Calmodulin - Calmodulin

Calmodulin
3D -struktur af Ca 2+ -bunden Calmodulin ( PDB : 1OSA )
Identifikatorer
Symbol	CaM
PDB	1OSA
UniProt	P62158
Søge efter Strukturer Schweizisk model Domæner InterPro

Helix-loop-helix-strukturen i det calciumbindende EF- håndmotiv

Calmodulin ( CaM ) (en forkortelse for cal cium- modul ated prote in ) er et multifunktionelt mellemliggende calcium-bindende messengerprotein udtrykt i alle eukaryote celler . Det er et intracellulært mål for den sekundære messenger Ca ²⁺ , og bindingen af ​​Ca ²⁺ er påkrævet for aktivering af calmodulin. Når bundet til Ca ²⁺ , calmodulin fungerer som en del af en calcium signaltransduktionsvej ved at modificere dets interaktioner med forskellige målproteiner, såsom kinaser eller phosphataser .

Struktur

Calmodulin er et lille, stærkt konserveret protein, der er 148 aminosyrer langt (16,7 kDa). Proteinet har to tilnærmelsesvis symmetriske kugleformede domæner (N- og C-domænerne), der hver indeholder et par EF- håndmotiver adskilt af en fleksibel linkerregion for i alt fire Ca ²⁺ bindingssteder, to i hvert kugleformet domæne. I Ca2 ⁺ -fri tilstand kollapses spiralerne, der danner de fire EF -hænder, i en kompakt orientering, og den centrale linker er uordnet; i Ca2 ⁺ -mættet tilstand adopterer EF-håndspiralerne en åben orientering stort set vinkelret på hinanden, og den centrale linker danner en forlænget alfa-helix i krystalstrukturen, men forbliver stort set uordnet i opløsning. C-domænet har en højere bindingsaffinitet for Ca2 ⁺ end N-domænet.

Calmodulin ligner strukturelt ganske troponin C , et andet Ca2 ⁺ -bindende protein indeholdende fire EF -håndmotiver. Dog troponin C indeholder en yderligere a-helix ved dets N-terminal, og konstitutivt bundet til dets mål, troponin I . Det udviser derfor ikke den samme mangfoldighed af målgenkendelse som calmodulin.

Betydningen af ​​fleksibilitet i calmodulin

Calmodulins evne til at genkende et enormt udvalg af målproteiner skyldes i høj grad dens strukturelle fleksibilitet. Ud over fleksibiliteten i det centrale linkerdomæne undergår N- og C-domænerne åben-lukket konformationel cykling i Ca2 ⁺ -bunden tilstand. Calmodulin udviser også stor strukturel variation og undergår betydelige konformationelle udsving, når den er bundet til mål. Desuden muliggør den overvejende hydrofobe karakter af binding mellem calmodulin og de fleste af dens mål genkendelse af en bred vifte af målproteinsekvenser. Tilsammen giver disse funktioner calmodulin mulighed for at genkende omkring 300 målproteiner, der udviser en række CaM-bindende sekvensmotiver.

Mekanisme

Disse billeder viser konformationsændringer i calmodulin. Til venstre er calmodulin uden calcium og til højre calmodulin med calcium. Steder, der binder målproteiner, er angivet med røde stjerner.

Opløsningsstruktur for Ca ²⁺ -calmodulin C -terminal domæne

Opløsningsstruktur for Ca ²⁺ -calmodulin N -terminal domæne

Binding af Ca ²⁺ af EF-hænderne forårsager en åbning af N- og C-domæner, som udsætter hydrofobe målbindende overflader. Disse overflader interagerer med komplementære ikke-polære segmenter på målproteiner, der typisk består af grupper af omfangsrige hydrofobe aminosyrer adskilt af 10-16 polære og/eller basiske aminosyrer. Det fleksible centrale domæne for calmodulin tillader proteinet at vikle sig omkring sit mål, selvom alternative bindingsformer er kendt. "Kanoniske" mål for calmodulin, såsom myosin-letkædede kinaser og CaMKII , binder kun til det Ca ²⁺ -bundne protein, hvorimod nogle proteiner, såsom NaV-kanaler og IQ-motivproteiner , også binder til calmodulin i fravær af Ca ²⁺ . Binding af calmodulin inducerer konformationelle omlejringer i målproteinet via "gensidigt induceret pasform", hvilket fører til ændringer i målproteinets funktion.

Kalciumbinding med calmodulin udviser betydelig kooperativitet , hvilket gør calmodulin til et usædvanligt eksempel på et monomert (enkeltkædet) kooperativ-bindende protein. Endvidere ændrer målbinding calmodulins bindingsaffinitet over for Ca2 ⁺ -ioner, hvilket muliggør komplekst allosterisk samspil mellem Ca2 ⁺ og målbindingsinteraktioner. Denne indflydelse af målbinding på Ca2 ⁺ -affinitet menes at muliggøre Ca2 ⁺ -aktivering af proteiner, der konstitutivt er bundet til calmodulin, såsom Ca2 ⁺ -aktiverede kalium (SK) -kanaler med lille konduktans .

Selvom calmodulin hovedsageligt fungerer som et Ca2 ⁺ -bindende protein, koordinerer det også andre metalioner. For eksempel, i nærvær af typiske intracellulære koncentrationer af Mg ²⁺ (0,5 - 1,0 mM) og hvilekoncentrationer af Ca ²⁺ (100 nM), er calmodulins Ca ²⁺ bindingssteder i det mindste delvist mættet med Mg ²⁺ . Denne Mg ²⁺ fortrænges af de højere koncentrationer af Ca2 ⁺ genereret ved signalhændelser. Tilsvarende kan Ca2 ^{+ i} sig selv fortrænges af andre metalioner, såsom de trivalente lanthanider, der associeres med calmodulins bindingslommer endnu stærkere end Ca2 ⁺ . Selvom sådanne ioner forvrænger calmodulins struktur og generelt ikke er fysiologisk relevante på grund af deres mangel in vitro , har de ikke desto mindre set videnskabelig anvendelse som journalister af calmodulin struktur og funktion.

Rolle hos dyr

Calmodulin formidler mange afgørende processer såsom inflammation , metabolisme , apoptose , sammentrækning af glatte muskler , intracellulær bevægelse, korttids- og langtidshukommelse og immunrespons . Calcium deltager i et intracellulært signalsystem ved at fungere som en diffunderbar anden messenger til de første stimuli. Det gør dette ved at binde forskellige mål i cellen, herunder et stort antal enzymer , ionkanaler , aquaporiner og andre proteiner. Calmodulin udtrykkes i mange celletyper og kan have forskellige subcellulære placeringer, herunder cytoplasma , inden i organeller eller forbundet med plasma- eller organellemembraner, men det findes altid intracellulært. Mange af de proteiner, som calmodulin binder, er ikke i stand til selv at binde calcium og bruger calmodulin som en calciumsensor og signaltransducer. Calmodulin kan også gøre brug af calciumlagrene i det endoplasmatiske net , og det sarkoplasmatiske net . Calmodulin kan undergå posttranslationelle ændringer, såsom phosphorylering , acetylering , methylering og proteolytisk spaltning , som hver især har potentiale til at modulere sine handlinger.

Specifikke eksempler

Rolle i sammentrækning af glatte muskler

Calmodulin bundet til et peptid fra MLC kinase ( PDB : 2LV6 )

Calmodulin spiller en vigtig rolle i excitation contraction (EC) kobling og initiering af cross-bridge cykling i glat muskulatur , hvilket i sidste ende forårsager sammentrækning af glatte muskler. For at aktivere sammentrækning af glatte muskler skal hovedet af myosin letkæden phosphoryleres. Denne phosphorylering udføres af myosin let kæde (MLC) kinase . Denne MLC -kinase aktiveres af et calmodulin, når det er bundet af calcium, hvilket gør kontraktion af glatte muskler afhængig af tilstedeværelsen af ​​calcium gennem binding af calmodulin og aktivering af MLC -kinase.

En anden måde, hvorpå calmodulin påvirker muskelsammentrækning, er ved at kontrollere bevægelsen af ​​Ca ^{2+ på} tværs af både cellen og sarkoplasmatiske nethinder . Den Ca ²⁺ kanaler , såsom ryanodinreceptoren af det sarkoplasmiske reticulum, kan hæmmes af calmodulin bundet til calcium, hvilket påvirker de samlede niveauer af calcium i cellen. Calciumpumper tager calcium ud af cytoplasmaet eller opbevarer det i det endoplasmatiske nethinde, og denne kontrol hjælper med at regulere mange nedstrøms processer.

Dette er en meget vigtig funktion af calmodulin, fordi det indirekte spiller en rolle i enhver fysiologisk proces, der er påvirket af sammentrækning af glatte muskler , såsom fordøjelse og sammentrækning af arterier (som hjælper med at fordele blod og regulere blodtryk ).

Rolle i stofskiftet

Calmodulin spiller en vigtig rolle i aktiveringen af phosphorylase kinase , hvilket i sidste ende fører til, at glucose spaltes fra glykogen af glycogen phosphorylase .

Calmodulin spiller også en vigtig rolle i lipidmetabolismen ved at påvirke Calcitonin . Calcitonin er et polypeptidhormon, der sænker Ca ^{2+ -niveauet i} blodet og aktiverer G -proteinkaskader, der fører til dannelse af cAMP. Calcitonins handlinger kan blokeres ved at hæmme calmodulins handlinger, hvilket tyder på, at calmodulin spiller en afgørende rolle i aktiveringen af ​​calcitonin.

Rolle i korttids- og langtidshukommelse

Ca ²⁺ /calmodulin-afhængig proteinkinase II (CaMKII) spiller en afgørende rolle i en type synaptisk plasticitet kendt som langsigtet potentiering (LTP), som kræver tilstedeværelse af calcium /calmodulin. CaMKII bidrager til phosphoryleringen af en AMPA -receptor, hvilket øger AMPA -receptorernes følsomhed. Desuden viser forskning, at hæmning af CaMKII forstyrrer LTP.

Rolle i planter

Sorghum- plante indeholder temperaturfølsomme gener. Disse gener hjælper planten med at tilpasse sig i ekstreme vejrforhold, såsom varme og tørre miljøer .

Mens gær kun har et enkelt CaM -gen, indeholder planter og hvirveldyr en evolutionært bevaret form for CaM -gener. Forskellen mellem planter og dyr ved Ca ²⁺ signalering er, at planterne indeholder en udvidet familie af CaM ud over den evolutionært bevarede form. Calmoduliner spiller en væsentlig rolle i planteudvikling og tilpasning til miljømæssige stimuli.

Calcium spiller en central rolle i den strukturelle integritet af cellevæggen og cellens membransystem. Imidlertid kan høje calciumniveauer være toksiske for en plantes cellulære energimetabolisme, og derfor opretholdes Ca ²⁺ -koncentrationen i cytosolen på et submikromolært niveau ved at fjerne det cytosoliske Ca ²⁺ til enten apoplasten eller lumen af ​​de intracellulære organeller . Ca ²⁺ pulser skabt på grund af øget tilstrømning og udstrømning fungerer som cellulære signaler som reaktion på eksterne stimuli som hormoner, lys, tyngdekraft, abiotiske stressfaktorer og også interaktioner med patogener.

CML'er (CaM-relaterede proteiner)

Planter indeholder CaM-relaterede proteiner (CML'er) bortset fra de typiske CaM-proteiner. CML'erne har cirka 15% aminosyrelighed med de typiske CaM'er. Arabidopsis thaliana indeholder omkring 50 forskellige CML -gener, hvilket fører til spørgsmålet om, hvilket formål disse forskelligartede proteinområder tjener i mobilfunktionen. Alle plantearter udviser denne mangfoldighed i CML -generne. De forskellige CaM'er og CML'er adskiller sig i deres affinitet til at binde og aktivere de CaM-regulerede enzymer in vivo . CaM eller CML'erne findes også at være placeret i forskellige organelle rum.

Plantevækst og udvikling

I Arabidopsis spiller proteinet DWF1 en enzymatisk rolle i biosyntesen af ​​brassinosteroider, steroidhormoner i planter, der er nødvendige for vækst. Der opstår en interaktion mellem CaM og DWF1, og DWF1, der ikke er i stand til at binde CaM, er ude af stand til at producere en regelmæssig vækstfænotype i planter. Derfor er CaM afgørende for DWF1 -funktionen i plantevækst.

CaM -bindende proteiner er også kendt for at regulere reproduktiv udvikling i planter. For eksempel fungerer CaM-bindende proteinkinase i tobak som en negativ regulator for blomstring. Disse CaM-bindende proteinkinase er imidlertid også til stede i skyde- apikal meristem af tobak, og en høj koncentration af disse kinaser i meristemet forårsager en forsinket overgang til blomstring i planten.

S -fokusreceptorkinase (SRK) er en anden proteinkinase, der interagerer med CaM. SRK er involveret i de selvkompatibilitetsresponser, der er involveret i interaktioner med pollen-pistil i Brassica .

CaM -mål i Arabidopsis er også involveret i pollenudvikling og befrugtning. Ca ²⁺ transportører er afgørende for vækst af pollenrør . Derfor opretholdes en konstant Ca ²⁺ gradient ved toppen af ​​pollenrøret for forlængelse under befrugtningsprocessen. Tilsvarende er CaM også afgørende ved toppen af ​​pollenrøret, hvor dets primære rolle involverer vejledning af pollenrørets vækst.

Interaktion med mikrober

Knudedannelse

Ca ²⁺ spiller en væsentlig vigtig rolle i knudedannelse i bælgfrugter. Kvælstof er et vigtigt element, der kræves i planter og mange bælgfrugter, der ikke er i stand til at fastsætte nitrogen uafhængigt, parrer symbiotisk med nitrogenfikserende bakterier, der reducerer nitrogen til ammoniak. Denne legume- Rhizobium- interaktionsvirksomhed kræver Nod-faktoren, der produceres af Rhizobium- bakterierne. Den nodfaktor genkendes af de dybereliggende hårceller, som er involveret i dannelse af knuder i bælgplanter. Ca ²⁺ reaktioner af forskellig karakter karakteriseres at være involveret i Nod -faktorgenkendelse. Der er en Ca ²⁺ flux i spidsen af ​​rodhåret, der i begyndelsen blev efterfulgt af gentagen oscillation af Ca ²⁺ i cytosolen, og der forekommer også Ca ²⁺ pigge omkring kernen. DMI3, et essentielt gen for Nod -faktor -signalfunktioner nedstrøms for Ca ²⁺ -spikningssignaturen, genkender muligvis Ca ²⁺ -signaturen. Yderligere udtrykkes flere CaM- og CML -gener i Medicago og Lotus i knuder.

Patogen forsvar

Blandt den mangfoldige vifte af forsvarsstrategier, planter anvender mod patogener, er Ca ²⁺ signalering meget mere almindelig. Gratis Ca ²⁺ niveauer i cytoplasma stiger som reaktion på en patogen infektion. Ca ²⁺ signaturer af denne art aktiverer normalt planteforsvarssystemet ved at inducere forsvarsrelaterede gener og den overfølsomme celledød. CaM'er, CML'er og CaM-bindende proteiner er nogle af de nyligt identificerede elementer i planteforsvarets signalveje. Flere CML -gener i tobak , bønne og tomat reagerer på patogener. CML43 er et CaM-relateret protein, der isoleret fra APR134-genet i de sygdomsresistente blade af Arabidopsis til genekspressionsanalyse hurtigt induceres, når bladene inokuleres med Pseudomonas syringae . Disse gener findes også i tomater ( Solanum lycopersicum ). CML43 fra APR134 binder også til Ca ²⁺ -ioner in vitro, hvilket viser, at CML43 og APR134 derfor er involveret i Ca2 ⁺ -afhængig signalering under planteimmunresponsen mod bakterielle patogener. CML9 -ekspressionen i Arabidopsis thaliana induceres hurtigt af fytopatogene bakterier, flagellin og salicylsyre. Ekspression af sojabønne SCaM4 og SCaM5 i transgen tobak og Arabidopsis forårsager en aktivering af gener relateret til patogenresistens og resulterer også i øget resistens over for et bredt spektrum af patogeninfektion. Det samme gælder ikke for sojabønne SCaM1 og SCaM2, der er stærkt bevarede CaM -isoformer. Den Hos BAG6 proteinet er en CaM-bindende protein, der binder til CaM kun i fravær af Ca ²⁺ og ikke i nærværelse af det. På BAG6 er ansvarlig for den overfølsomme reaktion ved programmeret celledød for at forhindre spredning af patogeninfektion eller for at begrænse patogenvækst. Mutationer i de CaM -bindende proteiner kan føre til alvorlige virkninger på planternes forsvarsrespons mod patogeninfektioner. Cykliske nukleotid-gatede kanaler (CNGC'er) er funktionelle proteinkanaler i plasmamembranen, der har overlappende CaM-bindingssteder, transporterer divalente kationer, såsom Ca2 ⁺ . Imidlertid er den nøjagtige rolle, hvor CNGC'ernes positionering er i denne vej til planteforsvar, stadig uklar.

Abiotisk stressreaktion hos planter

Ændring i intracellulære Ca ²⁺ niveauer bruges som en signatur for forskellige reaktioner mod mekaniske stimuli, osmotiske og saltbehandlinger og kulde- og varmechok. Forskellige rodcelletyper viser en anden Ca ²⁺ reaktion på osmotiske og salt belastninger, og dette indebærer cellespecificiteterne for Ca ²⁺ mønstre. Som reaktion på ekstern stress aktiverer CaM glutamat -decarboxylase (GAD), der katalyserer omdannelsen af L -glutamat til GABA. En stram kontrol med GABA -syntesen er vigtig for planteudvikling, og derfor kan øgede GABA -niveauer i det væsentlige påvirke planteudviklingen. Derfor kan ekstern stress påvirke plantevækst og udvikling, og CaM er involveret i denne vej, der styrer denne effekt.

Planteksempler

Sorghum

Anlægget sorghum er veletableret model organisme og kan tilpasse sig i varme og tørre miljøer. Af denne grund bruges det som en model til undersøgelse af calmodulins rolle i planter. Sorghum indeholder frøplanter, der udtrykker et glycin -rigt RNA -bindende protein , SbGRBP. Dette særlige protein kan moduleres ved at bruge varme som en stressor. Dens unikke placering i cellekernen og cytosol demonstrerer interaktion med calmodulin, der kræver brug af Ca ²⁺ . Ved at udsætte planten for alsidige stressbetingelser kan det forårsage forskellige proteiner, der gør det muligt for plantecellerne at tolerere miljøændringer at blive undertrykt. Disse modulerede stressproteiner er vist at interagere med CaM. De CaMBP gener udtrykt i sorghum er afbildet som en ”model afgrøde” for at forske i tolerance over for varme og tørke stress .

Arabidopsis

I et Arabidopsis thaliana -studie demonstrerede hundredvis af forskellige proteiner muligheden for at binde til CaM i planter.

Familie medlemmer

• Calmodulin 1 ( CALM1 )
• Calmodulin 2 ( CALM2 )
• Calmodulin 3 ( CALM3 )
• calmodulin 1 pseudogen 1 ( CALM1P1 )
• Calmodulin-lignende 3 ( CALML3 )
• Calmodulin-lignende 4 ( CALML4 )
• Calmodulin-lignende 5 ( CALML5 )
• Calmodulin-lignende 6 ( CALML6 )

Andre calciumbindende proteiner

Calmodulin tilhører en af ​​de to hovedgrupper af calciumbindende proteiner, kaldet EF-håndproteiner . Den anden gruppe, kaldet annexiner , binder calcium og phospholipider såsom lipocortin . Mange andre proteiner binder calcium, selvom bindende calcium måske ikke betragtes som deres hovedfunktion i cellen.

Se også

• Proteopedia -side for Calmodulin og dens konformationsændring
• Proteinkinase
• Ca ²⁺ /calmodulin-afhængig proteinkinase

Referencer

eksterne links

• "Myelin-associeret glycoprotein" . Månedens molekyle . RCSB PDB. Juli 2020. Arkiveret fra originalen 2010-05-29 . Hentet 2021-06-19 .
• Nelson M, Chazin W. "Hjemmeside til Calmodulin" . EF-Hand Calcium-Binding Proteins Data Library . Vanderbilt University . Hentet 2008-03-22 .
• Ikura M (2000). "Calmodulin måldatabase" . Journal of Structural and Functional Genomics . Ontario Cancer Institute, University of Toronto. 1 (1): 8–14. doi : 10.1023/a: 1011320027914 . PMID  12836676 . S2CID  23097597 . Hentet 2008-03-22 .
• Calmodulin på US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
• InterPro :  IPR015754