Calmodulin - Calmodulin

Calmodulin
Calmodulin.png
Estrutura 3D da Calmodulina ligada a Ca 2+ ( PDB : 1OSA )
Identificadores
Símbolo CaM
PDB 1OSA
UniProt P62158
A estrutura hélice-alça-hélice do motivo de mão EF de ligação de cálcio

De calmodulina ( CaM ) (uma abreviatura de cal cium- modul ated prote na ) é uma proteína de ligação ao cálcio intermediário multifuncional mensageiro expressa em todas as células eucarióticas . É um alvo intracelular do mensageiro secundário Ca 2+ , e a ligação do Ca 2+ é necessária para a ativação da calmodulina. Uma vez ligada ao Ca 2+ , a calmodulina atua como parte de uma via de transdução do sinal de cálcio , modificando suas interações com várias proteínas-alvo, como quinases ou fosfatases .

Estrutura

A calmodulina é uma proteína pequena e altamente conservada com 148 aminoácidos de comprimento (16,7 kDa). A proteína tem dois domínios globulares aproximadamente simétricos (os domínios N e C), cada um contendo um par de motivos de mão EF separados por uma região de ligação flexível para um total de quatro sítios de ligação de Ca 2+ , dois em cada domínio globular. No estado livre de Ca 2+ , as hélices que formam as quatro mãos EF são colapsadas em uma orientação compacta e o linker central é desordenado; no estado saturado com Ca 2+ , as hélices da mão EF adotam uma orientação aberta aproximadamente perpendicular uma à outra, e o ligante central forma uma hélice alfa estendida na estrutura cristalina, mas permanece amplamente desordenada em solução. O domínio C tem uma afinidade de ligação mais alta para Ca 2+ do que o domínio N.

A calmodulina é estruturalmente bastante semelhante à troponina C , outra proteína de ligação ao Ca 2+ contendo quatro motivos EF-hand. No entanto, a troponina C contém uma alfa-hélice adicional no seu terminal N, e é constitutivamente ligada ao seu alvo, a troponina I . Portanto, não exibe a mesma diversidade de reconhecimento de alvo que a calmodulina.

Importância da flexibilidade na calmodulina

A capacidade do Calmodulin de reconhecer uma enorme variedade de proteínas-alvo se deve em grande parte à sua flexibilidade estrutural. Além da flexibilidade do domínio de ligação central, os domínios N e C passam por ciclos conformacionais abertos-fechados no estado ligado ao Ca 2+ . A calmodulina também exibe grande variabilidade estrutural e sofre consideráveis ​​flutuações conformacionais, quando ligada a alvos. Além disso, a natureza predominantemente hidrofóbica da ligação entre a calmodulina e a maioria de seus alvos permite o reconhecimento de uma ampla gama de sequências de proteínas alvo. Juntas, essas características permitem que a calmodulina reconheça cerca de 300 proteínas alvo exibindo uma variedade de motivos de sequência de ligação de CaM.

Mecanismo

Esta imagem mostra mudanças conformacionais na calmodulina. À esquerda está a calmodulina sem cálcio e à direita está a calmodulina com cálcio. Os locais que se ligam às proteínas alvo são indicados por estrelas vermelhas.
Estrutura da solução do domínio do terminal C de Ca 2+ -calmodulina
Estrutura da solução do domínio do terminal N de Ca 2+ -calmodulina

A ligação de Ca 2+ pelas mãos EF causa uma abertura dos domínios N e C, o que expõe as superfícies de ligação ao alvo hidrofóbicas. Essas superfícies interagem com segmentos não polares complementares em proteínas alvo, normalmente consistindo em grupos de aminoácidos hidrofóbicos volumosos separados por 10-16 aminoácidos polares e / ou básicos. O domínio central flexível da calmodulina permite que a proteína envolva seu alvo, embora modos alternativos de ligação sejam conhecidos. Os alvos "canônicos" da calmodulina, como as quinases de cadeia leve da miosina e CaMKII , ligam-se apenas à proteína ligada ao Ca 2+ , enquanto algumas proteínas, como os canais NaV e as proteínas do motivo IQ , também se ligam à calmodulina na ausência de Ca 2+ . A ligação da calmodulina induz rearranjos conformacionais na proteína alvo por meio de "ajuste induzido mutuamente", levando a mudanças na função da proteína alvo.

A ligação do cálcio pela calmodulina exibe considerável cooperatividade , tornando a calmodulina um exemplo incomum de proteína monomérica (de cadeia simples) de ligação cooperativa. Além disso, a ligação ao alvo altera a afinidade de ligação da calmodulina em relação aos íons Ca 2+ , o que permite a interação alostérica complexa entre o Ca 2+ e as interações de ligação ao alvo. Esta influência da ligação em Ca alvo 2+ Acredita-se que a afinidade para permitir a Ca 2+ activação de proteínas que são constitutivamente ligados a calmodulina, tal como pequeno-condutância Ca 2+ canais de potássio activado por (SK).

Embora a calmodulina opere principalmente como uma proteína de ligação ao Ca 2+ , ela também coordena outros íons metálicos. Por exemplo, na presença de concentrações intracelulares típicas de Mg 2+ (0,5-1,0 mM) e concentrações de repouso de Ca 2+ (100 nM), os locais de ligação de Ca 2+ da calmodulina são pelo menos parcialmente saturados por Mg 2+ . Este Mg 2+ é deslocado pelas maiores concentrações de Ca 2+ geradas por eventos de sinalização. Da mesma forma, o Ca 2+ pode ser deslocado por outros íons metálicos, como os lantanídeos trivalentes, que se associam aos bolsões de ligação da calmodulina ainda mais fortemente do que o Ca 2+ . Embora tais íons distorçam a estrutura da calmodulina e geralmente não sejam fisiologicamente relevantes devido à sua escassez in vitro , eles têm visto amplo uso científico como repórteres da estrutura e função da calmodulina.

Papel nos animais

A calmodulina medeia muitos processos cruciais, como inflamação , metabolismo , apoptose , contração do músculo liso , movimento intracelular, memória de curto e longo prazo e a resposta imunológica . O cálcio participa de um sistema de sinalização intracelular , agindo como um segundo mensageiro difusível para os estímulos iniciais. Ele faz isso ligando-se a vários alvos na célula, incluindo um grande número de enzimas , canais iônicos , aquaporinas e outras proteínas. A calmodulina é expressa em muitos tipos de células e pode ter diferentes localizações subcelulares, incluindo o citoplasma , dentro de organelas , ou associada com o plasma ou membranas de organelas, mas é sempre encontrada intracelularmente. Muitas das proteínas às quais a calmodulina se liga são incapazes de se ligar ao cálcio e usam a calmodulina como sensor de cálcio e transdutor de sinal. A calmodulina também pode fazer uso dos estoques de cálcio do retículo endoplasmático e do retículo sarcoplasmático . A calmodulina pode sofrer modificações pós-traducionais, como fosforilação , acetilação , metilação e clivagem proteolítica , cada uma com potencial para modular suas ações.

Exemplos específicos

Papel na contração do músculo liso

Calmodulina ligada a um peptídeo da MLC quinase ( PDB : 2LV6 )

A calmodulina desempenha um papel importante no acoplamento da contração de excitação (EC) e no início da ciclagem da ponte cruzada no músculo liso , causando, em última análise, a contração do músculo liso. Para ativar a contração do músculo liso, a cabeça da cadeia leve da miosina deve ser fosforilada. Esta fosforilação é feita por quinase de cadeia leve de miosina (MLC) . Essa MLC quinase é ativada por uma calmodulina quando ligada ao cálcio, tornando a contração do músculo liso dependente da presença de cálcio, por meio da ligação da calmodulina e ativação da MLC quinase.

Outra maneira pela qual a calmodulina afeta a contração muscular é controlando o movimento do Ca 2+ através da célula e das membranas do retículo sarcoplasmático . Os canais de Ca 2+ , como o receptor de rianodina do retículo sarcoplasmático, podem ser inibidos pela ligação da calmodulina ao cálcio, afetando assim os níveis gerais de cálcio na célula. As bombas de cálcio retiram o cálcio do citoplasma ou o armazenam no retículo endoplasmático e esse controle ajuda a regular muitos processos posteriores.

Esta é uma função muito importante da calmodulina porque indiretamente desempenha um papel em todos os processos fisiológicos que são afetados pela contração do músculo liso , como a digestão e a contração das artérias (que ajuda a distribuir o sangue e regular a pressão arterial ).

Papel no metabolismo

A calmodulina desempenha um papel importante na ativação da fosforilase quinase , que acaba levando a glicose a ser clivada do glicogênio pela glicogênio fosforilase .

A calmodulina também desempenha um papel importante no metabolismo lipídico , afetando a calcitonina . A calcitonina é um hormônio polipeptídico que reduz os níveis de Ca 2+ no sangue e ativa as cascatas da proteína G que levam à geração de AMPc. As ações da calcitonina podem ser bloqueadas pela inibição das ações da calmodulina, sugerindo que a calmodulina desempenha um papel crucial na ativação da calcitonina.

Papel na memória de curto e longo prazo

A proteína quinase dependente de Ca 2+ / calmodulina II (CaMKII) desempenha um papel crucial em um tipo de plasticidade sináptica conhecida como potenciação de longo prazo (LTP) que requer a presença de cálcio / calmodulina. CaMKII contribui para a fosforilação de um receptor AMPA que aumenta a sensibilidade dos receptores AMPA. Além disso, a pesquisa mostra que inibir CaMKII interfere com LTP.

Papel nas plantas

A planta do sorgo contém genes responsivos à temperatura. Esses genes ajudam a planta a se adaptar em condições climáticas extremas, como ambientes quentes e secos .

Embora as leveduras tenham apenas um único gene CaM, as plantas e os vertebrados contêm uma forma evolutivamente conservada de genes CaM. A diferença entre plantas e animais na sinalização de Ca 2+ é que as plantas contêm uma família estendida do CaM, além da forma conservada evolutivamente. As calmodulinas desempenham um papel essencial no desenvolvimento das plantas e na adaptação aos estímulos ambientais.

O cálcio desempenha um papel fundamental na integridade estrutural da parede celular e no sistema de membrana da célula. No entanto, altos níveis de cálcio podem ser tóxicos para o metabolismo de energia celular de uma planta e, portanto, a concentração de Ca 2+ no citosol é mantida em um nível submicromolar removendo o Ca 2+ citosólico para o apoplasto ou o lúmen das organelas intracelulares . Pulsos de Ca 2+ criados devido ao aumento do influxo e efluxo agem como sinais celulares em resposta a estímulos externos, como hormônios, luz, gravidade, fatores de estresse abiótico e também interações com patógenos.

CMLs (proteínas relacionadas com CaM)

As plantas contêm proteínas relacionadas ao CaM (CMLs), além das proteínas CaM típicas. Os CMLs têm cerca de 15% de similaridade de aminoácidos com os CaMs típicos. Arabidopsis thaliana contém cerca de 50 genes CML diferentes, o que nos leva à questão de qual a finalidade dessas diversas gamas de proteínas na função celular. Todas as espécies de plantas apresentam essa diversidade nos genes CML. Os diferentes CaMs e CMLs diferem em sua afinidade para ligar e ativar as enzimas reguladas por CaM in vivo . O CaM ou CMLs também estão localizados em diferentes compartimentos de organelas.

Crescimento e desenvolvimento da planta

Em Arabidopsis, a proteína DWF1 desempenha um papel enzimático na biossíntese de brassinosteróides, hormônios esteróides em plantas que são necessários para o crescimento. Uma interação ocorre entre CaM e DWF1, e DWF1 sendo incapaz de se ligar a CaM é incapaz de produzir um fenótipo de crescimento regular em plantas. Portanto, o CaM é essencial para a função DWF1 no crescimento da planta.

As proteínas de ligação CaM também são conhecidas por regular o desenvolvimento reprodutivo em plantas. Por exemplo, a proteína quinase de ligação ao CaM no tabaco atua como um regulador negativo da floração. No entanto, essas proteínas quinase de ligação ao CaM também estão presentes no meristema apical do caule do tabaco e uma alta concentração dessas quinases no meristema causa uma transição retardada para o florescimento na planta.

S- loco receptor quinase (SRK) é outra proteína quinase que interage com CaM. SRK está envolvido nas respostas de auto-incompatibilidade envolvidas nas interações pólen-pistilo em Brassica .

Os alvos do CaM em Arabidopsis também estão envolvidos no desenvolvimento e fertilização do pólen. Os transportadores de Ca 2+ são essenciais para o crescimento do tubo polínico . Portanto, um gradiente constante de Ca 2+ é mantido no ápice do tubo polínico para alongamento durante o processo de fertilização. Da mesma forma, o CaM também é essencial no ápice do tubo polínico, onde seu papel principal envolve a orientação do crescimento do tubo polínico.

Interação com micróbios

Formação de nódulo

O Ca 2+ desempenha um papel significativamente importante na formação de nódulos em leguminosas. O nitrogênio é um elemento essencial necessário em plantas e muitas leguminosas, incapaz de fixar o nitrogênio independentemente, emparelhar-se simbioticamente com bactérias fixadoras de nitrogênio que reduzem o nitrogênio a amônia. Este estabelecimento de interação leguminosa- Rhizobium requer o fator Nod que é produzido pela bactéria Rhizobium . O fator Nod é reconhecido pelas células ciliadas da raiz que estão envolvidas na formação de nódulos em leguminosas. Respostas de Ca 2+ de natureza variada são caracterizadas por estarem envolvidas no reconhecimento do fator Nod. Há um fluxo de Ca 2+ na ponta do cabelo da raiz, seguido inicialmente por oscilações repetitivas de Ca 2+ no citosol e também um pico de Ca 2+ ocorre ao redor do núcleo. DMI3, um gene essencial para as funções de sinalização do fator Nod a jusante da assinatura de spiking de Ca 2+ , pode estar reconhecendo a assinatura de Ca 2+ . Além disso, vários genes CaM e CML em Medicago e Lotus são expressos em nódulos.

Defesa de patógenos

Entre a ampla gama de estratégias de defesa que as plantas utilizam contra patógenos, a sinalização de Ca 2+ é cada vez mais comum. Os níveis de Ca 2+ livre no citoplasma aumentam em resposta a uma infecção patogênica. Assinaturas de Ca 2+ dessa natureza geralmente ativam o sistema de defesa da planta induzindo genes relacionados à defesa e a morte celular hipersensível. CaMs, CMLs e proteínas de ligação a CaM são alguns dos elementos recentemente identificados das vias de sinalização de defesa da planta. Vários genes CML no tabaco , feijão e tomate respondem a patógenos. CML43 é uma proteína relacionada ao CaM que, quando isolada do gene APR134 nas folhas resistentes a doenças de Arabidopsis para análise de expressão gênica, é rapidamente induzida quando as folhas são inoculadas com Pseudomonas syringae . Esses genes também são encontrados em tomates ( Solanum lycopersicum ). O CML43 do APR134 também se liga a íons Ca 2+ in vitro, o que mostra que CML43 e APR134 estão, portanto, envolvidos na sinalização dependente de Ca 2+ durante a resposta imune da planta a patógenos bacterianos. A expressão de CML9 em Arabidopsis thaliana é rapidamente induzida por bactérias fitopatogênicas, flagelina e ácido salicílico. A expressão de SCaM4 e SCaM5 de soja em tabaco transgênico e Arabidopsis causa uma ativação de genes relacionados à resistência a patógenos e também resulta em maior resistência a um amplo espectro de infecções por patógenos. O mesmo não é verdade para SCaM1 e SCaM2 de soja, que são isoformas CaM altamente conservadas. A proteína At BAG6 é uma proteína de ligação ao CaM que se liga ao CaM apenas na ausência de Ca 2+ e não na presença dele. O BAG6 é responsável pela resposta de hipersensibilidade à morte celular programada, a fim de prevenir a disseminação da infecção do patógeno ou restringir o crescimento do patógeno. Mutações nas proteínas de ligação CaM podem levar a efeitos graves na resposta de defesa das plantas a infecções por patógenos. Os canais cíclicos de nucleotídeos (CNGCs) são canais de proteínas funcionais na membrana plasmática que têm locais de ligação de CaM sobrepostos para transporte de cátions divalentes, como o Ca 2+ . No entanto, o papel exato do posicionamento dos CNGCs nesta via de defesa das plantas ainda não está claro.

Resposta ao estresse abiótico em plantas

A mudança nos níveis intracelulares de Ca 2+ é usada como uma assinatura para diversas respostas a estímulos mecânicos, tratamentos osmóticos e de sal e choques de frio e calor. Diferentes tipos de células de raiz mostram uma resposta diferente de Ca 2+ ao estresse osmótico e salino e isso implica nas especificidades celulares dos padrões de Ca 2+ . Em resposta ao estresse externo, o CaM ativa a glutamato descarboxilase (GAD) que catalisa a conversão de L- glutamato em GABA. Um controle rígido sobre a síntese de GABA é importante para o desenvolvimento da planta e, portanto, níveis aumentados de GABA podem afetar essencialmente o desenvolvimento da planta. Portanto, o estresse externo pode afetar o crescimento e o desenvolvimento da planta e os CaM estão envolvidos nessa via, controlando esse efeito.

Exemplos de plantas

Sorgo

O sorgo vegetal é um organismo modelo bem estabelecido e pode se adaptar em ambientes quentes e secos. Por esse motivo, é usado como modelo para estudar o papel da calmodulina nas plantas. O sorgo contém mudas que expressam uma proteína de ligação a RNA rica em glicina , SbGRBP. Esta proteína em particular pode ser modulada usando o calor como um estressor. Sua localização única no núcleo da célula e no citosol demonstra interação com a calmodulina que requer o uso de Ca 2+ . Ao expor a planta a condições de estresse versáteis , pode fazer com que diferentes proteínas que permitem que as células da planta tolerem mudanças ambientais sejam reprimidas. Estas proteínas de estresse moduladas são mostradas para interagir com CaM. Os genes CaMBP expressos no sorgo são descritos como uma “cultura modelo” para pesquisar a tolerância ao calor e ao estresse hídrico .

Arabidopsis

Em um estudo de Arabidopsis thaliana , centenas de proteínas diferentes demonstraram a possibilidade de se ligar ao CaM nas plantas.

Membros da família

Outras proteínas de ligação ao cálcio

A calmodulina pertence a um dos dois grupos principais de proteínas de ligação ao cálcio, chamadas proteínas de mão EF . O outro grupo, denominado anexinas , liga-se ao cálcio e aos fosfolipídios , como a lipocortina . Muitas outras proteínas se ligam ao cálcio, embora a ligação ao cálcio não possa ser considerada sua função principal na célula.

Veja também

Referências

links externos