Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetéseaz Európai Unió új társadalmi kihívásainaka Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni EgyetemenAzonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

A KALCIUM JEL

Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetéseaz Európai Unió új társadalmi kihívásainaka Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni EgyetemenAzonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Berki Tímea és Boldizsár FerencJelátvitel

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

A Ca2+ fiziológiás szerepe I.

• S. Ringer: Ca2+ jelenlétében a békaszív órákig megtartja aktivitását

• Locke: a Ca2+ eltávolítása gátolja a neuromuszkuláris transzmissziót

• Kamada és Kimoshita (1943): Ca2+ bevitele az izom rostokba a rostok összehúzódását eredményezi

• Otto Loewi: “Ca2+ ist alles.” (A Ca2+ minden.)• Ca2+ -a “második” másodlagos messenger

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

A Ca2+ fiziológiás szerepe II.

• 3 formában található a szervezetben:– Szabad – Kötött– Komplexek részeként (hidroxiapatit a kalcifikálódott

szövetekben pl. csontok, fogak) • Hiperkalcémia: csökken a neuromuszkuláris átvezetés, szívizom

diszfunkció, letargia• Hipokalcémia: a membránok ingerelékenysége ↑, tetániás

rohamok, halál[Ca2+] [Mg2+]

Plazma, extracelluláris folyadék

1-2mM 1mM

Intracelluláris citoplazmatikus

50-100nM 0,5-1mM

Intracelluláris raktár 30-300mM

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Citoplazmatikus Ca2+ alacsonyan tartása• Ca2+-ATPázok

– Plazma membrán– ER (SERCA)

• Na+/Ca2+ kicserélő– Plazma membrán

• Ionofórok: – lipid-oldékony, membrán-permeábilis ionhordozók– pl. A23187 (524kDa), ionomycin (709kDa)

Streptomyces-ből izolálták

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Az intracelluláris Ca2+ mérése

• Ca2+-szenzitív fotofehérjék: Aequorin (Aequoria victoria)– Ca2+-kötés esetén kék fényt emittál– Előbb célsejtbe kell mikroinjektálni (pl. óriás

tintahal axon)• Fluoreszcens indikátorok : Quin-2, Fura-2 (UV); Fluo-3

(látható fény)– Sejtszuszpenzió esetén használható – a kapott jel

az egyedi szinkronizálatlan események összességét mutatja

– Egy sejt vizsgálata – fluoreszcens/konfokális mikroszkóp

• Genetikailag tervezett indikátorok:– Aequorin- transzfektált sejtek– Kalmodulin- miozin könnyű lánc kináz-GFP

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Ca2+-csatornák az ER-ben

• Rianoidin receptor (RyR): 4x560kDa– Ingerelhető sejtekben (váz -és szívizom)– Modulátorok: Ca2+, ATP, kalmodulin, FKBP12

(immunofilin)• IP3 receptor (IP3R): 4x310kDa

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Ca2+-beáramlás plazma membrán csatornákon keresztül

• Feszültség-függő csatornák (VOCC)– Ideg- és izomsejtek– Depolarizáció hatására kinyílnak– L, N, P/Q, R és T típusú

• Receptor-függő csatornák (pl. Glutamát NMDA rec.)

• TRPM2 csatornák– ADP-ribóz aktiválja– Oxidatív stressz

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Az intra/extracelluláris Ca2+- jelátvitel kompartmentjei, Ca2+-csatornák

ERcsatorna

SERCApumpa

Ca2+-csatorna(ligand-függő)

Szolubilis Ca2+-szenzorfehérjék

NCX

Belső Ca2+ készlet (~100 nM)

Sejtmag

Ca2+ -csatorna(feszültség-függő)

Ca2+

Ca2+ -csatorna(Ca2+-raktár kiürülése

szabályozza)

Ca2+

Külső Ca2+

készlet (mM)

Ca2+

MNCX

Mitokondrium

Uniporter

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Endoplazmatikusretikulum

Ca2+

Ca2+

Ca2+

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Raktár-függő Ca2+-belépés (SOCE)Raktár-függő Ca2+-belépés = kapacitatív Ca2+ belépés (1986.)• Ha az intracelluláris raktárok készlete csökken, a plazma

membrán Ca2+ -csatornái kinyílnak– TRP (tranziens receptor potenciál) fehérjék– CRAC (Ca2+ felszabadulás aktiválta Ca2+ -áram) csatornák pl.

Orai 1 (33kDa)– STIM1 (77kDa): ER transzmembrán fehérjéje, Ca2+- szenzor

3 potenciális mechanizmus ami STIM1 aktivációhoz vezet:• Direkt interakció az ER és a plazma membrán között• STIM1 mozgása az ER-ból a plazma membránba• Szolubilis mediátor: CIF (Ca2+-influx faktor) (1993.)

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Foszfolipáz C (PLC)

Hormon

Receptor Plazma membrán

Citoplazma

IP3 megnyitja aCa2+ - csatornát

Simaizom endoplazmatikusretikulum lumene

IP3R

DAG PKCPTI

Ca2+

Ca2+Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

IP3

IP3

GTP

gba

G-fehérje

GTP

a PLC

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

A Ca2+-jel számos útvonal része

NFAT MEF2

CBP

p300

PHDAC

Ca2+

RAS

IP3

Src

DAG

Acetilkolin,Glutamát,Szerotonin,

ATP

Ligand-függő

csatorna

Depolarizáció/Feszültség

Feszültség függő

csatorna

DHPRCRAC

Növekedésifaktorok

RTK GPCR

Hormonok,Neurotranszmitterek

Hormonok,Neurotranszmitterek,Növekedési faktorok,

OzmolaritásFény, Szag, Íz

molekulák

TRPCTRPATRPV

PMCA NCX CNG

Hipertrófia

Gén expresszió

BCR TCR GPCR

ADP-ribóz,Arachidonsav,

Szfingozin

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

PIP2

PLCbPLCe

b g G14/15Gq/11

cAMP ATP

AC

GTPcGMP

GC

GC

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

IP3R

IP3R

IP3R

PMR1

RyR

RyR

RyR

Ca2+

Na+/H+

cserélő

PTP

Mitokondriálisuniporter

SERCA

Calm CamK-IV

Cain

Ca2+

NAADP

GI/0Gs,Golf,

Gt

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

cADPR

Sph

Ca2+

Ca2+

AntigénAntigén

CREB

PKC

Ca2+

Na+PIP2 PIP2PIP2

DAG DAG DAG

PLCg PLCd

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Ca2+ által szabályozott cél fehérjék I.Kalmodulin-függő:

• CaM kinázok

• EF2 kináz

• Foszforiláz kináz

• MLCK

• Kalcineurin→NFAT

• Plazma membrán Ca2+ ATPázok

• Adenilát cikláz

• Ciklikus nukleotid foszfodiészteráz

• MAP-2

• Tau

• Fodrin

• Neuromodulin

• NOS

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Ca2+ által szabályozott célfehérjék I.Kalmodulin-független:

• Kalpain (Ca2+-aktivált Cys proteáz)

• Szinaptotagmin – exocitózis

• DAG kináz – DAG inaktivációja

• Ras neuronális Ca2+ szenzorok

• GEFek és GAPek

• Citoszkeletális fehérjék a-aktinin, gelszolin

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

A Ca2+- jelátvitel effektor mechanizmusai

Kalmodulin

Ciklikus nukleotidmetabolizmus

Adenilát ciklázCiklikus nukleotidfoszfodiészteráz

Ca2+ transzport

Plazma membránCa2+ ATPáz

Fehérjedefoszforiláció

Kalcineurin

Citoszkeleton

MAP-2Tau

FodrinNeuromodulin

Nitrogén-monoxidképződés

Fehérjefoszforiláció

CaM kináz I,II és IVElongációs faktor-2 kináz

Foszforiláz kinázMiozin könnyű lánc kináz

Ca2+

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Ca2+ a fototranszdukcióban

Plazma membrán

Citoplazma

Rodopszin Rodopszin*

Na+

cGMP

Ca2+

Ca2+

K+

4 Na+

Ca2+

1 K+

cGMP-függő csatorna

Csatorna záródása

Transzducin Transzducin*

PDE PDE*

Foton

Rodopszin* PATP

RK

Na+ pumpához

cGMP GTP

Guanilátcikláz

Na+, Ca2+,K+ kicserélő

5’GTP cGMP