De complexe cellulaire en fysiologische processen in levende organismen vereisen fijn afgestemde regulatie op moleculair niveau om het aanpassingsvermogen van bijvoorbeeld een dier of plant aan zijn leefgebied te verzekeren. Daartoe talrijk moleculen bestaan die ingrijpen in processen zoals celcommunicatie, metabolisme of celdeling. Een van deze moleculen is het eiwit calmoduline, dat met behulp van calcium, beïnvloedt de functie van vele andere biologisch actieve stoffen eiwitten.
Wat is calmodulin?
Calmodulin is een intracellulair regulerend eiwit dat bindt calcium ionen. Op basis van zijn structuur behoort het tot de groep van EF-hand eiwitten De vorm van calmodulin, die bestaat uit 148 aminozuren en is 6.5 nm lang, lijkt op een halter. Het moleculaire massa van dit eiwitmolecuul is ongeveer 17 kDa. Vanwege zijn biologische functie bij signaaltransductie in cellen, kan calmoduline ook worden geclassificeerd als een tweede boodschapper, dwz een secundaire boodschapper die zelf niet enzymatisch actief is. In de twee bolvormige domeinen van het eiwit zijn er twee helix-loop-helix-motieven elk op een afstand van 1.1 nm, waaraan in totaal vier calcium ionen kunnen worden gebonden. Deze structuur wordt een EF-hand genoemd. De EF-handstructuren zijn verbonden door waterstof bindingen tussen de antiparallelle bètavellen van calmoduline.
Functie, actie en rollen
Calmodulin heeft drie tot vier gebonden calciumionen per molecuul nodig om actief te zijn. Wanneer geactiveerd, is het gevormde calcium-calmodulinecomplex betrokken bij de regulatie van een verscheidenheid aan receptoren, enzymenen ionenkanalen met een breed scala aan functies. Onder de enzymen gereguleerd zijn het fosfatase calcineurine, dat een belangrijke rol speelt bij de regulatie van de immuunrespons, en het endotheel stikstofoxide synthase (eNOS), dat NO produceert, dat onder andere verantwoordelijk is voor de ontspanning van gladde spieren en dus voor de verwijding van bloed schepen Bovendien wordt bij lage calciumconcentraties adenylaatcyclase (AC) geactiveerd, terwijl bij hoge calciumconcentraties zijn enzymatische tegenhanger, fosfodiësterase (PDE), wordt geactiveerd. Aldus wordt een tijdelijke opeenvolging van regulerende mechanismen bereikt: aanvankelijk initieert AC een signaleringsroute via de productie van cyclisch AMP (cAMP); later wordt dit pad weer uitgeschakeld door zijn tegenhanger PDE via cAMP-degradatie. Het regulerende effect van calmoduline op proteïnekinasen zoals CaM kinase II of myosine lichte keten kinase (MLCK) is echter bijzonder goed bekend en zal hieronder in detail worden besproken. CAMKII kan een fosfaat residu aan diverse eiwitten en daardoor invloed uitoefenen energiemetabolisme, permeabiliteit voor ionen en het vrijkomen van neurotransmitters uit cellen. CAMKII is in bijzonder hoge concentraties aanwezig in de hersenen, waar het wordt verondersteld een belangrijke rol te spelen in neuronale plasticiteit, dwz alle leren processen. Maar ook bij bewegingsprocessen is calmodulin onmisbaar. In de rusttoestand, de concentratie van calciumionen in een spiercel is erg laag en calmoduline is daarom inactief. Wanneer de spiercel echter wordt geëxciteerd, stroomt calcium het celplasma binnen en bezet het de vier bindingsplaatsen op calmoduline als een cofactor. Dit kan nu myosine lichte keten kinase activeren, wat resulteert in een verschuiving van de contractiele vezels in de cel, waardoor spiercontractie mogelijk wordt. Andere minder bekend enzymen onder invloed van calmoduline omvatten guanylaatcyclase, Ca-Mg-ATPase en fosfolipase A2.
Vorming, voorkomen, eigenschappen en optimale niveaus
Calmoduline wordt aangetroffen in alle eukaryoten, waaronder alle planten, dieren, schimmels en de groep amoeboïde organismen. Omdat het calmodulinemolecuul in deze organismen meestal relatief vergelijkbaar qua structuur is, kan worden aangenomen dat het een in de ontwikkeling oud eiwit is dat vroeg in de evolutie is ontstaan. Calmoduline is in de regel in relatief grote hoeveelheden aanwezig in het plasma van een cel. In het cytosol van zenuwcellen is bijvoorbeeld het gebruikelijk concentratie is ongeveer 30-50 μM, of 0.03-0.05 mol / L. Het eiwit wordt gevormd in de context van transcriptie en translatie door middel van de CALM gen, waarvan er tot op heden drie allelen bekend zijn, genaamd CALM-1, CALM-2 en CALM-3.
Ziekten en aandoeningen
Er zijn enkele chemische stoffen die een remmend effect kunnen uitoefenen op calmoduline en daarom bekend staan als calmodulinemmers. In de meeste gevallen is hun remmende werking gebaseerd op het feit dat ze calcium uit de cel transporteren en het dus onttrekken aan calmoduline, dat dan alleen aanwezig in inactieve toestand. Deze remmende stoffen zijn bijvoorbeeld W-7. Bovendien is er wat fenothiazine psychotrope geneesmiddelen remmen calmoduline. Zo breed als de regulerende functies van calmoduline zijn, zo divers zijn de denkbare defecten en aandoeningen wanneer het eiwit niet langer kan worden geactiveerd door de cofactor calcium en dus de gereguleerde doelenzymen op hun beurt minder actief zijn. Een gebrekkige activering van CAMKII kan bijvoorbeeld resulteren in een beperking van neuronale plasticiteit, die de basis vormt voor leren processen. Een verminderde activering van MLCK schaadt de spiercontractie, wat kan leiden bewegingsstoornissen. Een lagere activering van het enzym calcineurine als gevolg van calmoduline-deficiëntie zou de immuunrespons van het lichaam beïnvloeden, en een lagere activering van eNO's zou leiden om NO-concentraties te verlagen. Dit laatste veroorzaakt vooral problemen waar stikstofoxide is anders bedoeld om ongewenste bloed stollen en verwijden schepen met het oog op een betere doorbloeding. Op dit punt moet echter ook worden vermeld dat de calciumsensor frequenin onder bepaalde omstandigheden de biologische functies van calmoduline kan overnemen en zo het molecuul kan vervangen.
