kalmodulin - Calmodulin

kalmodulin
kalmodulin.png
Ca2 + bağlı Kalmodulin'in 3B yapısı ( PDB : 1OSA ​)
tanımlayıcılar
Sembol Kam
PDB 1OSA
UniProt P62158
Kalsiyum bağlayıcı EF el motifinin sarmal-ilmek-sarmal yapısı

Kalmoduline ( CaM ) (bir kısaltma cal cium- modüler ated prote olarak ) tüm ifade edilen bir çok-fonksiyonlu bir ara kalsiyum bağlayıcı haberci proteini ökaryotik hücreler . İkincil haberci Ca2 +' nın hücre içi hedefidir ve kalmodulin aktivasyonu için Ca2 +' nın bağlanması gereklidir. Ca2 +'ya bağlandıktan sonra kalmodulin , kinazlar veya fosfatazlar gibi çeşitli hedef proteinlerle etkileşimlerini değiştirerek bir kalsiyum sinyal iletim yolunun parçası olarak hareket eder .

Yapı

Kalmodulin, 148 amino asit uzunluğunda (16,7 kDa) olan küçük, yüksek oranda korunmuş bir proteindir. Protein, her biri küresel alanda iki tane olmak üzere toplam dört Ca2 + bağlanma bölgesi için esnek bir bağlayıcı bölge ile ayrılmış bir çift EF el motifi içeren yaklaşık olarak simetrik iki küresel alana (N- ve C- etki alanına) sahiptir. Ca2 + içermeyen durumda, dört EF elini oluşturan sarmallar kompakt bir yönelimde çöker ve merkezi bağlayıcı düzensizdir; Ca2 + -doymuş durumda, EF-el sarmalları birbirine kabaca dik bir açık oryantasyon benimser ve merkezi bağlayıcı kristal yapıda genişletilmiş bir alfa sarmalı oluşturur, ancak çözeltide büyük ölçüde düzensiz kalır. C-domeni, Ca2 + için N-alanından daha yüksek bir bağlanma afinitesine sahiptir .

Kalmodulin yapısal olarak dört EF-el motifi içeren başka bir Ca2 + bağlayıcı protein olan troponin C'ye oldukça benzerdir . Bununla birlikte, troponin C, N-terminalinde ek bir alfa sarmalı içerir ve yapısal olarak hedefi olan troponin I'e bağlıdır . Bu nedenle, kalmodulin ile aynı hedef tanıma çeşitliliğini sergilemez.

Kalmodulin'de esnekliğin önemi

Calmodulin'in muazzam bir dizi hedef proteini tanıma yeteneği, büyük ölçüde yapısal esnekliğinden kaynaklanmaktadır. Merkezi bağlayıcı alanın esnekliğine ek olarak, N- ve C alanları, Ca2 +'ya bağlı durumda açık-kapalı konformasyonel döngüye girer. Kalmodulin ayrıca büyük yapısal değişkenlik gösterir ve hedeflere bağlandığında önemli yapısal dalgalanmalara maruz kalır. Ayrıca, kalmodulin ve hedeflerinin çoğu arasındaki bağlanmanın ağırlıklı olarak hidrofobik doğası, geniş bir hedef protein dizileri yelpazesinin tanınmasına izin verir. Birlikte, bu özellikler, kalmodulin'in çeşitli CaM bağlayıcı dizi motifleri sergileyen yaklaşık 300 hedef proteini tanımasını sağlar.

mekanizma

Bu görüntüler kalmodulindeki konformasyonel değişiklikleri göstermektedir. Solda kalsiyumsuz kalmodulin ve sağda kalsiyumlu kalmodulin var. Hedef proteinleri bağlayan siteler kırmızı yıldızlarla gösterilir.
Ca 2+ -calmodulin C -terminal domeninin çözüm yapısı
Ca 2+ -kalmodulin N -terminal domeninin çözüm yapısı

EF-eller tarafından Ca2 +' nın bağlanması, hidrofobik hedef bağlama yüzeylerini açığa çıkaran N- ve C-domenlerinin açılmasına neden olur. Bu yüzeyler, tipik olarak 10-16 polar ve/veya bazik amino asitlerle ayrılmış hacimli hidrofobik amino asit gruplarından oluşan, hedef proteinler üzerindeki tamamlayıcı polar olmayan bölümlerle etkileşime girer. Kalmodulin'in esnek merkezi alanı, alternatif bağlanma modları bilinmesine rağmen, proteinin hedefinin etrafına sarılmasına izin verir. Miyozin hafif zincir kinazlar ve CaMKII gibi kalmodulin'in "kanonik" hedefleri sadece Ca2 + bağlı proteine ​​bağlanırken, NaV kanalları ve IQ-motif proteinleri gibi bazı proteinler de yokluğunda kalmodulin'e bağlanır. Ca2 + . Kalmodulin bağlanması, hedef proteinin işlevinde değişikliklere yol açan “karşılıklı olarak indüklenen uyum” yoluyla hedef proteinde konformasyonel yeniden düzenlemelere neden olur.

Kalmodulin tarafından kalsiyum bağlanması, kalmodulin'i monomerik (tek zincirli) bir kooperatif bağlayıcı proteinin alışılmadık bir örneği haline getiren önemli bir işbirliği sergiler . Ayrıca, hedef bağlama, kalmodulin'in Ca2 + iyonlarına bağlanma afinitesini değiştirir , bu da Ca2 + ve hedef bağlama etkileşimleri arasında karmaşık allosterik etkileşime izin verir . Hedef bağlamanın Ca2 + afinitesi üzerindeki bu etkisinin, küçük iletkenli Ca2 + ile aktive olan potasyum (SK) kanalları gibi kalmodulin'e yapısal olarak bağlı proteinlerin Ca2 + aktivasyonuna izin verdiğine inanılmaktadır .

Kalmodulin esas olarak bir Ca2 + bağlayıcı protein olarak çalışmasına rağmen , diğer metal iyonlarını da koordine eder. Örneğin, tipik hücre içi Mg2 + (0.5 - 1.0 mM) konsantrasyonlarının ve dinlenme halindeki Ca2 + (100 nM) konsantrasyonlarının varlığında , kalmodulin'in Ca2 + bağlanma bölgeleri en azından kısmen Mg2 + ile doyurulur . Bu Mg2 + , sinyal olayları tarafından üretilen daha yüksek Ca2 + konsantrasyonları ile yer değiştirir . Benzer şekilde, Ca2 +'nın kendisi, kalmodulin'in bağlayıcı cepleriyle Ca2 +' dan daha güçlü bir şekilde bağlantılı olan üç değerlikli lantanitler gibi diğer metal iyonları tarafından yer değiştirebilir . Bu tür iyonlar, kalmodulin yapısını bozmasına ve in vitro kıtlıklarından dolayı genellikle fizyolojik olarak uygun olmamasına rağmen, yine de kalmodulin yapısı ve işlevi habercileri olarak geniş bilimsel kullanım görmüşlerdir.

Hayvanlarda Rolü

Kalmodulin, iltihaplanma , metabolizma , apoptoz , düz kas kasılması, hücre içi hareket, kısa süreli ve uzun süreli bellek ve bağışıklık tepkisi gibi birçok önemli sürece aracılık eder . Kalsiyum , ilk uyaranlara yayılabilir bir ikinci haberci olarak hareket ederek hücre içi bir sinyal sistemine katılır . Bunu, çok sayıda enzim , iyon kanalları , aquaporinler ve diğer proteinler dahil olmak üzere hücredeki çeşitli hedefleri bağlayarak yapar . Kalmodulin birçok hücre tipinde eksprese edilir ve sitoplazma dahil olmak üzere organeller içinde veya plazma veya organel zarlarıyla ilişkili farklı hücre altı konumlarına sahip olabilir , ancak her zaman hücre içinde bulunur. Kalmodulin'in bağlandığı proteinlerin çoğu, kalsiyumu kendileri bağlayamaz ve kalmodulin'i bir kalsiyum sensörü ve sinyal dönüştürücü olarak kullanır. Kalmodulin ayrıca endoplazmik retikulum ve sarkoplazmik retikulumdaki kalsiyum depolarından da yararlanabilir . Kalmodulin, fosforilasyon , asetilasyon , metilasyon ve proteolitik bölünme gibi translasyon sonrası modifikasyonlara uğrayabilir ve bunların her biri kendi eylemlerini modüle etme potansiyeline sahiptir.

Özel örnekler

Düz kas kasılmasında rol

MLC kinazdan bir peptite bağlanan kalmodulin ( PDB : 2LV6 )

Kalmodulin, uyarma kasılması (EC) eşleşmesinde ve düz kasta çapraz köprü döngüsünün başlamasında önemli bir rol oynar ve sonuçta düz kas kasılmasına neden olur. Düz kasın kasılmasını aktive etmek için miyozin hafif zincirinin başının fosforile olması gerekir. Bu fosforilasyon, miyozin hafif zincir (MLC) kinaz tarafından yapılır . Bu MLC kinazı, kalsiyum ile bağlandığında bir kalmodulin tarafından aktive edilir, böylece kalmodulin bağlanması ve MLC kinazın aktivasyonu yoluyla kalsiyumun varlığına bağlı olarak düz kas kasılmasını sağlar.

Kalmodulin'in kas kasılmasını etkilemesinin bir başka yolu, Ca2 +'nın hem hücre hem de sarkoplazmik retikulum membranları boyunca hareketini kontrol etmektir . Ca + 2 kanal gibi, riyanodin reseptörü sarkoplazmik retikulum, bu şekilde hücre içinde kalsiyum toplam düzeylerini etkileyen, kalsiyum bağlanmış kalmodulin tarafından inhibe edilebilir. Kalsiyum pompaları, kalsiyumu sitoplazmadan alır veya endoplazmik retikulumda depolar ve bu kontrol, birçok aşağı akış sürecini düzenlemeye yardımcı olur.

Bu, kalmodulin'in çok önemli bir işlevidir, çünkü sindirim ve atardamarların kasılması (kanın dağıtılmasına ve kan basıncının düzenlenmesine yardımcı olan) gibi düz kas kasılmasından etkilenen her fizyolojik süreçte dolaylı olarak rol oynar .

Metabolizmadaki rolü

Kalmoduline aktivasyonunda önemli bir rol oynar fosforilaz kinaz sonunda yol açar, glikoz gelen parçalanabilen glikojen ile glikojen fosforilaz .

Kalmodulin ayrıca Kalsitonin'i etkileyerek lipid metabolizmasında önemli bir rol oynar . Kalsitonin, kan Ca2 + seviyelerini düşüren ve cAMP oluşumuna yol açan G protein kaskadlarını aktive eden bir polipeptit hormonudur . Kalsitoninin etkileri, kalmodulin etkilerini inhibe ederek bloke edilebilir, bu da kalmodulin'in kalsitonin aktivasyonunda çok önemli bir rol oynadığını düşündürür.

Kısa süreli ve uzun süreli bellekteki rolü

Ca2 + /kalmodulin-bağımlı protein kinaz II (CaMKII) , kalsiyum/kalmodulin varlığını gerektiren, uzun süreli güçlenme (LTP) olarak bilinen bir tür sinaptik plastisitede çok önemli bir rol oynar . CaMKII , AMPA reseptörlerinin duyarlılığını artıran bir AMPA reseptörünün fosforilasyonuna katkıda bulunur . Ayrıca araştırmalar, CaMKII'yi inhibe etmenin LTP'ye müdahale ettiğini göstermektedir.

Bitkilerdeki rolü

Sorgum bitkisi sıcaklığa duyarlı genler içerir. Bu genler bitkinin sıcak ve kuru ortamlar gibi aşırı hava koşullarına uyum sağlamasına yardımcı olur .

Mayalar sadece tek bir CaM genine sahipken, bitkiler ve omurgalılar evrimsel olarak korunmuş bir CaM gen formu içerir. Ca2 + sinyallemesinde bitkiler ve hayvanlar arasındaki fark, bitkilerin evrimsel olarak korunan forma ek olarak geniş bir CaM ailesini içermesidir. Kalmodulinler, bitki gelişiminde ve çevresel uyaranlara adaptasyonda önemli bir rol oynar.

Kalsiyum, hücre duvarının yapısal bütünlüğünde ve hücrenin zar sisteminde kilit rol oynar. Ancak, yüksek kalsiyum seviyeleri bu nedenle, Ca, bir bitkinin hücresel enerji metabolizmasının için toksik olabilir ve 2 + sitosolik Ca kaldırarak sitosolunda konsantrasyonu submikromolar seviyede muhafaza 2+ birine apoplast ya da hücre içi organellerin lümeni . Artan giriş ve çıkış nedeniyle oluşturulan Ca2 + atımları, hormonlar, ışık, yerçekimi, abiyotik stres faktörleri ve ayrıca patojenlerle etkileşimler gibi dış uyaranlara yanıt olarak hücresel sinyaller gibi davranır.

KML'ler (CaM ile ilgili proteinler)

Bitkiler, tipik CaM proteinlerinden ayrı olarak CaM ile ilgili proteinler (CML'ler) içerir. CML'ler, tipik CaM'ler ile yaklaşık %15 amino asit benzerliğine sahiptir. Arabidopsis thaliana , yaklaşık 50 farklı CML geni içerir ve bu, bu çeşitli proteinlerin hücresel işlevde hangi amaca hizmet ettiği sorusuna yol açar. Bütün bitki türleri bu çeşitliliği KML genlerinde gösterir. Farklı CaM'ler ve CML'ler, CaM tarafından düzenlenen enzimleri in vivo bağlama ve aktive etme afinitelerinde farklılık gösterir . CaM veya CML'lerin de farklı organel bölmelerinde yer aldığı bulunmuştur.

Bitki büyümesi ve gelişimi

İn Arabidopsis, protein DWF1 büyümesi için gerekli olan bitkilerde brassinosteroidlerin, steroid hormonlar biyosentezinde bir enzimatik rol oynar. CaM ve DWF1 arasında bir etkileşim meydana gelir ve DWF1'in CaM'yi bağlayamaması bitkilerde düzenli bir büyüme fenotipi üretemez. Bu nedenle CaM, bitki büyümesinde DWF1 işlevi için gereklidir.

CaM bağlayıcı proteinlerin ayrıca bitkilerde üreme gelişimini düzenlediği bilinmektedir. Örneğin, tütündeki CaM bağlayıcı protein kinaz, çiçeklenmenin negatif düzenleyicisi olarak görev yapar. Bununla birlikte, bu CaM bağlayıcı protein kinaz, tütünün sürgün apikal meristeminde de mevcuttur ve bu kinazların meristemdeki yüksek konsantrasyonu, bitkide çiçeklenmeye geç geçişe neden olur.

S- lokus reseptör kinaz (SRK), CaM ile etkileşime giren başka bir protein kinazdır. SRK, Brassica'daki polen-pistil etkileşimlerinde yer alan kendi kendine uyumsuzluk tepkilerinde rol oynar .

Arabidopsis'teki CaM hedefleri de polen gelişimi ve gübreleme ile ilgilidir. Polen tüpünün büyümesi için Ca2 + taşıyıcıları gereklidir . Bu nedenle, döllenme işlemi sırasında uzama için polen tüpünün tepesinde sabit bir Ca2 + gradyanı korunur. Benzer şekilde, CaM, birincil rolünün polen tüpünün büyümesinin yönlendirilmesini içerdiği polen tüpünün tepesinde de gereklidir.

Mikroplarla etkileşim

nodül oluşumu

Baklagillerde nodül oluşumunda Ca 2+ önemli derecede önemli bir rol oynar. Azot, bitkilerde ve birçok baklagilde gerekli olan temel bir elementtir, azotu bağımsız olarak sabitleyemez, azotu amonyağa indirgeyen azot sabitleyici bakterilerle simbiyotik olarak eşleşir. Bu baklagil- Rhizobium etkileşimi, Rhizobium bakterileri tarafından üretilen Nod faktörünü gerektirir . Nod faktörü baklagillerde nodül oluşumunda katılan kök saç hücreleri tarafından kabul edilmektedir. Değişken nitelikteki Ca2 + tepkileri, Nod faktörünün tanınmasına dahil olmak üzere karakterize edilir. Kök kıllarının ucunda başlangıçta bir Ca2 + akışı vardır, ardından sitozolde Ca2 + 'nın tekrarlayan salınımı ve ayrıca çekirdeğin çevresinde Ca2 + sıçraması meydana gelir. DMI3, Ca2 + sivri imzasının akış aşağısında Nod faktörü sinyalleme işlevleri için temel bir gen , Ca2 + imzasını tanıyor olabilir . Ayrıca, Medicago ve Lotus'daki birkaç CaM ve CML geni , nodüllerde eksprese edilir.

patojen savunması

Bitkilerin patojenlere karşı kullandığı çeşitli savunma stratejileri arasında, Ca2 + sinyali giderek daha yaygın hale gelmektedir. Patojenik bir enfeksiyona yanıt olarak sitoplazmadaki serbest Ca2 + seviyeleri artar. Bu nitelikteki Ca2 + imzaları genellikle savunma ile ilgili genleri ve aşırı duyarlı hücre ölümünü indükleyerek bitki savunma sistemini aktive eder. CaM'ler, CML'ler ve CaM bağlayıcı proteinler, bitki savunma sinyal yollarının yakın zamanda tanımlanmış unsurlarından bazılarıdır. Tütün , fasulye ve domatesteki birkaç CML geni patojenlere karşı duyarlıdır. CML43, gen ekspresyon analizi için Arabidopsis'in hastalığa dirençli yapraklarındaki APR134 geninden izole edildiği gibi, yapraklar Pseudomonas syringae ile aşılandığında hızla indüklenen CaM ile ilgili bir proteindir . Bu genler ayrıca domateslerde ( Solanum lycopersicum ) bulunur. APR134'ten gelen CML43 ayrıca in vitro olarak Ca2 + iyonlarına bağlanır , bu da CML43 ve APR134'ün dolayısıyla bakteriyel patojenlere karşı bitki bağışıklık tepkisi sırasında Ca2 +'ya bağlı sinyalleşmeye dahil olduğunu gösterir . Arabidopsis thaliana'daki CML9 ekspresyonu, fitopatojenik bakteriler, flagellin ve salisilik asit tarafından hızla indüklenir . Transgenik tütün ve Arabidopsis'te soya fasulyesi SCaM4 ve SCaM5'in ekspresyonu, patojen direnci ile ilgili genlerin aktivasyonuna neden olur ve ayrıca geniş bir patojen enfeksiyonu spektrumuna karşı artan direnç ile sonuçlanır. Aynı durum, yüksek oranda korunmuş CaM izoformları olan soya fasulyesi SCaM1 ve SCaM2 için geçerli değildir. 'De BAG6 proteini CaM bağlayıcı bir proteindir sadece Ca yokluğunda CAM'a bağlanır 2+ olup bunun varlığında gerçekleştirilir. At BAG6 patojen enfeksiyonun yayılmasını önlemek veya patojen büyümesini sınırlamak amacıyla programlanmış hücre ölümünün aşırı hassas tepki sorumludur. CaM bağlayıcı proteinlerdeki mutasyonlar, bitkilerin patojen enfeksiyonlarına karşı savunma tepkisi üzerinde ciddi etkilere yol açabilir. Döngüsel nükleotid kapılı kanallar (CNGC'ler), Ca2 + gibi iki değerli katyonları taşıyan örtüşen CaM bağlanma bölgelerine sahip olan plazma zarındaki fonksiyonel protein kanallarıdır . Bununla birlikte, bitki savunması için bu yolda CNGC'lerin konumlandırılmasının kesin rolü hala belirsizdir.

Bitkilerde abiyotik stres tepkisi

Hücre içi Ca2 + seviyelerindeki değişiklik, mekanik uyaranlara, ozmotik ve tuz tedavilerine ve soğuk ve sıcak şoklarına karşı çeşitli tepkiler için bir imza olarak kullanılır. Farklı kök hücre tipleri , ozmotik ve tuz streslerine farklı bir Ca2 + tepkisi gösterir ve bu, Ca2 + modellerinin hücresel özgüllüklerini gösterir . Dış strese yanıt olarak CaM, L- glutamatın GABA'ya dönüşümünü katalize eden glutamat dekarboksilazı (GAD) aktive eder . GABA sentezi üzerinde sıkı bir kontrol bitki gelişimi için önemlidir ve bu nedenle artan GABA seviyeleri bitki gelişimini esasen etkileyebilir. Bu nedenle, dış stres bitki büyümesini ve gelişimini etkileyebilir ve CaM bu etkiyi kontrol eden yolakta yer alır.

Bitki örnekleri

sorgum

Sorgum bitkisi iyi kurulmuş bir model organizmadır ve sıcak ve kuru ortamlara uyum sağlayabilir. Bu nedenle kalmodulin'in bitkilerdeki rolünü incelemek için bir model olarak kullanılmaktadır. Sorgum, glisin açısından zengin bir RNA bağlayıcı protein olan SbGRBP'yi ifade eden fideler içerir . Bu özel protein, bir stres etkeni olarak ısı kullanılarak modüle edilebilir. Hücre çekirdeğindeki ve sitozoldeki benzersiz konumu, Ca2 + kullanımını gerektiren kalmodulin ile etkileşimi gösterir . Bitkiyi çok yönlü stres koşullarına maruz bırakarak, bitki hücrelerinin çevresel değişiklikleri tolere etmesini sağlayan farklı proteinlerin bastırılmasına neden olabilir. Bu modüle edilmiş stres proteinlerinin CaM ile etkileşime girdiği gösterilmiştir. Sorgumda ifade edilen CaMBP genleri , ısı ve kuraklık stresine toleransı araştırmak için bir "model ürün" olarak tasvir edilmiştir .

Arabidopsis

Bir Arabidopsis thaliana çalışmasında, yüzlerce farklı protein, bitkilerde CaM'ye bağlanma olasılığını göstermiştir.

Aile üyeleri

Diğer kalsiyum bağlayıcı proteinler

Kalmodulin, EF el proteinleri olarak adlandırılan iki ana kalsiyum bağlayıcı protein grubundan birine aittir . Anneksinler adı verilen diğer grup, kalsiyum ve lipokortin gibi fosfolipitleri bağlar . Diğer birçok protein kalsiyumu bağlar, ancak kalsiyum bağlayıcı hücredeki temel işlevleri olarak kabul edilmeyebilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar