Calmodulina

La estructura helix-loop-helix del motivo de mano EF de unión de calcio

Calmodulina (CaM) (una abreviatura de calcium-modulinated protein) es una proteína mensajera de unión al calcio intermedia multifuncional expresada en todas las células eucariotas. Es una diana intracelular del mensajero secundario Ca2+, y se requiere la unión de Ca²⁺ para la activación de la calmodulina. Una vez unida a Ca²⁺, la calmodulina actúa como parte de una vía de transducción de señales de calcio al modificar sus interacciones con varias proteínas diana, como quinasas o fosfatasas.

Estructura

La calmodulina es una proteína pequeña altamente conservada que tiene 148 aminoácidos (16,7 kDa). La proteína tiene dos dominios globulares aproximadamente simétricos (los dominios N y C), cada uno de los cuales contiene un par de motivos de mano EF separados por una región conectora flexible para un total de cuatro sitios de unión Ca²⁺, dos en cada dominio globular. En el estado libre de Ca²⁺, las hélices que forman las cuatro manos EF están colapsadas en una orientación compacta y el enlazador central está desordenado; en el estado saturado de Ca²⁺, las hélices de la mano EF adoptan una orientación abierta aproximadamente perpendicular entre sí, y el enlazador central forma una hélice alfa extendida en la estructura cristalina, pero permanece en gran parte desordenada en solución. El dominio C tiene una mayor afinidad de unión por Ca²⁺ que el dominio N.

La calmodulina es estructuralmente bastante similar a la troponina C, otra proteína de unión a Ca²⁺ que contiene cuatro motivos de mano EF. Sin embargo, la troponina C contiene una hélice alfa adicional en su extremo N y está unida constitutivamente a su diana, la troponina I. Por lo tanto, no muestra la misma diversidad de reconocimiento de diana que la calmodulina.

Importancia de la flexibilidad en calmodulina

La capacidad de la calmodulina para reconocer una gran variedad de proteínas diana se debe en gran parte a su flexibilidad estructural. Además de la flexibilidad del dominio enlazador central, los dominios N y C experimentan un ciclo conformacional abierto-cerrado en el estado unido a Ca²⁺. La calmodulina también exhibe una gran variabilidad estructural y sufre fluctuaciones conformacionales considerables cuando se une a los objetivos. Además, la naturaleza predominantemente hidrófoba de la unión entre la calmodulina y la mayoría de sus dianas permite el reconocimiento de una amplia gama de secuencias de proteínas diana. Juntas, estas características permiten que la calmodulina reconozca unas 300 proteínas diana que exhiben una variedad de motivos de secuencia de unión a CaM.

Mecanismo

Estas imágenes muestran cambios conformacionales en la calmadulina. A la izquierda está la calmaodulina sin calcio y a la derecha la calmaodulina con calcio. Los sitios que unen las proteínas de destino son indicados por las estrellas rojas.

Estructura de la solución de Ca²⁺- Calmodulina C- Dominio terminal

Estructura de la solución de Ca²⁺- Calmodulina N- Dominio terminal

La unión de Ca²⁺ por las manos EF provoca una apertura de los dominios N y C, lo que expone las superficies hidrofóbicas de unión al objetivo. Estas superficies interactúan con segmentos no polares complementarios en proteínas diana, que generalmente consisten en grupos de aminoácidos hidrófobos voluminosos separados por 10 a 16 aminoácidos polares y/o básicos. El dominio central flexible de la calmodulina permite que la proteína se envuelva alrededor de su objetivo, aunque se conocen modos alternativos de unión. "Canónico" Los objetivos de la calmodulina, como las quinasas de cadena ligera de miosina y CaMKII, se unen solo a la proteína unida a Ca²⁺, mientras que algunas proteínas, como los canales de NaV y las proteínas con motivos IQ, también se unen a la calmodulina en ausencia de Ca²⁺. La unión de la calmodulina induce reordenamientos conformacionales en la proteína diana a través de un "ajuste mutuamente inducido", lo que conduce a cambios en la función de la proteína diana.

La unión de calcio por la calmodulina exhibe una cooperatividad considerable, lo que convierte a la calmodulina en un ejemplo inusual de una proteína de unión cooperativa monomérica (cadena única). Además, la unión al objetivo altera la afinidad de unión de la calmodulina hacia los iones Ca²⁺, lo que permite una interacción alostérica compleja entre el Ca²⁺ y las interacciones de unión al objetivo. Se cree que esta influencia de la unión al objetivo en la afinidad de Ca²⁺ permite la activación de Ca²⁺ de proteínas que están constitutivamente unidas a la calmodulina, como Ca²⁺-canales de potasio (SK) activados.

Aunque la calmodulina funciona principalmente como una proteína de unión a Ca²⁺, también coordina otros iones metálicos. Por ejemplo, en presencia de concentraciones intracelulares típicas de Mg²⁺ (0,5 – 1,0 mM) y concentraciones en reposo de Ca²⁺ (100 nM), la calmodulina' Los sitios de unión a Ca²⁺ están al menos parcialmente saturados por Mg²⁺. Este Mg²⁺ es desplazado por las mayores concentraciones de Ca²⁺ generadas por eventos de señalización. De manera similar, el Ca²⁺ puede ser desplazado por otros iones metálicos, como los lantánidos trivalentes, que se asocian con los bolsillos de unión de la calmodulina incluso con más fuerza que el Ca²⁺. Aunque dichos iones distorsionan la estructura de la calmodulina y, por lo general, no son fisiológicamente relevantes debido a su escasez in vitro, han tenido un amplio uso científico como indicadores de la estructura y función de la calmodulina.

Papel en los animales

La calmodulina interviene en muchos procesos cruciales, como la inflamación, el metabolismo, la apoptosis, la contracción del músculo liso, el movimiento intracelular, la memoria a corto y largo plazo y la respuesta inmunitaria. El calcio participa en un sistema de señalización intracelular al actuar como segundo mensajero difusible de los estímulos iniciales. Lo hace al unirse a varios objetivos en la célula, incluida una gran cantidad de enzimas, canales iónicos, acuaporinas y otras proteínas. La calmodulina se expresa en muchos tipos de células y puede tener diferentes ubicaciones subcelulares, incluido el citoplasma, dentro de los orgánulos o asociada con el plasma o las membranas de los orgánulos, pero siempre se encuentra intracelularmente. Muchas de las proteínas a las que se une la calmodulina no pueden unirse al calcio por sí mismas y utilizan la calmodulina como sensor de calcio y transductor de señales. La calmodulina también puede hacer uso de las reservas de calcio en el retículo endoplásmico y el retículo sarcoplásmico. La calmodulina puede sufrir modificaciones postraduccionales, como fosforilación, acetilación, metilación y escisión proteolítica, cada una de las cuales tiene potencial para modular sus acciones.

Ejemplos específicos

Papel en la contracción del músculo liso

Calmodulina atada a un péptido de la Kinase MLC (PDB: 2LV6)

La calmodulina juega un papel importante en el acoplamiento de excitación y contracción (EC) y el inicio del ciclo de puente cruzado en el músculo liso, lo que en última instancia provoca la contracción del músculo liso. Para activar la contracción del músculo liso, la cabeza de la cadena ligera de miosina debe fosforilarse. Esta fosforilación la realiza la quinasa de cadena ligera de miosina (MLC). Esta quinasa MLC es activada por una calmodulina cuando se une al calcio, haciendo que la contracción del músculo liso dependa de la presencia de calcio, a través de la unión de la calmodulina y la activación de la quinasa MLC.

Otra forma en que la calmodulina afecta la contracción muscular es controlando el movimiento de Ca²⁺ a través de las membranas celulares y del retículo sarcoplásmico. Los canales de Ca2+, como el receptor de rianodina del retículo sarcoplásmico, pueden ser inhibidos por la calmodulina unida al calcio, lo que afecta los niveles generales de calcio en la célula. Las bombas de calcio extraen calcio del citoplasma o lo almacenan en el retículo endoplásmico y este control ayuda a regular muchos procesos posteriores.

Esta es una función muy importante de la calmodulina porque desempeña un papel indirecto en todos los procesos fisiológicos que se ven afectados por la contracción del músculo liso, como la digestión y la contracción de las arterias (que ayuda a distribuir la sangre y regular la presión arterial).

Papel en el metabolismo

La calmodulina juega un papel importante en la activación de la fosforilasa quinasa, que en última instancia conduce a que la glucosa se escinda del glucógeno por la glucógeno fosforilasa.

La calmodulina también juega un papel importante en el metabolismo de los lípidos al afectar a la calcitonina. La calcitonina es una hormona polipeptídica que reduce los niveles de Ca²⁺ en la sangre y activa las cascadas de proteínas G que conducen a la generación de AMPc. Las acciones de la calcitonina se pueden bloquear al inhibir las acciones de la calmodulina, lo que sugiere que la calmodulina juega un papel crucial en la activación de la calcitonina.

Papel en la memoria a corto y largo plazo

La proteína quinasa II dependiente de Ca2+/calmodulina (CaMKII) juega un papel crucial en un tipo de plasticidad sináptica conocida como potenciación a largo plazo (LTP) que requiere la presencia de calcio/calmodulina. CaMKII contribuye a la fosforilación de un receptor AMPA que aumenta la sensibilidad de los receptores AMPA. Además, la investigación muestra que la inhibición de CaMKII interfiere con la LTP.

Papel en las plantas

La planta de sorgo contiene genes resistentes a la temperatura. Estos genes ayudan a la planta a adaptarse en condiciones climáticas extremas como ambientes calientes y secos.

Mientras que las levaduras tienen un solo gen CaM, las plantas y los vertebrados contienen una forma conservada evolutivamente de genes CaM. La diferencia entre plantas y animales en la señalización de Ca²⁺ es que las plantas contienen una familia extendida de CaM además de la forma conservada evolutivamente. Las calmodulinas juegan un papel fundamental en el desarrollo y adaptación de las plantas a los estímulos ambientales.

El calcio juega un papel clave en la integridad estructural de la pared celular y el sistema de membrana de la célula. Sin embargo, los niveles altos de calcio pueden ser tóxicos para el metabolismo energético celular de una planta y, por lo tanto, la concentración de Ca²⁺ en el citosol se mantiene a un nivel submicromolar al eliminar el Ca²⁺ al apoplasto o al lumen de los orgánulos intracelulares. Los pulsos de Ca²⁺ creados debido al aumento del flujo de entrada y salida actúan como señales celulares en respuesta a estímulos externos como hormonas, luz, gravedad, factores de estrés abiótico y también interacciones con patógenos.

CML (proteínas relacionadas con CaM)

Las plantas contienen proteínas relacionadas con CaM (CML) además de las proteínas CaM típicas. Los CML tienen aproximadamente un 15% de similitud de aminoácidos con los CaM típicos. Arabidopsis thaliana contiene alrededor de 50 genes diferentes de CML, lo que lleva a preguntarse cuál es el propósito de estas diversas gamas de proteínas en la función celular. Todas las especies de plantas exhiben esta diversidad en los genes CML. Las diferentes CaM y CML difieren en su afinidad para unirse y activar las enzimas reguladas por CaM in vivo. También se encuentra que la CaM o las CML están ubicadas en diferentes compartimentos de orgánulos.

Crecimiento y desarrollo de las plantas

En Arabidopsis, la proteína DWF1 juega un papel enzimático en la biosíntesis de brasinoesteroides, hormonas esteroides en las plantas que son necesarias para el crecimiento. Se produce una interacción entre CaM y DWF1, y DWF1, al no poder unirse a CaM, no puede producir un fenotipo de crecimiento regular en las plantas. Por lo tanto, CaM es esencial para la función de DWF1 en el crecimiento de las plantas.

También se sabe que las proteínas de unión a CaM regulan el desarrollo reproductivo en las plantas. Por ejemplo, la proteína quinasa de unión a CaM en el tabaco actúa como un regulador negativo de la floración. Sin embargo, estas proteínas quinasas de unión a CaM también están presentes en el meristema apical del brote del tabaco y una alta concentración de estas quinasas en el meristema provoca un retraso en la transición a la floración en la planta.

S (SRK) es otra proteína quinasa que interactúa con la CaM. SRK está involucrado en las respuestas de autoincompatibilidad involucradas en las interacciones polen-pistilo en Brassica.

Los objetivos de CaM en Arabidopsis también están involucrados en el desarrollo y la fertilización del polen. Los transportadores Ca²⁺ son esenciales para el crecimiento del tubo polínico. Por lo tanto, se mantiene un gradiente constante de Ca²⁺ en el vértice del tubo polínico para su elongación durante el proceso de fecundación. De manera similar, CaM también es esencial en el vértice del tubo polínico, donde su función principal consiste en guiar el crecimiento del tubo polínico.

Interacción con microbios

Formación de nódulos

Ca²⁺ juega un papel importante en la formación de nódulos en las leguminosas. El nitrógeno es un elemento esencial requerido en las plantas y muchas leguminosas, incapaces de fijar el nitrógeno de forma independiente, se emparejan simbióticamente con las bacterias fijadoras de nitrógeno que reducen el nitrógeno a amoníaco. Este establecimiento de interacción leguminosa-Rhizobium requiere el factor Nod que es producido por la bacteria Rhizobium. El factor Nod es reconocido por las células ciliadas de la raíz que están involucradas en la formación de nódulos en las leguminosas. Las respuestas Ca²⁺ de variada naturaleza se caracterizan por estar involucradas en el reconocimiento del factor Nod. Hay un flujo de Ca²⁺ en la punta del cabello de la raíz, seguido inicialmente por una oscilación repetitiva de Ca²⁺ en el citosol y también de Ca²⁺ pico se produce alrededor del nucleo. DMI3, un gen esencial para las funciones de señalización del factor Nod aguas abajo de la firma de aumento de Ca²⁺, podría estar reconociendo la firma de Ca²⁺. Además, varios genes CaM y CML en Medicago y Lotus se expresan en nódulos.

Defensa contra patógenos

Entre la amplia gama de estrategias de defensa que utilizan las plantas contra los patógenos, la señalización de Ca²⁺ es muy común. Los niveles de Ca²⁺ libre en el citoplasma aumentan en respuesta a una infección patógena. Las firmas Ca²⁺ de esta naturaleza suelen activar el sistema de defensa de la planta al inducir genes relacionados con la defensa y la muerte celular hipersensible. CaMs, CMLs y proteínas de unión a CaM son algunos de los elementos recientemente identificados de las vías de señalización de defensa de las plantas. Varios genes de CML en tabaco, frijol y tomate responden a patógenos. CML43 es una proteína relacionada con CaM que, aislada del gen APR134 en hojas resistentes a enfermedades de Arabidopsis para análisis de expresión génica, se induce rápidamente cuando las hojas se inoculan con Pseudomonas syringae. Estos genes también se encuentran en los tomates (Solanum lycopersicum). El CML43 de APR134 también se une a los iones Ca²⁺ in vitro, lo que muestra que CML43 y APR134 están, por lo tanto, involucrados en la señalización dependiente de Ca²⁺ durante la planta. respuesta inmune a patógenos bacterianos. La expresión de CML9 en Arabidopsis thaliana es rápidamente inducida por bacterias fitopatógenas, flagelina y ácido salicílico. La expresión de SCaM4 y SCaM5 de soja en tabaco y Arabidopsis transgénicos provoca una activación de genes relacionados con la resistencia a patógenos y también da como resultado una mayor resistencia a un amplio espectro de infecciones por patógenos. No ocurre lo mismo con SCaM1 y SCaM2 de soja, que son isoformas de CaM altamente conservadas. La proteína AtBAG6 es una proteína de unión a CaM que se une a CaM solo en ausencia de Ca²⁺ y no en presencia de este. AtBAG6 es responsable de la respuesta hipersensible de muerte celular programada para prevenir la propagación de infecciones por patógenos o para restringir el crecimiento de patógenos. Las mutaciones en las proteínas de unión a CaM pueden provocar efectos graves en la respuesta de defensa de las plantas frente a las infecciones por patógenos. Los canales controlados por nucleótidos cíclicos (CNGC) son canales de proteínas funcionales en la membrana plasmática que tienen sitios de unión de CaM superpuestos que transportan cationes divalentes como Ca²⁺. Sin embargo, el papel exacto del posicionamiento de los CNGC en esta vía para la defensa de las plantas aún no está claro.

Respuesta al estrés abiótico en las plantas

El cambio en los niveles intracelulares de Ca²⁺ se utiliza como firma para diversas respuestas a estímulos mecánicos, tratamientos osmóticos y salinos, y choques de frío y calor. Los diferentes tipos de células de la raíz muestran una respuesta diferente de Ca²⁺ al estrés osmótico y salino y esto implica las especificidades celulares de los patrones de Ca²⁺. En respuesta al estrés externo, CaM activa la glutamato descarboxilasa (GAD) que cataliza la conversión de L-glutamato a GABA. Un control estricto de la síntesis de GABA es importante para el desarrollo de la planta y, por lo tanto, los niveles elevados de GABA pueden afectar esencialmente el desarrollo de la planta. Por lo tanto, el estrés externo puede afectar el crecimiento y desarrollo de las plantas y las CaM están involucradas en esa vía que controla este efecto.

Ejemplos de plantas

Sorgo

La planta del sorgo es un organismo modelo bien establecido y puede adaptarse a ambientes cálidos y secos. Por este motivo, se utiliza como modelo para estudiar el papel de la calmodulina en las plantas. El sorgo contiene plántulas que expresan una proteína de unión a ARN rica en glicina, SbGRBP. Esta proteína en particular se puede modular utilizando el calor como factor estresante. Su ubicación única en el núcleo celular y el citosol demuestra una interacción con la calmodulina que requiere el uso de Ca²⁺. Al exponer la planta a condiciones de estrés versátiles, puede hacer que se repriman diferentes proteínas que permiten a las células de la planta tolerar los cambios ambientales. Se muestra que estas proteínas de estrés modulado interactúan con CaM. Los genes CaMBP expresados en el sorgo se representan como un "cultivo modelo" para investigar la tolerancia al estrés por calor y sequía.

Arabidopsis

En un estudio de Arabidopsis thaliana, cientos de proteínas diferentes demostraron la posibilidad de unirse a CaM en las plantas.

Miembros de la familia

• Calmodulina 1CALM1)
• Calmodulina 2CALM2)
• Calmodulina 3CALM3)
• calmodulina 1 pseudogene 1 (CALM1P1)
• Calmodulina como 3CALML3)
• Calmodulina como 4CALML4)
• Calmodulina-como 5CALML5)
• Calmodulina como 6CALML6)

Otras proteínas fijadoras de calcio

La calmodulina pertenece a uno de los dos grupos principales de proteínas de unión al calcio, denominadas proteínas de la mano EF. El otro grupo, llamado anexinas, une calcio y fosfolípidos como la lipocortina. Muchas otras proteínas se unen al calcio, aunque la unión del calcio puede no considerarse su función principal en la célula.