpośredni napływ Ca

2+

do jądra wiąże się z silną lub powtarzającą się stymulacją

dendrytów, co powoduje masowy napływ Ca

2+

, przemiesz-

czającego się do ciała komórki. Ponieważ struktura błony

jądrowej pozwala na dyfuzję Ca

2+

do jądra, przy wzroście

stężenia Ca

2+

w pobliżu tej błony, część przemieszcza

się do nukleoplazmy, a ponadto jony Ca

2+

mogą być

uwalniane z zasobów wewnątrz podwójnej błony ją-

drowej [43,57]. Uważa się, że jony Ca

2+

w jądrze nie

angażują się w aktywację specyficznych czynników

transkrypcyjnych, ale raczej kontrolują, poprzez ak-

tywację jądrowej CaMKIV, aktywność białek wią-

żących CREB (CBP). CBP może oddziaływać z wie-

loma czynnikami transkrypcyjnymi, stanowiąc me-

chanizm, poprzez który sygnał wapniowy w jądrze

może modulować aktywność potencjalnie dużej licz-

by tych czynników, a co za tym idzie ekspresję dużej

liczby genów [58].

CREB jest najlepiej poznanym do tej pory czyn-

nikiem transkrypcyjnym regulowanym sygnałem

wapniowym (Ryc. 2). Wiąże się w postaci dimeru

do domeny DNA nazwanej elementem odpowiedzi

na cAMP (CRE) i jest kluczowym elementem w eks-

presji genów aktywowanej sygnałem wapniowym

w komórkach pobudliwych. Uruchomienie trans-

krypcji genów, w której pośredniczy CREB, wymaga

fosforylacji reszty Ser133 w tym białku. Fosforylacja

ta może być katalizowana przez szereg kinaz, takich

jak kinaza białkowa A (PKA), CaMK I, II i IV, regu-

lowana przez ERK kinaza RSK2 czy kinazy regulo-

wane przez p38 MAP [52]. Nie oznacza to jednak, że

każda fosforylacja reszty Ser133 skutkuje aktywacją

Rycina 2. Rola Ca

2+

w przekazywaniu sygnału uruchamiającego transkrypcję genów w neu-

ronach. Napływ Ca

2+

do wnętrza neuronów przez VOCC lub ROS powoduje aktywację kil-

ku szlaków sygnałowych jak cyklazy adenylanowej (AC), kinazy aktywowane kompleksem

Ca

2+

/kalmodulina przez Ras. Każda z tych dróg prowadzi do przekazania sygnału do jądra

i uruchomienia kinaz przemieszczonych do jądra (PKA, RSK1-3 i CaMKII) oraz aktywacji

jądrowych kinaz (CaMKII i IV), co w efekcie umożliwia fosforylację CREB i rozpoczęcie

transkrypcji genu.

Postępy Biochemii 58 (4) 2012

409

transkrypcji. Wykazano, że do zapoczątkowania transkryp-

cji niezbędny jest dodatkowy czynnik aktywowany jądrową

CaMKIV, którym jest białko wiążące CREB (CBP). CBP jest

białkowym koaktywatorem, który nie wiąże się bezpośred-

nio z DNA, może za to oddziaływać z wieloma czynnikami

transkrypcyjnymi [58]. Łączenie CBP z wybranym promoto-

rem jest inicjowane przez kaskady uruchamiane sygnałem

wapniowym, ale żaden z tych szlaków nie aktywuje samego

CBP. Aktywacja CBP kontrolowana jest przez jony Ca

2+

w

jądrze oraz jądrową CaMKIV, jednak sam mechanizm akty-

wacji jest do tej pory niejasny. CaMKII, która również może

fosforylować w CREB resztę Ser133, fosforyluje też resztę

Ser142, co skutkuje zahamowaniem transkrypcji. Fosforyla-

cja reszty Ser142 jest indukowana sygnałem pochodzącym z

depolaryzacji błony komórkowej, która ma miejsce w czasie

trwania transkrypcji aktywowanej CREB [55].

Oddziałujące z CBP czynniki transkrypcyjne inne niż

CREB, również mogą być zaliczone do regulowanych przez

sygnał wapniowy. Jednym z nich jest c-Jun, którego akty-

wacja przez sygnał wapniowy w komórkach hipokampa

nie wymaga, jak w innych przypadkach, fosforylacji reszt

seryny 63 i 73, za to jest kontrolowana przez CaMKIV i ak-

tywację CBP. To sugeruje, że CBP przyłączone do c-Jun jest

jednocześnie miejscem regulacji transkrypcji aktywowanej

przez Ca

2+

[52].

Innym elementem regulowanym przez jony Ca

2+

jest

czynnik SRF (ang. serum response factor), znaleziony na

promotorze c-fos i miejscach regulatorowych kilku in-

nych genów [59]. Łączy się on z domeną SRE (ang. serum

response element) w postaci dimeru, często w towarzy-

stwie jednego z koaktywatorów transkrypcji z rodziny

TCFs (ang. ternary complex factors), również regulowane-

go przez Ca

2+

lub MRTF (ang. myocardin-related transcrip-

tion factor) [59,60]. W odróżnieniu od CREB/CBP, ekspre-

sja genów regulowana przez SRF jest kontrolowana przez

mechanizm uruchamiany przez cytoplazmatyczny sy-

gnał wapniowy [57]. Uważa się, że szlakiem przekazywa-

nia sygnału zaangażowanym w aktywację SRF raczej nie

jest kaskada Ras/MAPK/ERK1/2 i że zaangażowane są

tu CaM kinazy [52]. CaMKII, która katalizuje fosforylację

reszty Ser103 w SRF wydaje się jednak nie być jedynym

aktywatorem SRF regulowanym Ca

2+

i prawdopodobnie

w aktywację transkrypcji zaangażowane są jeszcze inne

białka [61].

Wzrost stężenia jądrowego Ca

2+

może bezpośrednio re-

gulować proces transkrypcji poprzez DREAM (ang. down-

stream regulatory element antagonist modulator). Jest to biał-

ko zawierające wiążącą Ca

2+

domenę EF-hand, łączące się z

DRE (ang. downstream regulatory element). Kompleks DRE-

AM/DRE hamuje transkrypcję, prawdopodobnie przez

hamowanie elongacji transkrypcji. Gdy wzrasta stężenie

Ca

2+

w jądrze, Ca

2+

wiąże się do DREAM, zmniejszając

jednocześnie jego powinowactwo do DRE. Skutkiem tego

jest odłączenie się DREAM od DNA i zwolnienie hamulca

transkrypcji docelowego genu. DREAM jest białkiem sze-

roko rozpowszechnionym w układzie nerwowym, szcze-

gólnie w neuronach czuciowych, gdzie odpowiedzialny

jest za ekspresję prodynorfiny, genu związanego z modu-

lacją bólu [62].

FIZJOLOGICZNA ROLA JONÓW

WAPNIA W NEURONACH

Jony Ca

2+

są uniwersalnym przekaźnikiem informacji

we wszystkich komórkach, pełnią jednak szczególną rolę

w komórkach pobudliwych, gdzie sprzęgają pobudzenie z

ich specyficzną funkcją. W układzie nerwowym jony Ca

2+

są zaangażowane w neurotransmisję na wielu etapach tego

procesu. Regulują one pobudliwość neuronów, w części

presynaptycznej synaps aktywują sekrecję neuroprzekaź-

ników chemicznych, a w części postsynaptycznej pełnią

funkcję wtórnego przekaźnika sygnału [3]. Jak omówiono

powyżej, jony Ca

2+

i zależne od nich szlaki sygnałowe są w

neuronach zaangażowane w przekaz informacji od synapsy

do jądra. Zmiany stężenia jonów Ca

2+

wewnątrz komórki, a

więc sygnały wapniowe, są w neuronach wykorzystywane

do krótkotrwałej regulacji aktywności tych komórek lub w

procesach długo trwających. Wśród procesów długo trwa-

jących należy wymienić mechanizmy wzrostu neurytów,

tworzenia i przebudowy sieci neuronalnej, regulacji siły po-

łączeń synaptycznych oraz procesy warunkujące przeżycie

lub programowaną śmierć tych komórek. Te długotrwałe

mechanizmy wymagają zmiany ekspresji genów.

ROLA WAPNIA W NEUROTRANSMISJI

Od dawna znany jest udział Ca

2+

w stabilizacji poten-

cjału błony plazmatycznej i regulacji pobudliwości komó-

rek pobudliwych; wiadomo, że niedobory wapnia, któ-

re obserwuje się np. w tężyczce prowadzą do zaburzenia

pobudliwości. Szczegółowy mechanizm tego zjawiska jest

złożony [63], jego ważnym elementem jest aktywacja przez

Ca

2+

kanałów potasowych regulujących potencjał błonowy,

a zarazem biorących udział w mechanizmach plastyczności

neuronalnej [64].

Regulowany przez Ca

2+

proces sprzężenia depolaryzacji

z egzocytozą neuroprzekaźników chemicznych nagroma-

dzonych w pęcherzykach synaptycznych, zachodzi w czę-

ści presynaptycznej zakończenia nerwowego. W wyniku

depolaryzacji dochodzi do aktywacji VOCC typu N i P/Q

i do lokalnego wzrostu wewnątrzkomórkowego stężenia

Ca

2+

do poziomu ocenianego na 20-50 μM [65]. Jednak na-

tura i regulacja presynaptycznych sygnałów wapniowych

odpowiedzialnych za uwalnianie neuroprzekaźników jest

procesem bardziej złożonym, w którym poza wspomniany-

mi kanałami wapniowymi uczestniczą inne liczne elementy

regulacji homeostazy Ca

2+

. Jest to mechanizm przyczynia-

jący się do pewnej autonomii zakończeń synaptycznych

[66]. W regulacji aktywności kanałów wapniowych oraz

w dalszych etapach uwolnienia neuroprzekaźników z pę-

cherzyków synaptycznych do przestrzeni synaptycznej

uczestniczy szereg białek wiążących wapń, pełniących rolę

sensorów wapnia, zawierających motyw EF-hand, jak CaM,

kalcyklina i NCS-1 lub też, jak wspomniana wyżej synapto-

tagmina, domenę C2 wiążącą Ca

2+

i fosfolipidy, pierwotnie

odkrytą w strukturze kinazy białkowej C [47].

W części postsynaptycznej zakończenia nerwowego,

w wyniku pobudzenia receptorów i depolaryzacji, jony

Ca

2+

wnikają do komórki przez bramkowane ligandem ka-

nały wapniowe ROC, przez zależne od potencjału kanały

410

www.postepybiochemii.pl

wapniowe VOCC, a także są mobilizowane z ER za po-

średnictwem receptorów metabotropowych sprzężonych

przez białka G z fosfolipazą C i IP

3

R oraz za pośrednictwem

RyR w procesie CICR. W efekcie aktywowane są zależ-

ne od wapnia szlaki przekazywania sygnału. Jedne z nich

prowadzą poprzez potranslacyjną modyfikację (zwłasz-

cza fosforylację i nitrozylację) białek do wspomnianych

powyżej krótkotrwałych (mierzonych w minutach) zmian

aktywności neuronów. Istotnym aspektem wapniowej re-

gulacji transmisji synaptycznej jest zależna od Ca

2+

synteza

wstecznych neuroprzekaźników w synapsach. Wniknięcie

Ca

2+

do części postsynaptycznej aktywuje bowiem zależną

od Ca

2+

i CaM neuronalną syntazę tlenku azotu (nNOS), co

prowadzi do uwolnienia NO [49]. Z kolei efektem aktywacji

przez wapń fosfolipazy A

2

jest uwolnienie kwasu arachido-

nowego oraz jego metabolitów, eikozanoidów, a aktywacja

fosfolipazy Cβ w wyniku dalszych przemian doprowadza

do syntezy endokannabinoidów [67]. Od dawna sugerowa-

no, że NO, CO i eikozanoidy mogą pełnić rolę wstecznych

neuroprzekaźników transsynaptycznych i dyfundując do

części presynaptycznej zakończenia synaptycznego regulu-

ją uwalnianie glutaminianu, a przez to siłę neurotransmisji

pobudzającej [68,69]. Jednak ostatnio uwaga badaczy sku-

pia się głównie na endokannabinoidach [67].

Inną zależną od Ca

2+

specyficzną funkcją komórek ner-

wowych jest ruch w różnych formach. Takie fundamental-

ne procesy, jak migracja prekursorów komórek nerwowych,

wzrost aksonów, a w mniejszej skali zmiany morfologiczne

w aksonach i dendrytach związane z różnicowaniem, ucze-

niem się i pamięcią oraz regeneracją, są regulowane przez

zmiany stężenia Ca

2+

na zewnątrz i wewnątrz komórek i

modulację aktywności zależnych od Ca

2+

kinaz białkowych

[70].

UDZIAŁ SYGNAŁU WAPNIOWEGO

W LTP I FORMOWANIU PAMIĘCI

Jedną z najważniejszych funkcji jonów Ca

2+

w komór-

kach nerwowych jest udział w mechanizmach związanych

z uczeniem się i zapamiętywaniem. Większość badaczy jest

zgodna, że głównym elementem zapoczątkowującym pro-

cesy tworzenia się pamięci jest pobudzenie neurotransmisji

glutaminianergicznej, aktywacja NMDAR i napływ Ca

2+

do

komórek nerwowych.

Uczenie się i zapamiętywanie, procesy o podstawowym

życiowym znaczeniu, są od wielu lat obiektem intensyw-

nych badań, jednak ich dokładny mechanizm oraz bio-

chemiczne podstawy nie zostały jeszcze w wystarczający

sposób poznane. Wiadomo, że doświadczenia nabywane

w czasie nauki wywołują krótkotrwałe zmiany w przekaź-

nictwie synaptycznym w specyficznych rejonach mózgu,

a impulsy te zapoczątkowują kaskadę wewnątrzkomórko-

wych przemian, które prowadzą do trwałych zmian w po-

łączeniach synaptycznych, co wiązane jest z konsolidacją

pamięci. W związku z czasowym rozciągnięciem procesów

formowania pamięci, od lat funkcjonują pojęcia pamięci

krótkotrwałej (STM, ang. short term memory) oraz pamięci

długotrwałej (LTM, ang. long term memory). Uważa się, że

pamięć krótkotrwała tworzona jest w ciągu krótkiego cza-

su od nabycia informacji lub treningu i bazuje na przejścio-

wych modyfikacjach wcześniej istniejących białek, głównie

na fosforylacji i defosforylacji enzymów, receptorów lub

kanałów jonowych, mogących momentalnie zmieniać wy-

dajność przekaźnictwa synaptycznego [71]. Za rejon mózgu

odpowiedzialny za ten typ pamięci u ssaków uważa się hi-

pokamp oraz jego różne odpowiedniki w mózgach innych

zwierząt. Pamięć ta może funkcjonować od minut do go-

dzin. Natomiast zależna od syntezy nowych białek pamięć

długotrwała jest związana ze zmianami strukturalnymi

istniejących już oraz z generacją nowych połączeń synap-

tycznych [72]. Przechowywana jest ona przez godziny, dni,

tygodnie i lata od zarejestrowania informacji. Informacje za-

pisywane są w różnych rejonach mózgu, głównie w korze,

ale dokładny mechanizm tego zapisu oraz miejsca przecho-

wywania informacji nadal nie są w pełni poznane i pozosta-

ją przedmiotem badań.

W latach 70-tych ubiegłego wieku opisano zjawisko dłu-

gotrwałego wzmocnienia połączeń synaptycznych w od-

powiedzi na krótką stymulację elektryczną, które nazwano

LTP, a w niedługi czas potem opisano zjawisko długotrwa-

łego osłabienia synaptycznego, LTD [73,74]. Do indukcji

LTP niezbędne jest zadziałanie impulsów elektrycznych o

wysokiej częstotliwości, natomiast przy wywołaniu LTD

działają impulsy o niskiej częstotliwości, ale czas ich trwa-

nia jest dłuższy [75]. Uważa się, że zarówno LTP jak i LTD

odzwierciedlają komórkowe i molekularne mechanizmy

leżące u podstaw plastyczności synaps zaangażowanej w

procesie uczenia się i zapamiętywania i do dziś opisano

wiele różnych form tych zjawisk [76]. Najlepiej poznanymi

formami LTP i LTD są te, które obserwuje się w rejonie CA1

hipokampa i które zapoczątkowane są aktywacją NMDAR.

Indukcję LTP zapoczątkowuje uwalnianie glutaminia-

nu, aktywacja NMDAR i napływ Ca

2+

do neuronów. Pod-

wyższony poziom wewnątrzkomórkowego Ca

2+

razem z

kalmoduliną aktywują CaMKII, która może fosforylować

podjednostki AMPAR, aktywując je w ten sposób i przy-

czyniając się do dalszego napływu Ca

2+

. Dochodzi do niego

albo bezpośrednio przez przepuszczalne dla Ca

2+

receptory

pozbawione podjednostki GluR2, lub pośrednio na skutek

depolaryzacji błon i aktywacji VOCC [77]. Utrzymanie LTP

wymaga przekazania komórkowego sygnału do jądra i uru-

chomienia syntezy białek. Wykazano, że w czasie LTP ma

miejsce zarówno aktywacja szlaku Ras/MAPK/ERK1/2 jak

i CaMKIV. Jak wiadomo, aktywacja tych szlaków prowadzi

do fosforylacji CREB i aktywacji ekspresji genów. Wzmożo-

ną fosforylację CREB obserwowano od 3 min do 60 min po

inicjacji LTP [73].

Dla zainicjowania LTP ważny jest nie tylko napływ Ca

2+

kanałami związanymi z NMDAR. Wykazano, że określone

formy LTP obserwowane w wielu rejonach mózgu wyma-

gają również aktywacji mGluR. Główną rolę odgrywają tutaj

mGluR grupy I — mGluR1 i mGluR5 [78]. LTP zależne od

mGluR w większości przypadków również wymaga wzro-

stu wewnątrzkomórkowego stężenia Ca

2+

, a źródła tego

wzrostu mogą różnić się w zależności od formy LTP. Może

on wynikać z napływu Ca

2+

przez aktywowane receptory

NMDA, AMPA, VSCCs typu L lub kanały TRP (ang. tran-

sient receptor potential) oraz uwalniania Ca

2+

z wewnątrzko-

mórkowych magazynów aktywowanych przez IP

3

[78,79].

Postępy Biochemii 58 (4) 2012

411

Według obecnej wiedzy, uruchomienie w neuronach

LTD związane jest z pamięcią przestrzenną, zapamiętywa-

niem informacji o nowych obiektach oraz o zmianach ich

rozmieszczenia, a także odpowiedzią na stres [74]. Spośród

wielu form LTD najważniejszymi wydają się być LTD zależ-

ne od NMDAR oraz od mGluR. Podobnie jak w przypadku

LTP zależnego od aktywacji NMDAR, zainicjowanie LTD

wiąże się z napływem Ca

2+

do neuronów postsynaptycz-

nych. O tym czy po napływie Ca

2+

przez kanały związane

z NMDAR zainicjowane zostanie LTP czy LTD decyduje

wielkość przepływu tego jonu. LTD wymaga niewielkiego

wzrostu stężenia Ca

2+

, podczas gdy do inicjacji LTP koniecz-

ny jest znaczny wzrost, przekraczający określoną krytycz-

ną wartość [75]. Czas utrzymywania się podwyższonego

stężenia Ca

2+

również jest czynnikiem decydującym, gdyż

niewielkie zmiany w długości trwania pobudzenia mogą

spowodować odwrócenie modyfikacji synaptycznej [80].

Sposób w jaki buforowany jest wapń w przedziale post-

synaptycznym też może stać się punktem wytyczającym

dalszy bieg procesów wewnątrzkomórkowych w kierunku

LTD lub LTP [76].

W odróżnieniu od LTP, LTD zależne od NMDAR nie

uruchamia aktywacji CaMKII, za to wzrost stężenia Ca

2+

ak-

tywuje kaskadę fosfatazy białkowej, w skład której wchodzi

kalcyneuryna, zależna od kompleksu wapń/CaM fosfataza

serynowo-treoninowa, fosfataza białkowa 1 (PP1) i inhibi-

tor-1, ufosforylowane białko odpowiedzialne za aktywność

PP1. Defosforylacja w czasie LTD specyficznych białek jak

również defosforylacja podjednostki GluR1 AMPAR w

miejscu reszty Ser831, może prowadzić do endocytozy i

internalizacji tych receptorów, co dodatkowo podtrzymuje

LTD [76].

Jony Ca

2+

są również ważnym elementem LTD zależne-

go od aktywacji mGluR. Najlepiej zbadany jest proces LTD

zależnego od mGluR w móżdżku, rejonie, gdzie nie zaob-

serwowano występowania LTP, ale jego występowanie wy-

kazano również w hipokampie, prążkowiu, korze i rdzeniu

kręgowym [81]. W móżdżku do aktywacji LTD niezbędna

jest równoczesna stymulacja znajdującej się na dendrycie

synapsy łączącej komórkę Purkiniego z włóknem pnącym,

będącym aksonem neuronu doprowadzającego sygnał do

móżdżku oraz synapsy łączącej ją z włóknem równoległym

sąsiadującej komórki. Wywołana sygnałem z włókna pnące-

go depolaryzacja części dendrytycznej powoduje otwarcie

VOCC i napływ Ca

2+

do wnętrza neuronu. Z kolei glutami-

nian uwolniony z zakończenia we włóknie równoległym

pobudza mGluR grupy I, uruchamiając wewnątrzkomórko-

wą kaskadę prowadzącą do mobilizacji Ca

2+

z otwieranych

przez receptory IP

3

magazynów wewnątrzkomórkowych.

W móżdżku dominującą rolę w tym procesie odgrywają re-

ceptory mGluR1. Podwyższenie poziomu Ca

2+

oraz diacyl-

glicerol (DC) powstający obok IP

3

po pobudzeniu mGluR1,

aktywują kinazę białkową C (PKC), która z kolei fosforyluje

resztę Ser880 podjednostki GluR2 AMPAR, co powoduje

odłączenie receptora od błony komórkowej, jego endocyto-

zę i internalizację [81].

Hipokampalna forma LTD aktywowanego przez mGluR

grupy I wydaje się przebiegać niezależnie od wzrostu we-

wnątrzkomórkowego stężenia Ca

2+

i uruchamiania uwal-

niania Ca

2+

z magazynów komórkowych oraz aktywacji

kinaz białkowych, chociaż wymaga udziału białka G zwią-

zanego z receptorami mGluR1 i mGluR5. Jednak dokład-

ny mechanizm hipokampalnej formy LTD uruchamianego

przez aktywację mGluR grupy I jest wciąż przedmiotem

intensywnych badań [81].

OSTRE ZABURZENIA HOMEOSTAZY WAPNIA

PROWADZĄCE DO USZKODZENIA I ŚMIERCI

NEURONÓW: ROLA W ISCHEMII MÓZGU

Utrzymanie wewnątrzkomórkowego stężenia jonów Ca

2+

na niskim poziomie jest warunkiem prawidłowego przeka-

zu sygnału wapniowego. Jest to proces wymagający dużych

nakładów energii. Neurony, z powodu masowych przepły-

wów jonów Ca

2+

związanych z aktywnością elektryczną,

są szczególnie podatne na zaburzenia metabolizmu ener-

getycznego prowadzące do nieprawidłowości homeostazy

tych jonów. Przyczyną ostrych zaburzeń homeostazy Ca

2+

może być także nadmierne pobudzenie neuronów, jak to

ma miejsce przy uszkodzeniu ekscytotoksycznym, w któ-

rym pośredniczą receptory dla pobudzających aminokwa-

sów [82,83]. W tych warunkach dochodzi do intensywnego

napływu jonów Ca

2+

do neuronów przez receptory jonotro-

powe, zwłaszcza NMDAR, przez VOCC, a także w wyni-

ku odwrócenia kierunku transportu Ca

2+

przez wymiennik

NCX [83]. Skutki nieprawidłowości homeostazy Ca

2+

i w

konsekwencji niewłaściwego przekazu sygnału wapniowe-

go, mogą się ograniczać do krótkotrwałych lub utrwalonych

(np. w formie ognisk padaczkorodnych) zaburzeń czynno-

ściowych komórek nerwowych, lub mogą się przejawić w

postaci nekrotycznej lub apoptotycznej śmierci neuronów.

W ostro przebiegającym niedokrwieniu mózgu pierwot-

nym czynnikiem zakłócającym homeostazę Ca

2+

jest deficyt

energetyczny, mogący doprowadzić do wyłączenia pomp

(ATPaz) sodowych i wapniowych oraz odwrócenia trybu

pracy transporterów błonowych, przemieszczenia glutami-

nianu do przestrzeni synaptycznej, pobudzenia NMDAR

i niekontrolowanego napływu jonów Ca

2+

do neuronów

zgodnie z mechanizmami ekscytotoksyczności (Ryc. 1B).

Wg obecnych poglądów zaburzenia homeostazy wapnia i

toksyczność pobudzeniowa, to nierozdzielnie ze sobą wią-

zane elementy ogólnej patogenezy uszkodzenia neuronów

w ostrych stanach patologicznych mózgu [83-85], obejmują-

cej ponadto stres oksydacyjny, dysfunkcję mitochondriów

i ER oraz inne procesy związne z nekrotyczną lub apop-

totyczną śmiercią komórek. Aspekt historyczny, a także

szczegóły klasycznej hipotezy o roli wapnia w ischemii

mózgu na tle innych mechanizmów patogennych, zostały

obszernie omówione poprzednio [85].

W wyniku niedokrwienia mózgu i rozwijających się zabu-

rzeń energetycznych oraz nadmiernego pobudzenia recepto-

rów dla glutaminianu, w neuronach obserwuje się zróżnico-

wany obraz zmian w homeostazie wapnia (Ryc. 1B). Ta różno-

rodność jest odbiciem istnienia różnych form niedokrwienia

mózgu (ogniskowego i globalnego, z odwracalnym lub nie-

odwracalnym upośledzeniem krążenia krwi) i różnorodnych

dodatkowych uwarunkowań patofizjologicznych jak kwasi-

ca, hiperglikemia, przewlekła hipoksja. Udokumentowany w

412

www.postepybiochemii.pl

licznych publikacjach [85] wzrost wewnątrzkomórkowego

stężenia Ca

2+

dotyczy zarówno okresu niedokrwienia, jak

i po niedokrwieniu (ten ostatni jest określany jako wtórny

wzrost stężenia wapnia). Wynika on zarówno z napływu jo-

nów wapnia z przestrzeni zewnątrzkomórkowej przez ROC

(zwłaszcza NMDAR), przez VOCC i na skutek odwrócenia

trybu pracy wymiennika NCX, jak i mobilizacji kationu z

zasobów wewnątrzko-

mórkowych (Ryc. 1B).

Wykazano jednak, że

neurotoksyczność

jest

skorelowana nie tyle z

poziomem wzrostu stę-

żenia jonów wapnia w

neuronach, co raczej z

całkowitym obciążeniem

komórek napływający-

mi jonami wapnia, przy

czym istotne znaczenie

patogenne ma napływ

Ca

2+

za pośrednictwem

NMDAR, podczas gdy

aktywacja VOCC mało

uszkadza neurony [83].

Istnieją jednak dane tok-

sykologiczne, wskazują-

ce na patogenną rolę nad-

miernej mobilizacji Ca

2+

z

ER. Wykazano silne tok-

syczne działanie na neu-

rony wywołanego przez

tapsygarginę niekontro-

lowanego wyrzutu Ca

2+

z

ER [86] oraz rolę tego mechanizmu w działaniu neurotoksyn

środowiskowych, takich jak polichlorowane bisfenole [87].

Kluczowe znaczenie w tych zjawiskach może odgrywać stres

ER (Ryc. 3 i 4). Udział opróżnienia zasobów Ca

2+

w ER i zwią-

zanych z nim mechanizmów molekularnych w uszkodzeniu

neuronów mózgu był już od dawna sugerowany [88].

Zaburzenia homeosta-

zy wapnia, prowadzące

do wzrostu stężenia Ca

2+

w cytosolu, aktywują

wrażliwe na Ca

2+

enzy-

my kataboliczne, prote-

azy i lipazy (Ryc. 3), co

wywołuje uszkodzenie

błon oraz zmiany w cy-

toszkielecie komórki, a

aktywacja endonukleaz

prowadzi do uszkodze-

nia DNA [83,84]. Stres

oksydacyjny jest niezwy-

kle ważnym elementem

patogenezy wywołane-

go przez niedokrwienie

uszkodzenia komórek

nerwowych, w którym

pośredniczy wapń [89].

Zaburzenia homeostazy

wapnia i niekontrolowa-

ny wzrost stężenia Ca

2+

w komórkach aktywują

produkcję reaktywnych

form tlenu, co z kolei

potęguje zaburzenia ho-

meostazy wapnia [85].

Ponadto istnieją wspólne

Rycina 3. Wybrane mechanizmy uszkodzenia neuronów zależne od Ca

2+

, rozwijające się w wyniku ostrych zaburzeń homeostazy

Ca

2+

. Niekontrolowany wzrost wewnątrzkomórkowego stężenia Ca

2+

zaburza przekazywanie sygnału w neuronach, prowadzi

do aktywacji wrażliwych na wapń enzymów katabolicznych jak protezy, lipazy i endonukleazy, uszkadza strukturę błon i DNA,

indukuje stres oksydacyjny, zaburza funkcję mitochondriów i ER. W efekcie dochodzi do uszkodzenia i śmierci neuronów. Szcze-

gółowe wyjaśnienia w tekście.

Rycina 4. Zaburzenia homeostazy Ca

2+

wywołane przez niedokrwienie mózgu indukują dysfunkcję mitochondriów i ER, co pro-

wadzi do śmierci neuronów o charakterze kontinuum nekrotyczno-apoptotycznego. Pobudzenie NMDAR i mGluR grupy I przez

uwolniony z komórek glutaminian (Glu) prowadzi do pierwotnego wzrostu stężenia Ca

2+

, co aktywuje neuronalną syntazę NO

(nNOS) i indukuje kaskady zaburzeń uszkadzających neurony, wymienione na Ryc. 3. Nagromadzenie Ca

2+

w mitochondriach

aktywuje megakanały, co wywołuje uwolnienie z nich białek proapoptotycznych, cytochromu c i AIF oraz zwiększoną produkcją

reaktywnych form tlenu (ROS). Zwiększona produkcja NO i ROS aktywuje kanały TRPM 2/7 i powoduje wtórny wzrost stężenia

Ca

2+

. Opróżnienie zasobów Ca

2+

w ER, w którym pośredniczą receptory IP

3

(IP

3

R) i rianodynowe (RyR) indukuje stres ER. O prze-

wadze nekrozy lub apoptozy decyduje stan energetyczny neuronu.

Postępy Biochemii 58 (4) 2012

413

dla jonów Ca

2+

i wolnych rodników mechanizmy cytotok-

syczne, do których należy aktywacja megakanałów mito-

chondrialnych, dysfunkcja i uszkodzenie mitochondriów,

oraz uwolnienie z nich białek proapoptotycznych [39].

W zależności od innych okoliczności towarzyszących

danej patologii, a zwłaszcza od zachowanego potencjału

energetycznego neuronów, zaburzenia homeostazy wapnia

mogą prowadzić do nekrotycznej lub apoptotycznej śmier-

ci neuronów (Ryc. 4) [82]. Towarzyszące niedokrwieniu

mózgu nieodwracalne zaburzenia energetyczne w rejonie

ogniska udarowego, w połączeniu z uszkodzeniem błon i

cytoszkieletu neuronów, prowadzą do nekrotycznej śmierci

neuronów. W przypadku odwracalnej globalnej ischemii w

obszarach mózgu szczególnie wrażliwych na ischemię do-

minuje apoptotyczna śmierć neuronów. W praktyce, akty-

wowane w wyniku niedokrwienia i urazu oraz stanu epi-

leptycznego złożone mechanizmy patologiczne związane z

ekscytotoksycznością i zaburzoną homeostazą jonów Ca

2+

prowadzą do śmierci neuronów, zawierającej w sobie ele-

ment zarówno nekrozy jak i apoptozy (Ryc. 4).

Drogi wnikania Ca

2+

do neuronów, a zwłaszcza NMDAR

wydawały się być obiecującymi celami terapeutycznymi,

zwłaszcza w udarze mózgu. Jednak stosowanie antagoni-

stów receptorów NMDA, wiążące sie z ryzykiem licznych

efektów niepożądanych, podobnie jak użycie blokerów

VOCC, nie przyniosło oczekiwanego przełomu terapeu-

tycznego, co skłania do dalszych poszukiwań. Nowsze

dane wskazują, że w patogennych efektach nadmiernej

aktywacji NMDAR istotną rolę odgrywają ścisłe fizyczne

połączenia pomiędzy tymi receptorami a innymi białkami

gęstości postsynaptycznych (PSD, ang. post-synaptic densi-

ty), a zwłaszcza NOS i PSD-95, przy czym wykazano, że ro-

zerwanie tych połączeń może zmniejszać neurotoksyczność

bez obniżania napływu Ca

2+

za pośrednictwem NMDAR

(Ryc. 4) [83]. Inne badania wykazały, że szlakiem wtórne-

go napływu Ca

2+

do neuronów, do którego dochodzi już po

przywróceniu krążenia, o dużym znaczeniu patogennym i

obiecującym potencjale terapeutycznym, mogą być aktywo-

wane przez wzrost wewnątrzkomórkowego stężenia jonów

wapnia kanały jonowe z rodziny TRPM (ang.

transient

recep-

tor

potential melastatin) typu 2 i 7

(Ryc. 4) [83].

ROLA Ca

2+

W PRZEWLEKŁYCH SCHORZENIACH

NEURODEGENERACYJNYCH

Rozregulowanie homeostazy Ca

2+

jest ważnym czynni-

kiem w wielu wolno rozwijających się chorobach neurodege-

neracyjnych. Zaburzenia homeostazy Ca

2+

w tych chorobach

są często spowodowane zmianami genetycznymi, ale są rów-

nież choroby, w których przyczyn takich zaburzeń jeszcze

nie zidentyfikowano. Wśród bardziej znanych przewlekłych

chorób neurodegeneracyjnych związanych z zaburzeniami

homeostazy Ca

2+

należy wymienić chorobę Alzheimera, Par-

kinsona czy Huntingtona, jednak zaburzenia te odgrywają

również ważną rolę w epilepsji i schizofrenii [2].

CHOROBA ALZHEIMERA

Choroba Alzheimera (AD, ang. Alzheimer’s disease) jest

jedną z najczęstszych chorób neurodegeneracyjnych zwią-

zanych z podeszłym wiekiem, objawiającą się postępującą

demencją. Choroba ta rozwija się powoli, a ponieważ brak

jest skutecznej terapii przyczynowej AD, najczęściej po oko-

ło 10 latach kończy się śmiercią. Charakteryzuje się stop-

niową, prowadzącą do śmierci komórki, degeneracją neu-

ronów w przodomózgowiu, a szczególnie w obrębie hipo-

kampa. Ponad 95% zachorowań ma charakter sporadyczny

(SAD, ang. sporadic Alzheimer’s disesase) i choroba ujawnia

się po przekroczeniu 65 roku życia. Występują też rzadkie

przypadki dziedzicznego, genetycznego uwarunkowania w

rodzinach (FAD, ang. family Alzheimer’s disease), w których

występuje dominująca mutacja w genie kodującym białko

prekursora amyloidu (APP) lub jednego z białek presynili-

ny (PS1 lub PS2), powodujące produkcję neurotoksycznego

białka amyloidu β (Aβ) z białka prekursorowego APP oraz

akumulację zmutowanych presynilin. W tych przypadkach

choroba objawia się znacznie wcześniej. W mózgach osób

chorych na AD stwierdzono podwyższony poziom Ca

2+

oraz wzmożoną aktywację enzymów zależnych od Ca

2+

.

Oddziaływanie Ca

2+

z Aβ i nadmiernie ufosforylowanym

białkiem tau oraz zmutowaną presyniliną są elementami

patogenezy obu typów AD [2].

Uważa się, że do rozwinięcia się SAD mogą przyczyniać

się niewielkie zaburzenia homeostazy Ca

2+

związane z pro-

cesem starzenia, podobnie jak obniżona aktywność inte-

lektualna i fizyczna oraz dieta bogata w kalorie, ale uboga

w kwas foliowy i antyoksydanty. Wirusowe infekcje oraz

urazy mózgu również mogą przyczynić się do rozwoju AD.

Wśród innych czynników sprzyjających rozwojowi tej cho-

roby wymieniane są też spowodowane przez Ca

2+

zaburze-

nia w funkcjonowaniu ER i mitochondriów oraz zmiany w

ekspresji genów [90]. Podwyższenie stężenia Ca

2+

w neuro-

nach może wpływać zarówno na fosforylację białka tau jak i

na enzymatyczną obróbkę APP, powodując nagromadzanie

się Aβ. Wykazano, że cząsteczki Aβ mogą tworzyć w błonie

komórkowej pory przepuszczalne dla Ca

2+

i w ten sposób

potęgować zaburzenia homeostazy Ca

2+

w neuronach, po-

wodując produkcję wolnych rodników tlenowych prowa-

dzącą do stresu oksydacyjnego oraz zaburzając aktywność

ATPaz wapniowych i receptorów glutaminianergicznych

[91]. Aβ powoduje osłabienie działania oraz zmniejszenie

zawartości NMDAR białka w błonach synaptycznych, a

stres oksydacyjny wywołany przez nagromadzone we-

wnątrz neuronów cząsteczek Aβ może prowadzić do pogłę-

bienia spowodowanego przez nadmiar wapnia nieprawi-

dłowego działania mitochondriów. Ponadto uwalnianie w

czasie enzymatycznej obróbki APP wewnątrzkomórkowej

domeny tego białka może przyczyniać się do wzrostu we-

wnątrzkomórkowego stężenia Ca

2+

, ponieważ ma ona wła-

ściwości regulatora zależnego od aktywacji receptorów IP

3

uwalniania Ca

2+

z ER [2]. Aβ może też być nagromadzany

w mitochondriach, zaburzając działanie łańcucha oddecho-

wego w obrębie kompleksu III i IV, a tym samym obniżając

produkcję ATP i pogłębiając stres oksydacyjny i zaburzenia

homeostazy Ca

2+

[4].

W przypadku FAD produkcja Aβ ze zmutowanej czą-

steczki APP wywołuje zaburzenia homeostazy Ca

2+

w spo-

sób podobny do opisanego powyżej. Presyniliny obecne w

błonach ER bezpośrednio lub pośrednio wpływają na RyR

i receptory IP

3

, w związku z tym mutacje w genach PS1 i

414

www.postepybiochemii.pl

PS2 powodują podwyższone uwalnianie Ca

2+

z magazynów

wewnątrzkomórkowych umiejscowionych w ER i funkcjo-

nowanie SOCC. Mutacje presynilin wiązane są również z

upośledzeniem mechanizmu magazynowania Ca

2+

w ER.

Prowadzi to do zaburzeń przekazywania wewnątrzkomór-

kowych sygnałów, wzmożonej produkcji Aβ i w konse-

kwencji do śmierci neuronów [2,4,89].

CHOROBA PARKINSONA

Choroba Parkinsona (PD, ang. Parkinson’s disease) jest często

występującą, wolno rozwijającą się chorobą neurodegenera-

cyjną wieku późnego, objawiającą się zaburzeniami zdolności

motorycznych. Związana jest ona z postępującą utratą neuro-

nów dopaminergicznych w istocie czarnej mózgu i zmniejsze-

niem wydzielania dopaminy w prążkowiu. Patogeneza proce-

sów neurodegeneracyjnych zachodzących w PD jest złożona

i uważa się, że składają się na nią zarówno zaburzenia gene-

tyczne jak i prawdopodobna ekspozycja na toksyny środowi-

skowe [92]. Kilka mutacji określonych symbolami PARK 1-13

w genach kodujących między innymi α-synukleinę (PARK1),

parkinę (PARK2), mitochondrialną kinazę PINK1 (PARK6)

czy sensor stresu oksydoredukcyjnego DJ-1 (PARK7), uważa

się obecnie za genetyczne przyczyny PD [4]. W przypadkach

spontanicznego, nie uwarunkowanego zmianami genetycz-

nymi występowania PD, związane z wiekiem zaburzenia ho-

meostazy Ca

2+

w mózgu uważa się obecnie za jedną z głów-

nych przyczyn neurodgeneracji. Związane z wiekiem zmiany

w funkcjonowaniu VOCC typu L wydają się być kluczowe.

Zmiany te powodują łatwiejsze i częstsze otwieranie się tych

kanałów, co powoduje nadmierny napływ Ca

2+

do neuronów

[92]. Jednakże samo zaburzenie homeostazy Ca

2+

nie powo-

duje PD i dodatkowymi czynnikami są tu wpływy środowi-

skowe, takie jak obecność metali ciężkich, pestycydów, neuro-

toksyn czy stany zapalne w układzie nerwowym. Genetyczne

uwarunkowania, które mogą przyśpieszyć zmiany prowadzą-

ce do PD związane są z mutacjami białek mitochondrialnych

PINK1, DJ-1 i ligazą ubikwityny, parkiny. Białka te w odpo-

wiedzi na stres oksydacyjny, mitochondrialny czy ER, eskalują

zaburzenia homeostazy Ca

2+

i nieprawidłowe funkcjonowanie

neuronów [93]. Ostatnie badania wykazały zmniejszoną za-

wartość izoformy 1 kanałów TRP u chorych na PD, co również

jest wiązane z degeneracją neuronów dopaminergicznych [4].

CHOROBA HUNTINGTONA

Choroba Huntingtona jest autosomalnie dominującym

dziedzicznym schorzeniem neurozwyrodnieniowym, w któ-

rym występuje mutacja w genie kodującym białko hunting-

tynę. W wyniku tej mutacji białko zawiera długi ciąg reszt

glutaminy w rejonie N-końca. Choroba objawia się pomiędzy

20 a 50 rokiem życia i charakteryzuje się zaburzeniami rucho-

wymi (tzw. pląsaniem, stąd inna nazwa pląsawica Hunting-

tona) oraz postępującą demencją związaną z utratą średnich

neuronów kolczystych w obrębie prążkowia, ale zmiany do-

tyczą także innych rejonów mózgu. Huntingtonina związana

jest z mitochondriami i jak wykazano, zmutowana forma tego

białka rozregulowuje homeostazę Ca

2+

w mitochondriach [94].

Ponadto zmutowana huntingtonina wiąże się bezpośrednio z

receptorami IP

3

w ER i zwiększa ich wrażliwość na działanie

IP

3

co prowadzi do nadmiernego uwalniania Ca

2+

. Taki efekt

działania zmutowanej huntingtoniny wydaje się szczególnie

szkodliwy dla średnich neuronów kolczystych bogatych w

mGluR5, w których przekazywanie sygnału zachodzi za po-

średnictwem Ca

2+

uwalnianego z ER po pobudzeniu recepto-

rów IP

3

[95]. Wykazano również, że zmutowana huntingtoni-

na może wpływać na wiązanie się NMDAR, zwłaszcza tych

zawierających podjednostkę NR2B, do białka gęstości postsy-

naptycznej PSD-95, prowadząc do ich nadaktywności i napły-

wu Ca

2+

do neuronów [2]. Wzrastające stężenie Ca

2+

może w

konsekwencji doprowadzić do indukcji megakanałów mito-

chondrialnych i do apoptotycznej śmierci komórek.

AUTOSOMALNIE DOMINUJĄCA ATAKSJA MÓŻDŻKOWA

Ataksje móżdżkowe (SCA, ang. spinocerebellar ataxia) two-

rzą grupę autosomalnie dominujących neurodegeneracyj-

nych chorób genetycznych, charakteryzujących się zanikiem

móżdżku i postępującym upośledzeniem koordynacji ruchu

zwanym ataksją. Do tej pory opisano ponad 30 różnych mu-

tacji związanych z różnymi formami SCA, które zgodnie z

kolejnością odkrywania otrzymywały nazwy od SCA1 do

SCA30 [96]. Patogeneza SCA nie jest do końca poznana, ale

wiele wskazuje na udział w procesach neurodegeneracyjnych

zaburzeń w przekazywaniu sygnału wapniowego. W móżdż-

ku chorych dotkniętych mutacją SCA1 wykazano zmniejszoną

syntezę białek regulujących homeostazę Ca

2+

lub związanych

z przekazywaniem wewnątrzkomórkowego sygnału wap-

niowego. Mowa tu o kabindynie-D28k, parwalbuminie oraz

ATPazie wapniowej SERCA w ER [95]. Z kolei w SCA6 dege-

neracja komórek Purkiniego związana jest z ekspresją poliglu-

taminowego odcinka w genie CACNA1A, kodującym białko

podjednostki tworzącej kanał P/Q VSCC [2].

JASKRA (GLAUKOMA)

Jaskra, druga co do liczby przypadków przyczyna ślepo-

ty na świecie, jest chorobą zaliczaną do chorób neurodege-

neracyjnych. Przyczyną utraty wzroku jest postępujące wy-

mieranie komórek zwojowych siatkówki i uszkodzenia ner-

wu wzrokowego. Podtypy glaukomy charakteryzowane są

najczęściej na podstawie zmian w ciśnieniu wewnątrz gałki

ocznej, które są z kolei skutkiem zablokowania swobodnego

przepływu płynu wewnątrzgałkowego [97]. Patogeneza ja-

skry nie jest w pełni poznana, ale wiadomo, że w większości

przypadków na skutek nadciśnienia w gałce ocznej dochodzi

do znacznego obniżenia przepływu krwi w obrębie siatkówki

i nerwu wzrokowego, co prowadzi do powstania uszkodzeń

typu hipoksyjnego i ischemicznego. Podwyższony poziom

glutaminianu, nadmierna aktywacja NMDAR i AMPA/KAR

oraz VSCC uważane są za główne przyczyny obumierania

komórek zwojowych siatkówki. Uszkodzenia nerwu wzro-

kowego wiązane są natomiast z odwróconym działaniem

wymiennika NCX i napływem tą drogą Ca

2+

do aksonów

[97]. Podwyższony poziom Ca

2+

aktywuje kalpainy, powo-

dując szereg patologicznych zmian w komórkach. Wykazano

również, że podwyższone ciśnienie w gałce ocznej aktywuje

kalcyneurynę, co może uruchomić szlak apoptotyczny.

PADACZKA (EPILEPSJA)

Jest wiele uwarunkowanych genetycznie lub nabytych

przyczyn występowania epilepsji. Ocenia się, że ok. 50%

przypadków epilepsji wynika z przebytych schorzeń neu-

Postępy Biochemii 58 (4) 2012

415

rologicznych, takich jak udary czy urazy mózgu, po których

rozwija się chroniczne zaburzenie w funkcjonowaniu neu-

ronów. Badania wykazały, że w neuronach, które ocalały

po urazie, dochodzi do zaburzenia homeostazy Ca

2+

i me-

chanizmów regulowanych przez Ca

2+

, co przyczynia się do

epileptogenezy i rozwoju choroby. U podstaw pozostałych

przypadków leżą przyczyny genetyczne, przede wszystkim

uszkodzenia budowy kanału VOCC typu T i P/Q [98].

Typ epilepsji najczęściej spotykany u dzieci pomiędzy 4

i 12 rokiem życia to gwałtowne, niskoprogowe wapniowe

wyładowania neuronów wzgórza, spowodowane napływem

Ca

2+

przez kanały typu T, kiedy kanały te są aktywowane

przez hiperpolaryzację błony komórkowej pod wpływem

sygnału hamującego transmisję, napływającego z neuronów

GABAergicznych. U pacjentów, u których występują ataki

padaczkowe z utratą świadomości zazwyczaj stwierdza się

punktową mutację (E147K) w genie CACNA1A, kodującym

białko podjednostki kanału VOCC typu P/Q. Podobnie w

przypadku pojedynczego polimorfizmu nukleotydu w genie

kodującym białka VOCC typu T ujawniają się objawy epilep-

sji [98]. Wykazano, że nadmierna aktywacja receptorów glu-

taminianergicznych może sprzyjać zmianom prowadzącym

do epilepsji. Nadmierny napływ Ca

2+

do neuronów aktywuje

enzymy wiązane z epileptogenezą, takie jak CaMKII, kalcy-

neuryna czy białkowe kinazy tyrozynowe Scr i Fyn.

SCHIZOFRENIA

Schizofrenia jest chorobą psychiczną o nie do końca pozna-

nej etiologii, jednakże większość badań wskazuje na jej ge-

netyczne podłoże. Do tej pory zidentyfikowano prawie 1700

genów (białek), których zaburzona ekspresja wiązana jest z

występowaniem schizofrenii. Wiele z tych białek pełni ważną

rolę w homeostazie Ca

2+

oraz przekazywaniu sygnału wapnio-

wego [99]. U chorych na schizofrenię wykazano w korze skro-

niowej obniżoną aktywność białka regulującego sygnał białka

G -RGS4 (ang. regulator of G protein signaling 4), które hamuje

uwalnianie Ca

2+

z magazynów wewnątrzkomórkowych. W

korze mózgowej i hipokampie zaobserwowano wzrost synte-

zy białka GAP 43 (ang. growth associated protein 43), które kon-

troluje sygnał wapniowy poprzez przyłączanie wolnej CaM

i uniemożliwianie wiązania do niej Ca

2+

[2]. Zaobserwowano

również obniżoną produkcję białek buforujących Ca

2+

, takich

jak parwalbumina i kalbindyna D28k, a także białka Bcl-2,

które obniża uwalnianie Ca

2+

z magazynów komórkowych w

odpowiedzi na fizjologiczne i patologiczne sygnały. Obserwo-

wany wzrost poziomu białka oddziałującego z receptorem D1

(ang. calcyon) wpływającego na sygnał wapniowy, oraz NCS-1,

białka wiążącego Ca

2+

i hamującego desensytyzację receptora

D2, wskazują na powiązanie homeostazy Ca

2+

i receptorów

dopaminergicznych z patofizjologią schizofrenii [99]. Zabu-

rzenia w działaniu szlaków wewnątrzkomórkowych inicjowa-

nych aktywacją NMDAR również mają swój udział w rozwoju

objawów schizofrenii. Ostatnio dyskutowany jest też udział

zaburzeń ekspresji genu CACNA1C, kodującego białko będące

podjednostką VOCC typu L [100].

PODSUMOWANIE

Od początku swego istnienia żywe komórki, aby prze-

trwać, musiały przeciwstawiać się napływowi Ca

2+

z ze-

wnątrz. Rozwinięte w drodze ewolucji mechanizmy trans-

portu i kontroli homeostazy Ca

2+

zostały wykorzystane w

procesach przekazywania sygnałów. W neuronach są one

szczególnie rozwinięte i biorą udział w regulacji podstawo-

wych funkcji fizjologicznych układu nerwowego, łącznie z

mechanizmami uczenia się i pamięci. Homeostaza Ca

2+

w

neuronach jest procesem bardzo złożonym, w sposób kry-

tyczny zależnym od stałej dostawy energii oraz podatnym

na zaburzenia, np. w warunkach deficytu energii lub nad-

miernego pobudzenia komórek nerwowych. Może to dopro-

wadzić do dysfunkcji oraz nekrotycznej lub apoptotycznej

śmierci komórek. Ponieważ w zależnym od Ca

2+

uszkodze-

niu i śmierci neuronów biorą udział mechanizmy normal-

nie służące fizjologicznym funkcjom układu nerwowego,

próby neuroprotekcji poprzez ingerencję w homeostazę lub

procesy przekazywania sygnałów z udziałem jonów wap-

nia są zwykle obciążone efektami niepożądanymi, łącznie

z zaburzeniami procesów poznawczych. Istnieje więc pilne

zapotrzebowanie na nowe strategie terapeutyczne skutecz-

ne w zapobieganiu neurodegeneracji, które by hamowały

lub odwracały neurotoksyczne efekty Ca

2+

bez ingerencji w

fizjologiczne procesy przekazywania sygnałów.

PIŚMIENNICTWO

1. Kretsinger RH (1990) Why cells must export calcium, W: Bronner F

(red) Intracellular calcium regulation. Wiley-Liss, New York, str. 439-

457

2. Wojda U, Salinska E, Kuznicki J (2008) Calcium ions in neuronal dege-

neration. IUBMB Life 60: 575-590

3. Berridge MJ (2012) Calcium signalling remodelling and disease. Bio-

chem Soc Trans 40: 297-309

4. Zündorf G, Reiser G (2011) Calcium dysregulation and homeostasis

of neural calcium in the molecular mechanisms of neurodegenerative

diseases provide multiple targets for neuroprotection. Antioxid Redox

Signal 14: 1275-1288

5. Nakamura T, Lipton SA (2010) Preventing Ca

2+

-mediated nitrosative

stress in neurodegenerative diseases: possible pharmacological strate-

gies. Cell Calcium 47: 190-197

6. Carrasco MA, Jaimovich E, Kemmerling U, Hidalgo C (2004) Signal

transduction and gene expression regulated by calcium release from

internal stores in excitable cells. Biol Res 37: 701-712

7. Berridge MJ (2002) The endoplasmic reticulum: a multifunctional sig-

naling organelle. Cell Calcium 32: 235-249

8. Berridge MJ, Lipp P, Bootman MD (2000) The versatility and univer-

sality of calcium signalling. Nat Rev Mol Cell Biol 1: 11-21

9. Cheng H, Lederer WJ (2008) Calcium sparks. Physiol Rev 88: 1491-

1545

10. Matveev V, Bertram R, Sherman A (2011) Calcium cooperativity of

exocytosis as a measure of Ca²

+

channel domain overlap. Brain Res

1398: 126-138

11. Calin-Jageman I, Lee A (2008) Ca

v

1 L-type Ca

2+

channel signaling com-

plexes in neurons. J Neurochem 105: 573-583

12. Dai S, Hall DD, Hell JW (2009) Supramolecular assemblies and local-

ized regulation of voltage-gated ion channels. Physiol Rev 89: 411-452

13. Lacinová L (2005) Voltage-dependent calcium channels. Gen Physiol

Biophys 24 (Suppl 1): 1-78

14. Danysz W, Frankiewicz T, Sopala M (2004). Receptory glutaminia-

nergiczne, W: Nowak JZ, Zawilska JB (red) Receptory i mechanizmy

przekazywania sygnału. PWN, Warszawa, str. 382-413

15. Seeburg PH, Burnashev N, Köhr G, Kuner T, Sprengel R, Monyer H

(1995) The NMDA receptor channel: molecular design of a coincidence

detector. Recent Prog Horm Res 50: 19-34

16. Liu SJ, Zukin RS (2007) Ca

2+

-permeable AMPA receptors in synaptic

plasticity and neuronal death. Trends Neurosci 30: 126-134

416

www.postepybiochemii.pl

17. Kawamoto EM, Vivar C, Camandola S (2012) Physiology and pathol-

ogy of calcium signaling in the brain. Front Pharmacol 3: 1-17

18. Putney JW (2009) Capacitative calcium entry: from concept to mol-

ecules. Immunol Rev 231: 10-22

19. Skibinska-Kijek A, Wisniewska MB, Gruszczynska-Biegala J, Methner

A, Kuznicki J (2009) Immunolocalization of STIM1 in the mouse brain.

Acta Neurobiol Exp 69: 413-428

20. Baba A, Yasui T, Fujisawa S, Yamada RX, Yamada MK, Nishiyama N,

Matsuki N, Ikegaya Y (2003) Activity-evoked capacitative Ca

2+

entry:

implications in synaptic plasticity. J Neurosci 23: 7737–7741

21. Zhang S, Fritz N, Ibarra C, Uhlén P (2011). Inositol 1,4,5-trisphosphate

receptor subtype-specific regulation of calcium oscillations. Neuro-

chem Res 36: 1175-1185

22. Patterson RL, Boehning D, Snyder SH (2004). Inositol 1,4,5-trisphos-

phate receptors as signal integrators. Annu Rev Biochem 73: 437-465

23. Bezprozvanny I, Watras J, Ehrlich BE (1991) Bell-shaped calcium-re-

sponse curves of Ins(1,4,5)P3- and calcium-gated channels from endo-

plasmic reticulum of cerebellum. Nature 351: 751-754

24. Bootman MD, Berridge MJ, Roderick HL (2002) Activating calcium

release through inositol 1,4,5-trisphosphate receptors without inositol

1,4,5-trisphosphate. Proc Natl Acad Sci USA 99: 7320-7322

25. Boehning D, Patterson RL, Sedaghat L, Glebova NO, Kurosaki T,

Snyder SH (2003) Cytochrome c binds to inositol (1,4,5) trisphosphate

receptors, amplifying calcium-dependent apoptosis. Nat Cell Biol 5:

1051-1061

26. Kimlicka L, Van Petegem F (2011) The structural biology of ryanodine

receptors. Sci China Life Sci 54: 712-724

27. Hamilton SL (2005) Ryanodine receptors. Cell Calcium 38: 253-260
28. Laver DR (2007) Ca

2+

stores regulate ryanodine receptor Ca

2+

release

channels via luminal and cytosolic Ca

2+

sites. Clin Exp Pharmacol Phy-

siol 34: 889-896

29. Fliegert R, Gasser A, Guse AH (2007) Regulation of calcium signalling

by adenine-based second messengers. Biochem Soc Trans 35: 109-114

30. Byrnes KR, Loane DJ, Faden AI (2009) Metabotropic glutamate recep-

tors as targets for multipotential treatment of neurological disorders.

Neurotherapeutics 6: 94-107

31. Verkhratsky A, Toescu EC (2003) Endoplasmic reticulum Ca

2+

home-

ostasis and neuronal death. J Cell Mol Med 7: 351-361

32. Honarnejad K, Herms J (2012) Presenilins: Role in calcium homeostasis.

Int J Biochem Cell Biol, http://dx.doi.org/10.1016/j.biocel.2012.07.019

33. Blaustein MP, Juhaszova M, Golovina VA, Church PJ, Stanley EF

(2002) Na/Ca exchanger and PMCA localization in neurons and astro-

cytes: functional implications. Ann N Y Acad Sci 976: 356-366

34. Lytton J (2007) Na

+

/Ca

2+

exchangers: three mammalian gene families

control Ca

2+

transport. Biochem J 406: 365-382

35. Breukels V, Touw WG, Vuister GW (2012) Structural and dynamic

aspects of Ca

2+

and Mg

2+

binding of the regulatory domains of the

Na

+

/Ca

2+

exchanger. Biochem Soc Trans 40: 409-414

36. Kimura J, Ono T, Sakamoto K, Ito E, Watanabe S, Maeda S, Shikama Y,

Yatabe MS, Matsuoka I (2009) Na

+

-Ca

2+

exchanger expression and its

modulation. Biol Pharm Bull 32: 325-331

37. Nicholls DG (2009) Mitochondrial calcium function and dysfunction

in the central nervous system. Biochim Biophys Acta 1787: 1416-1424

38. Castaldo P, Cataldi M, Magi S, Lariccia V, Arcangeli S, Amoroso S

(2009) Role of the mitochondrial sodium/calcium exchanger in neuro-

nal physiology and in the pathogenesis of neurological diseases. Prog

Neurobiol 87: 58-79

39. Pivovarova NB, Andrews SB (2010) Calcium-dependent mitochon-

drial function and dysfunction in neurons. FEBS J 277: 3622-3636

40. Pizzo P, Pozzan T (2007) Mitochondria-endoplasmic reticulum chore-

ography: structure and signaling dynamics. Trends Cell Biol 17: 511-

517

41. Guerrero-Hernandez A, Dagnino-Acosta A, Verkhratsky A (2010) An

intelligent sarco-endoplasmic reticulum Ca

2+

store: release and leak

channels have differential access to a concealed Ca

2+

pool. Cell Cal-

cium 48: 143-149

42. Vandecaetsbeek I, Trekels M, De Maeyer M, Ceulemans H, Lescrinier

E, Raeymaekers L, Wuytack F, Vangheluwe P (2009) Structural basis

for the high Ca

2+

affinity of the ubiquitous SERCA2b Ca

2+

pump. Proc

Natl Acad Sci USA 106: 18533-18538

43. Bengtson CP, Bading H (2012) Nuclear calcium signaling. Adv Exp

Med Biol 970: 377-405

44. Sun GY, Shelat PB, Jensen MB, He Y, Sun AY, Simonyi A (2010) Pho-

spholipases A2 and inflammatory responses in the central nervous

system. Neuromolecular Med 12: 133-148

45. Alpár A, Attems J, Mulder J, Hökfelt T, Harkany T (2012) The rena-

issance of Ca

2+

-binding proteins in the nervous system: secretagogin

takes center stage. Cell Signal 24: 378-387

46. Mikhaylova M, Hradsky J, Kreutz MR (2011) Between promiscuity

and specificity: novel roles of EF-hand calcium sensors in neuronal

Ca

2+

signalling. J Neurochem 118: 695-713

47. Chapman ER (2008) How does synaptotagmin trigger neurotransmit-

ter release? Annu Rev Biochem 77: 615-641

48. Xia Z, Storm DR (2005) The role of calmodulin as a signal integrator for

synaptic plasticity. Nat Rev Neurosci 6: 267-276

49. Vincent SR (2010) Nitric oxide neurons and neurotransmission. Prog

Neurobiol 90: 246-255

50. Miyamoto E (2006) Molecular mechanism of neuronal plasticity: in-

duction and maintenance of long-term potentiation in the hippocam-

pus. J Pharmacol Sci 100: 433-442

51. Groth RD, Dunbar RL, Mermelstein PG (2003) Calcineurin regulation

of neuronal plasticity. Biochem Biophys Res Commun 311: 1159-1171

52. Cruzalegui FH, Bading H (2000) Calcium-regulated protein kinase

cascades and their transcription factor targets. Cell Mol Life Sci. 57:

402-410

53. Barbado M, Fablet K, Ronjat M, De Waard M (2009) Gene regulation

by voltage-dependent calcium channels. Biochim Biophys Acta 1793:

1096-1104

54. Wiegert JS, Bading H (2011) Activity-dependent calcium signaling and

ERK-MAO kinases in neurons: A link to structural plasticity of the

nucleus and gene transcription regulation. Cell Calcium 49: 296-305

55. West AE, Chen WG, Davala MB, Dolmetch RE, Kornhauser JM, Shay-

witz AJ, Takasu MA, Tao X, Greenberg ME (2001) Calcium regulation

of neuronal gene expression. Proc Natal Acad Sciu USA 98: 11024-

11031

56. Sala C, Rudolph-Correia S, Sheng M (2000) Developmentally regula-

ted NMDA receptor-dependent dephosphorylation of cAMP respon-

se element-binding protein (CREB) in hippocampal neurons. J Neuro-

sci 20: 3529-3536

57. Bading H (2000) Transcription-dependent neuronal plasticity. The nu-

celar calcium hypothesis. Eur J Biochem 267: 5280-5283

58. Goldman PS, Tran VK, Goodman HR (1997) The multifunctional role

of the co-activator CBP in transcriptional regulation. Recent Prog

Horm Res 52: 103-120

59. Kalita K, Kuzniewska B, Kaczmarek L (2012) MKLs: Co-factors of se-

rum response factor (SRF) in neuronal responses. Int J Biochem Cell

Biol 44: 1444-1447

60. Besnard A, Galan-Rodriguez B, Vanhoutte P, Caboche J (2011) Elk-1

a transcription factor with multiple facets in the brain. Front Neurosci

5: art. 35

61. Gineitis D, Treisman R (2001) Differential usage of signal transduction

pathways defines two types of serum response factor target gene. J

Biol Chem 276: 24531-24539

62. Alonso MT, Garcia-Sancho J (2011) Nuclear Ca

2+

signalling. Cell Cal-

cium 49: 280-289

63. Gomez RS, Guatimosim C (2003) Mechanism of action of volatile ane-

sthetics: involvement of intracellular calcium signaling. Curr Drug

Targets CNS Neurol Disord 2: 123-129

64. Pedarzani P, Stocker M (2008) Molecular and cellular basis of small--

-and intermediate-conductance, calcium-activated potassium channel

function in the brain. Cell Mol Life Sci 65: 3196-3217

Postępy Biochemii 58 (4) 2012

417

Role of calcium in physiology and pathology of neurons

Elżbieta Salińska

*

, Jerzy W. Łazarewicz

Mossakowski Medical Research Centre, Polish Academy of Sciences, 5 Pawińskiego St., 02-106 Warsaw, Poland

*

e-mail: [e-mail]

Key words: calcium homeostasis, brain ischemia, calcium channels, neuronal plasticity, glutamatergic receptors, signal transduction,

neurodegeneration

ABSTRACT

In this article we present evolutionary aspects of the dual role of Ca

2+

as signaling molecules and cytotoxic cations. We discuss the mechanisms

of calcium homeostasis in neurons, taking into account the specific features of excitable cells and the mechanisms of generation and transduc-

tion of calcium signals. Based on this information we outline the role of Ca

2+

ions in specific functions of the nerve cell, such as excitability,

propagation of the action potential, synaptic transmission, neuronal plasticity and various forms of mobility. Then we discuss the role of

disturbances of calcium homeostasis and signaling function in the mechanisms of injury and death of neurons in acute diseases with special

regard to cerebral ischemia, and in chronic neurodegenerative disorders.

65. von Gersdorff H, Matthews G (1994) Dynamics of synaptic vesicle fu-

sion and membrane retrieval in synaptic terminals. Nature 367: 735-

739

66. Scott R (2007) Use-dependent control of presynaptic calcium signal-

ling at central synapses. J Anat 210: 642-650

67. Ohno-Shosaku T, Hashimotodani Y, Maejima T, Kano M (2005) Cal-

cium signaling and synaptic modulation: regulation of endocannab-

inoid-mediated synaptic modulation by calcium. Cell Calcium 38:

369-374

68. Hawkins RD, Zhuo M, Arancio O (1994) Nitric oxide and carbon mon-

oxide as possible retrograde messengers in hippocampal long-term

potentiation. J Neurobiol 25: 652-665

69. Bazan NG, Packard MG, Teather L, Allan G (1997) Bioactive lipids in

excitatory neurotransmission and neuronal plasticity. Neurochem Int

30: 225-231

70. Zheng JQ, Poo MM (2007). Calcium signaling in neuronal motility.

Annu Rev Cell Dev Biol 23: 375-404

71. Wang H, Hu Y, Tsien JZ (2006) Molecular and systems mechanisms of

memory consolidation and storage. Prog Neurobiol 79: 123-135

72. Cowan N (2008) What are the differences between long-term, short-

term, and working memory. Prog Brain Res 169: 323-338

73. Miyamoto E (2006) Molecular mechanism of neuronal plasticity: In-

duction and maintenance of long-term potentiation in the hippocam-

pus. J Pharmacol Sci 1000: 433-442

74. Massey PV, Bashir ZI (2007) Long-term depression: multiple forms

and implications for brain function. Trends Neurosci 30: 176-184

75. Malenka RC, Bear MF (2004) LTP and LTD: an embarrassment of

riches. Neuron 44: 5-21

76. Citri A, Malenka RC (2008) Stnaptic plasticity: multiple forms, func-

tions and mechanisms. Neuropsychopharmacology 33: 18-41

77. Lamont MG, Weber JT (2012) The role of calcium in synaptic plasticity

and motor learning in the cerebellar cortex. Neurosci Biobehav Rev

36: 1153-1162

78. Anwyl R (2009) Metabotropic glutamate receptor-dependent long-

term potentiation. Neuropharmacology 56: 735-740

79. Reboreda A, Jimenez-Diaz L, Navarro-Lopez JD (2011) TRP channels

and neural persistent activity. Adv Exp Med Biol 704: 595-613

80. Dan Y, Poo MM (2006) Spike timing-dependent plasticity: from syn-

apse to perception. Physiol Rev 86: 1033-1048

81. Lüscher C, Huber KM (2010) Group 1 mGluR-dependent synaptic

long-term depression: mechanisms and implications for circuity and

disease. Neuron 65: 445-459

82. Salińska E, Łazarewicz JW (2003). Ekscytotoksyczność: uniwersalny

niespecyficzny mechanizm uszkodzenia neuronów, W: Liberski P,

Mossakowski MJ (red) Neurodegeneracje, Tom II. CUP PAN, Warsza-

wa, str. 10-32

83. Szydlowska K, Tymianski M (2010) Calcium, ischemia and excitotox-

icity. Cell Calcium 47: 122-129

84. Salińska E, Danysz W, Łazarewicz JW (2005) The role of excitotoxicity

in neurodegeneration. Folia Neuropathol 43: 322-339

85. Łazarewicz JW, Salińska E (2005) Udział jonów wapnia w patologii

niedokrwiennej mózgu, W: Strosznajder JB, Czernicki Z (red) Mózg a

niedokrwienie. Platan, Kraków, str. 16-46

86. Silverstein FS, Nelson C (1992) The microsomal calcium-ATPase in-

hibitor thapsigargin is a neurotoxin in perinatal rodent brain. Neurosci

Lett 145: 157-160

87. Pessah IN, Cherednichenko G, Lein PJ (2010) Minding the calcium

store: Ryanodine receptor activation as a convergent mechanism of

PCB toxicity. Pharmacol Ther 125: 260-285

88. Paschen W, Doutheil J (1999) Disturbances of the functioning of endo-

plasmic reticulum: a key mechanism underlying neuronal cell injury?

J Cereb Blood Flow Metab 19: 1-18

89. Gleichmann M, Mattson MP (2011) Neuronal calcium homeostasis

and dysregulation. Antioxid Redox Signal 14: 1261-1273

90. Bojarski L, Herms J, Kuznicki J (2008) Calcium disregulation in Alzhe-

imer’s disease. Neurochem Int 52: 621-633

91. Kawahara M (2010) Neurotoxicity of β-amyloid protein: oligomeri-

zation, channel formation, and calcium dyshomeostasis. Curr Pharm

Des 16: 2779-2789

92. Hurley MJ, Dexter DT (2012) Voltage-gated calcium channels and Par-

kinson’s disease. Pharmacol Ther 133: 324-333

93. Chan CS, Gertler TS, Surmeier DJ (2009) Calcium homeostasis, selecti-

vite vulnerability and Parkinson’s disease. Trends Neurosci 32: 249-256

94. Giacomello M, Hudec R, Lopreiato R (2011) Huntington’s disease, cal-

cium, and mitochondria. Biofactors 37: 206-218

95. Bezprozvanny I (2011) Role od inositol 1, 4, 5-trisphosphate receptors

in pathogenesis of Huntington’s disease and spinocerebellar ataxias.

Neurochem Res

36: 1186-1197

96. Verbeek DS, van de Warrenburg BP (2011) Genetics of the dominant

ataxias

. Semin Neurol 31: 461-469

97. Crish SD, Calkins DJ (2011) Neurodegeneration in galucoma: Progres-

sion and calcium-dependent intracellular mechanisms. Neuroscience

176: 1-11

98. Zamponi GW, Lory P (2010) Role of voltage-gated calcium channels in

epilepsy. Pfluges Arch 460: 395-403

99. Lidow MS (2003) Calcium signaling dysfunction in schizophrenia: a

unifying approach. Brain Res Brain Res Rev 43: 70-84

100. Giegling I, Genius J, Benninghoff J, Rujescu D (2010) Genetic findings

in schizophrenia patients related to alterations in the intracellular Ca-

-homeostasis. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry 34: 1375-1380