Homeostaza wapnia w komórce zwierzęcej w zarysie

Transkrypt

1 Homeostaza wapnia w komórce zwierzęcej w zarysie Streszczenie Jony wapnia są wszechstronnym i uniwersalnym przekaźnikiem sygnału uczestniczącym w regulacji niemal wszystkich procesów życiowych komórki. Z drugiej strony nadmierny wzrost ich stężenia w komórce może być przyczyną jej nieodwracalnych uszkodzeń. Dlatego zmiany stężenia jonów wapnia w różnych przedziałach komórkowych muszą podlegać precyzyjnej kontroli. Odbywa się to przy udziale białek umożliwiających przemieszczanie się Ca 2+ przez błony biologiczne, zarówno zgodnie, jak i wbrew gradientowi stężenia oraz ich przejściowe wiązanie i magazynowanie, a także dekodujących sygnał wapniowy. Celem niniejszego artykułu jest zwięzłe przedstawienie podstawowych mechanizmów komórkowych umożliwiających zachowanie prawidłowej wewnątrzkomórkowej homeostazy wapnia. WPROWADZENIE Jony wapnia są kluczowym przekaźnikiem sygnału w komórce uczestniczącym w regulacji niemal wszystkich procesów życiowych na każdym szczeblu drzewa filogenetycznego. Innymi słowy, są przekaźnikiem uniwersalnym i wszechstronnym [1]. Takie lub podobne stwierdzenia spotyka się w wielu opracowaniach dotyczących homeostazy wapniowej w komórce i są one tak oczywiste, że mogą wydawać się nie warte omawiania w kolejnej pracy przeglądowej. Z drugiej strony, badania naukowe ciągle dostarczają nowych informacji i ukazują nowe aspekty metabolizmu wapniowego, zarówno w warunkach normy, jak i patologii. Pojawiają się nowe dowody na to, że rozregulowanie homeostazy wapniowej w komórce może prowadzić do poważnych zaburzeń, nie tylko dotyczących metabolizmu energetycznego, uszkodzenia mitochondriów i ostatecznie do śmierci komórki na drodze apoptozy lub nekrozy, ale także może być przyczyną poważnych patologii, np. związanych z układem odpornościowym. Odkrycia te dodatkowo podkreślają to, że stężenie jonów wapnia w różnych przedziałach komórkowych oraz jego zmiany pod wpływem różnych czynników modulujących funkcjonowanie komórki muszą podlegać precyzyjnej kontroli. Wymaga to udziału wielu narzędzi molekularnych, umożliwiających przemieszczanie się Ca 2+ przez błony biologiczne. Także wiązanie jonów wapnia przez odpowiednie białka i magazynowanie ich w wyspecjalizowanych strukturach komórkowych należy do repertuaru komórkowych metod utrzymywania homeostazy i regulacji sygnalizacji wapniowej. Krzysztof Zabłocki * Joanna Bandorowicz-Pikuła Instytut Biologii Doświadczalnej im. Marcelego Nenckiego Polskiej Akademii Nauk, Warszawa * Zakład Biochemii, Instytut Biologii Doświadczalnej im. Marcelego Nenckiego PAN, ul. Pasteura 3, Warszawa; tel.: (22) , k.zablocki@nencki.gov.pl Artykuł otrzymano 21 listopada 2012 r. Artykuł zaakceptowano 26 listopada 2012 r. Słowa kluczowe: jony wapnia, homeostaza wapniowa, komórka zwierzęca, regulacja Wykaz skrótów: CICR (ang. calcium-induced calcium release) zjawisko polegające na uwalnianiu Ca 2+ z siateczki śródplazmatycznej w odpowiedzi na zwiększone stężenia Ca 2+ w cytosolu; ER (ang. endoplasmic reticulum) siateczka śródplazmatyczna; NCX (ang. sodium- -calcium exchanger) wymiennik sodowo- -wapniowy; PMCA (ang. plasma membrane calcium ATPase) pompa wapniowa błony plazmatycznej; SERCA (ang. sarco/endo reticular calcium ATPase) pompa wapniowa siateczki śródplazmatycznej; SOC (ang. store-operated calcium channel) kanał wapniowy aktywowany w wyniku opróżnienia wewnątrzkomórkowych magazynów wapnia W tym wstępnym, dla cyklu prac przeglądowych opublikowanych w niniejszym zeszycie Postępów Biochemii, artykule zebrane są podstawowe informacje i pojęcia dotyczące homeostazy wapnia w komórce zwierzęcej. Jego celem jest wprowadzenie w tę skomplikowaną tematykę i przez to ułatwienie czytania następnych, bardziej szczegółowych artykułów, dotyczących wybranych zagadnień biologii komórki i przedstawiających najnowsze poglądy dotyczące sygnalizacji wapniowej. Wydaje się, że pierwszym pytaniem, jakie należy postawić analizując wewnątrzkomórkową homeostazę wapnia, jest to, dlaczego właśnie jony wapnia, a nie inne jony pozornie podobnego pierwiastka, np. magnezu, mają tak wielkie znaczenie w komórce? Dlaczego wapń? Niezwykłe znaczenie jonów wapnia w komórce jest, co oczywiste, związane z jego szczególnymi właściwościami. Wśród nich jest większa niż innych jonów reaktywność w stosunku do składników komórki. Wynika to z dużej liczby koordynacyjnej Ca 2+ i większej elastyczności tworzenia wiązań koordynacyjnych czyli często nieregularnej geometrii tworzenia oddziaływań koordynacyjnych. Powodem jest też tendencja Ca 2+ do reagowania z różnymi związkami wielkocząsteczkowymi, głównie z białkami (zwłaszcza z ato- Postępy Biochemii 58 (4)

2 mami tlenu reszt karboksylowych reszt kwaśnych aminokwasów), a także szybka kinetyka tych oddziaływań. Inne jony dwuwartościowe nie spełniają tych warunków albo ze względu na ich wysoką toksyczność (jak Pb 2+ lub Cd 2+ ), albo ze względu na występowanie w dużo mniejszych stężeniach (np. Sr 2+ i Mn 2+ ), co stawia je na przegranej pozycji we współzawodnictwie z jonami wapnia [2]. Z drugiej jednak strony wysoka reaktywność jonów wapnia sprawia, że po przekroczeniu krytycznego stężenia są dla komórki niebezpieczne. Jest to związane z łatwością z jaką Ca 2+ oddziałuje zarówno ze związkami wielko-, jak i drobnocząsteczkowymi. W warunkach wysokiego stężenia Ca 2+ powoduje to zmniejszenie się rozpuszczalności białek i kwasów nukleinowych prowadząc do ich wypadania z roztworu. Co więcej, jony wapnia reagują z jonami fosforanowymi, czego skutkiem jest powstawanie trudno rozpuszczalnych kryształów hydroksyapatytu. W świecie, w którym stężenie fosforanów jest wysokie, a metabolizm komórek jest w znacznej mierze oparty o reakcje fosforylacji i tworzenie fosforanów związków organicznych, powstawanie nierozpuszczalnych soli będące nieuchronnym skutkiem pojawienia się Ca 2+ w stężeniu przekraczającym dopuszczalną granicę wyznaczoną iloczynem rozpuszczalności soli miałoby wysoce niekorzystne następstwa [2]. Właśnie ta chemiczna właściwość jonów wapnia wydaje się mieć kluczowe znaczenie ewolucyjne, a komórki, na wszystkich etapach rozwoju filogenetycznego, muszą sobie radzić z nadmiarem wapnia, jako substancji szkodliwej. Jednocześnie precyzyjne wykorzystywanie Ca 2+ w tym zakresie stężeń, które nie wywołuje ujemnych skutków jest podstawą wielu procesów regulacyjnych, i w pewnym sensie jest dodatkową korzyścią wynikającą z obrony przed Ca 2+ jako substancją toksyczną. Kontrola stężenia jonów wapnia w komórce jest w ogólnym bilansie procesem energiochłonnym, więc jej rozchwianie z reguły prowadzi do nadmiernego wzrostu stężenia Ca 2+ i uszkodzeń komórki często prowadzących do jej unicestwienia. W początkowym okresie w historii życia na Ziemi wapń był uwięziony w skałach wulkanicznych i niedostępny dla pierwotnych organizmów. Po ostygnięciu planety, w następstwie szeregu procesów geofizycznych doszło do stopniowego uwalniania wapnia do środowiska wodnego, w którym rozwijało się życie. Skład jonowy wnętrza komórki jest w dużej mierze uzależniony od składu jonowego tego środowiska, zawierającego przede wszystkim jony sodu, jony chlorkowe oraz jony potasu, magnezu i wapnia. Ale proporcje stężeń pomiędzy poszczególnymi jonami we wnętrzu komórki i jej otoczeniu znacząco się różnią. Pojawienie się pierwszej komórki wiązało się z powstaniem pierwotnych mechanizmów segregujących jony, sprawiających, że roztwór zawarty w przestrzeni oddzielonej od środowiska błoną stanowiąca barierę przepuszczalności miał inny skład nie tylko w odniesieniu do substancji organicznych, ale także jonów nieorganicznych. Utrzymywanie takich różnic stężeń wymagało stałego wydatku energetycznego. Ze względu na wspomniane wcześniej niekorzystne dla komórek właściwości jonów wapnia, panujące w pierwotnym środowisku życia warunki stwarzały silną presję ewolucyjną w kierunku rozwoju mechanizmów jego usuwania z komórek i organizmów. Powstawaniu życia musiał towarzyszyć rozwój zdolności do obrony przed napływającymi do komórek jonami wapnia [3]. W efekcie stężenie jonów wapnia w cytosolu 1 przeciętnej, niepobudzonej komórki zwierzęcej osiąga bezpieczną wartość wynoszącą ok. 100 nm, co w warunkach 1 2 mm stężenia Ca 2+ panującego w przestrzeni pozakomórkowej oznacza różnicę czterech rzędów wielkości. Utworzony potencjał elektrochemiczny przeciwstawia się wypompowywaniu Ca 2+ z komórki i w istocie stanowi siłę wpychającą jony wapniowe z powrotem do wnętrza komórki. Jedynie duża wydajność systemów usuwających Ca 2+, ograniczona przepuszczalność błon plazmatycznych dla jonów i przede wszystkim obecność innych jonów, głównie Na +, K + i Cl -, których także nierównocenny rozkład w poprzek błony sprawia, że różnica potencjału elektrycznego na błonie plazmatycznej komórki wynosi mv (ujemny wewnątrz komórki), pozwalają na utrzymanie właściwej różnicy stężeń Ca 2+. Wydatek energetyczny komórki przeznaczony na utrzymanie równowagi jonowej jest bardzo wysoki, ale część tej energii, zmagazynowanej w postaci potencjału elektrochemicznego jonów, może być wykorzystana przez komórkę. Dotyczy to nie tylko jonów wapnia. Dzięki potencjałowi elektrochemicznemu jonów sodu oraz obecności jonoselektywnych kanałów błonowych możliwy jest szybki napływ Na + do wnętrza komórki. Jest to podstawą pobudliwości komórki opartej o depolaryzację błony plazmatycznej. W przypadku jonów wapnia ich szybki napływ do komórki ma kluczowe znaczenie sygnalizacyjne. Ze względu na to, że spoczynkowe stężenie Ca 2+ w cytosolu jest tak małe jego kilku- czy nawet kilkunastokrotne zwiększenie wymaga tylko niewielkiego napływu jonów wapnia do komórki i jest związane z nieznaczną zmianą osmotyczności środowiska wewnątrzkomórkowego. Uzyskanie takiej samej względnej zmiany stężenia jonów magnezu, których stężenie w cytosolu wynosi 0,5 0,7 mm jest niemożliwe, po pierwsze ze względu na przeciwny rozkład różnicy stężeń, co czyniło by ten proces energiochłonnym i powolnym. Ponadto ponad 10-krotny wzrost stężenia Mg 2+ (jak to ma miejsce w przypadku Ca 2+ ) wymagałby masywnego napływu tych jonów do komórki, co mogłoby powodować zburzenia osmotyczności i pęcznienie komórki [2,4]. Co więcej, duże stężenie jonów magnezu w stosunku do wartości stałych wiązania sprawia, że miejsca jego oddziaływania z białkami i innymi składnikami komórki są w znacznym stopniu wysycone, co istotnie ogranicza jego zastosowanie jako przekaźnika sygnału [2]. W przypadku jonów wapnia tak nie jest i zmiany stężenia Ca 2+ w cytosolu o jeden lub dwa rzędy wielkości powodują znaczące zmiany stopnia wysycenia białek tymi jonami, co ma ogromne znaczenie w sygnalizacji wewnątrzkomórkowej, polegającej w dużym stopniu na odwracalnym przyłączaniu Ca 2+ do wyspecjalizowanych białek. 1 W niniejszej pracy termin cytosol znaczy tyle co cytoplazma podstawowa, czyli cytoplazma pozbawiona wszelkich organelli obłonionych. W ścisłym znaczeniu terminem cytosol określa się frakcję rozpuszczalną komórki, po odwirowaniu jądra i organelli

3 Podsumowując tę część rozważań, szczególne właściwości jonów wapnia, które z jednej strony wymusiły stworzenie mechanizmów ochronnych, a z drugiej pozwoliły na ich wykorzystanie w bezpiecznym zakresie stężeń, tłumaczą dlaczego właśnie Ca 2+ a nie inne jony znajdujące się w środowisku mają tak wielkie znaczenie w życiu komórki. Utrzymanie właściwej homeostazy wapniowej i regulacja sygnałów opartych o zmiany stężenia Ca 2+ w cytosolu i w innych przedziałach komórki wymaga szerokiego spektrum narzędzi molekularnych [1]. Narzędzia molekularne w sygnalizacji wapniowej W warunkach normy w komórce eukariotycznej zmiany stężenia Ca 2+ są precyzyjnie regulowane w ściśle ustalonym zakresie, którego przekroczenie grozi poważnymi następstwami. W regulacji tej bierze udział szereg białek, których współdziałanie pozwala nie tylko na ochronę komórki przed toksycznością jonów wapnia, ale także na efektywne wykorzystywanie tych jonów jako regulatorów wielorakich procesów komórkowych począwszy od aktywacji enzymów i kontroli procesów metabolicznych, a skończywszy na przebudowie komórki, jej ruchu, podziałach i wielu innych [1]. Te molekularne narzędzia są bardzo zróżnicowane zarówno pod względem fizyko-chemicznego mechanizmu działania jak i pełnionej funkcji. Z punktu widzenia ochrony komórki przed nadmierną akumulacją wapnia w cytosolu szczególne znaczenie mają przede wszystkim te z nich, które usuwają Ca 2+ do przestrzeni pozakomórkowej. Jak już wcześniej wspomniano, przemieszczanie się jonu wbrew różnicy jego stężeń wymaga nakładu energii. W najprostszej sytuacji odbywa się to kosztem ATP, którego hydroliza katalizowana przez odpowiednie ATPazy jest sprzężona z transportem jonu. ATPazy te nazywane są pompami wapniowymi PMCA (ang. plasma membrane calcium ATPase). Nieco bardziej złożoną jest sytuacja, w której usuwanie jonów wapnia odbywa się kosztem potencjału elektrochemicznego innego jonu np. Na +. W warunkach normy stężenie Na + jest znacznie większe w środowisku pozakomórkowym niż wewnątrz komórki, a zatem jon sodowy ma naturalną tendencję do wnikania do cytosolu, czemu dodatkowo sprzyja różnica potencjałów elektrycznych w poprzek błony plazmatycznej komórki. Taką samą tendencję mają jony wapnia, ale budowa cząsteczkowa i mechanizm działania białka zwanego wymiennikiem sodowo-potasowym (NCX) jest taka, że przenoszone jednocześnie Na + i Ca 2+ mogą się przemieszczać tylko w przeciwnym kierunku. Decyduje o nim względna wartość potencjałów elektrochemicznych obu jonów oraz ładunek elektryczny na błonie, będący wypadkową niejednorodnej dystrybucji wszystkich rodzajów jonów znajdujących się w komórce i poza nią. Zaburzenie tego ładunku i wzrost stężenia Na + w cytosolu, co jest podstawą depolaryzacji np. komórki nerwowej sprawia, że kierunek transportu Ca 2+ zachodzącego z udziałem NCX może się zmienić. Powstawanie sygnału wapniowego polega na przejściowym wzroście stężenia jonów wapnia w cytosolu, a zatem pompy i wymienniki jonowe usuwające Ca 2+ do przestrzeni pozakomórkowej uczestniczą raczej w wyciszaniu tego sygnału niż jego wzbudzaniu. Usuwanie jonów wapnia do środowiska nie jest jedynym sposobem zmniejszania jego stężenia w cytosolu. Cechą komórek eukariotycznych jest występowanie różnych obłonionych organelli, w tym siateczki śródplazmatycznej wyspecjalizowanej w magazynowaniu wapnia. Funkcja wewnątrzkomórkowych magazynów wapniowych w siateczce plazmatycznej, jako ważnych elementów regulacji homeostazy i sygnalizacji wapniowej we współczesnych komórkach wyewoluowała zapewne z pierwotnych struktur zapobiegających przeładowaniu komórek toksycznym wapniem i w efekcie ich destrukcji [2]. W prawidłowej komórce stężenie jonów wapnia w siateczce śródplazmatycznej jest o około trzy rzędy wielkości większe niż w cytosolu, przy czym Ca 2+ (nie związany np. z białkami) stanowią jedynie niewielki ułamek całej zmagazynowanej puli wapnia. Różnica stężeń Ca 2+ w poprzek błon siateczki śródplazmatycznej jest utrzymywana przez pompę wapniową zwaną SERCA (ang. sarco/endo reticular calcium ATPase). Z punktu widzenia homeostazy wapniowej, pobudzenie komórki lub innymi słowy jej odpowiedź wapniowa polega w pewnym uproszczeniu na szybkim zwiększeniu stężenia Ca 2+ w cytosolu. Wapń ten pochodzi z dwóch źródeł: ze środowiska pozakomórkowego oraz z siateczki śródplazmatycznej. Jego przemieszczanie się do cytosolu jest możliwe dzięki różnym kanałom jonowym o regulowanym przewodnictwie. Proces ten jest tzw. dyfuzją ułatwioną, a jego znaczna szybkość i wypadkowy kierunek są wynikiem dużych różnic stężeń w poprzek błon utrzymywanych przez pompy i wymienniki jonowe. Wolne jony wapnia, to tylko niewielka część całej puli wapnia zmagazynowanego w komórce. Znakomita większość jest związana przede wszystkim z białkami wiążącymi wapń występującymi zarówno w siateczce śródplazmatycznej (np. kalsekwestryna i kalretikulina) jak i w cytosolu (np. parwalbumina). Cechą charakterystyczną tych białek jest ich duża pojemność buforowa, co oznacza, że jedna cząsteczka białka może przyłączyć wiele jonów wapnia. Ze względu na stosunkowo małe powinowactwo, stopień wysycenia tych białek wapniem zmienia się szybko w zależności od zmian stężenia Ca 2+ (w zakresie fizjologicznym) w danym przedziale komórkowym. Ma to istotne znaczenie w kształtowaniu sygnału wapniowego. Przejściowe magazynowanie jonów wapnia, bardziej precyzyjnie określane terminem buforowanie jest także funkcją mitochondriów. Mitochondria pobierają Ca 2+ kosztem potencjału błonowego (siły protonomotorycznej), a zatem ich działanie jako buforów wapniowych jest skorelowane ze stanem energetycznym komórek [5]. Co więcej, ze względu na stosunkowo małe powinowactwo białka transportującego Ca 2+ do macierzy mitochondrialnej w stosunku do tego jonu oraz obecność w błonie mitochondrialnej wymienników NCX stale i szybko usuwających Ca 2+ z mitochondriów sprawiają, że mitochondria mogą efektywnie akumulować jony wapnia w tych miejscach komórki, w których dochodzi do chwilowego wzrostu ich stężenia, powodując jego lokalne obniżenie. Postępy Biochemii 58 (4)

4 Rycina 1. Funkcjonalna organizacja sygnalizacji wapniowej w komórce zwierzęcej. Wyjaśnienia w tekście pracy. Rycinę przygotowano na podstawie [1], zmieniono. Rycina 2. Schemat sygnalizacji wapniowej w komórce zwierzęcej. Wyjaśnienia w tekście pracy. Rycinę przygotowano na podstawie [1], zmieniono. Jony wapnia są w mitochondriach wiązane przez białka buforujące lub wraz z jonami fosforanowym tworzą amorficzne fosforany [6]. Współistnienie wielu mechanizmów wpływających na stężenie jonów wapnia w cytosolu i w innych przedziałach komórkowych, różniących się powinowactwem do Ca 2+ oraz szybkością działania, sposobem aktywacji i mechanizmami regulacji swojej aktywności pozwala na kształtowanie odpowiedzi wapniowej komórki w sposób wysoce swoisty, zależny od rodzaju komórki oraz pobudzającego ją bodźca. Powstające sygnały wapniowe, różniące się intensywnością, lokalizacją, stopniem rozprzestrzeniania w komórce i częstotliwością występowania są dekodowane przez efektorowe białka wiążące jony wapnia, których sztandarowym, ale tylko jednym z bardzo wielu, przykładem jest kalmodulina. Współistnienie mechanizmów wzbudzania, wzmacniania, dekodowania i wreszcie wyciszania sygnałów wapniowych jest schematycznie przedstawione na rycinie 1. Zależny od jonów wapnia sposób regulacji aktywności tych procesów, a także regulacji ekspresji genów kodujących białka zaangażowane w utrzymywanie homeostazy wapniowej komórki sprawia, że sygnalizacja wapniowa podlega autoregulacji. Współzależności pomiędzy poszczególnymi elementami regulacji sygnałów wapniowych stanowią kolejny, wyższy stopień organizacji systemu powiązań nie tylko funkcjonalnych, ale także strukturalnych. Chociaż ogólna zasada wydaje się wspólna dla wszystkich komórek, istnieją znaczne różnice dotyczące udziału każdego z nich w czasie wzbudzania, wzmacniania, rozprzestrzeniania się i wygaszania sygnału wapniowego. Dokładne omówienie tych zagadnień nie jest tematem tego wstępnego artykułu, natomiast na rycinie 2 przedstawiono schematycznie takie zależności. W błonie komórkowej zaznaczono różne rodzaje kanałów wapniowych, w tym jako DV niektórych gruczołów wydzielania dokrewnego, kanały wapniowe, które są aktywowane wskutek depolaryzacji tej błony. Są one typowe dla komórek pobudliwych elektrycznie (np. komórek mięśni gładkich, mięśnia sercowego, neuronów, niektórych gruczołów wydzielania dokrewnego). Nieco inaczej jest w przypadku komórek mięśni szkieletowych, w których depolaryzacja błony plazmatycznej i aktywacja kanału zależnego od potencjału błonowego powoduje uwalnianie Ca 2+ z siateczki sarkoplazmatycznej, co umożliwia (przynajmniej przez kilka minut) kurczenie się komórki bez napływu Ca 2+ z zewnątrz. Inną 390

5 grupę stanowią kanały aktywowane ligandem, związane z tzw. receptorami jonotropowymi. Ich przykładami są kanały aktywowane glutaminianem (receptory NMDA) w ośrodkowym układzie nerwowym, albo występujące w wielu narządach kanały/receptory nukleotydowe P2X. Przyłączenie agonisty do takiego receptora powoduje otwarcie kanału jonowego w błonie plazmatycznej. Jeszcze inny rodzaj to kanały zależne od stymulacji receptorów metabotropowych znajdujących się na powierzchni komórki. Tworzą one bardzo liczną grupę, a ich otwarcie poprzedzają procesy metaboliczne prowadzące wytworzenia tzw. wtórnych przekaźników sygnału. Przykładem jest stymulowany agonistą szlak przemian prowadzący do aktywacji fosfolipazy C i powstania inozytolotrisfosforanu (IP 3 ) jako wtórnego przekaźnika sygnału powodującego uwolnienie Ca 2+ z siateczki śródplazmatycznej przez kanały wapniowe związane z receptorami aktywowanymi przez IP 3 (IP 3 R) [7]. W odpowiedzi tej uczestniczą często białka G, albo związane z receptorem kinazy białkowe katalizujące fosforylację reszt tyrozynowych (na schemacie RTK). Do tej kategorii należy na przykład kanał aktywowany pojemnościowo tzw. SOC (ang. store-operated calcium channel), którego otwarcie wymaga wcześniejszego opróżnienia magazynów wapniowych w siateczce śródplazmatycznej oraz kanały aktywowane kwasem arachidonowym uwalnianym z fosfolipidów, a także innymi ligandami powstającymi wewnątrz pobudzonej komórki. Aktywacja SOC i innych kanałów wapniowych w błonie plazmatycznej, poprzedzana uwolnieniem Ca 2+ z siateczki śródplazmatycznej, pozwala na wzmocnienie i przedłużenie tej pierwotnej odpowiedzi wapniowej [8]. Sam wzrost stężenia Ca 2+ w cytosolu może być czynnikiem aktywującym inne, występujące obok kanałów/ receptorów IP 3, receptory znajdujące się w siateczce śródplazmatycznej, zwane receptorami rianodynowymi. Ich nazwa pochodzi od rianodyny, alkaloidu roślinnego hamującego ich aktywność i uwalnianie jonów wapnia z siateczki śródplazmatycznej. Czynnikiem aktywującym receptory rianodynowe jest Ca 2+ zazwyczaj wnikający do komórek przez kanały zależne od potencjału błony plazmatycznej. Jest to mechanizm wzmacniający sygnał wapniowy, zwany jako CICR (ang. calcium-induced calcium release). Zarówno kanały/receptory IP 3 jak i kanały rianodynowe występują powszechnie w różnych typach komórek, przy czym na ogół w komórkach pobudliwych elektrycznie dominuje RyR, a w niepobudliwych IP 3 R. Mechanizmy prowadzące do wzrostu stężenia Ca 2+ w cytosolu ulegają zazwyczaj zwrotnej regulacji. Na przykład SOC jest hamowany wtedy, gdy stężenie jonów wapnia wzrasta w pobliżu błony plazmatycznej. Podobnie jony wapnia mogą aktywować lub zmieszać aktywność IP 3 R, w zależności od ich stężenia [9-11]. Na rycinie 2 oprócz mechanizmów zwiększających stężenia Ca 2+ w cytosolu pokazane są także narzędzia zmniejszania lub modulowania. Przede wszystkim są to pompy wapniowe SERCA i PMCA oraz wymiennik sodowo wapniowy NCX. Aktywność tych białek jest precyzyjnie regulowana między innymi przez jony wapnia; wzrost ich stężenia w cytosolu aktywuje systemy usuwające Ca 2+ z komórki lub do cystern siateczki śródplazmatycznej. W obu przypadkach ważnym czynnikiem decydującym o możliwości usuwania Ca 2+ z cytosolu jest dostępność ATP. Zaburzenie metabolizmu energetycznego komórki prowadzi do zaburzenia równowagi między wnikaniem Ca 2+ do komórek a jego energiochłonnym usuwaniem, co jest przyczyną nadmiernego wzrostu stężenia Ca 2+ w cytosolu i w efekcie uszkodzenia komórek, apoptozy lub nekrozy [12]. W mitochondriach, które, jak wspomniano wcześniej, spełniają funkcję buforującą w stosunku do Ca 2+, jony te aktywują oksydacyjną fosforylację. Umożliwiają zatem wydajne wytwarzanie ATP, którego duża część jest wykorzystywana do utrzymywania homeostazy jonowej, w tym do aktywnego transportu Ca 2+ przez błony [5]. Z drugiej strony, nadmierne zwiększenie stężenia Ca 2+ w cytosolu i w efekcie zbyt intensywne pobieranie jonów wapnia przez mitochondria może aktywować tzw. mitochondrialną ścieżkę apoptozy. Uważa się, że w procesie tym uczestniczą białka mitochondrialnego megakanału oraz cytochrom c i inne białka wydostające się z przestrzeni międzybłonowej mitochondriów [6,13]. Podobnie jak mitochondria także siateczka śródplazmatyczna nie jest jedynie biernym magazynem wapnia. Jego niedobór w ER może powodować tzw. stres retikularny związany z niewłaściwie przebiegającym dojrzewaniem białek i nadmiernym nagromadzaniem się białek niewłaściwie sfałdowanych. Natomiast nadmiar wapnia w siateczce śródplazmatycznej prowadzi do zbyt dużych wzrostów stężenia Ca 2+ w cytosolu w chwili pobudzenia komórki. W obu przypadkach może dojść do aktywacji apoptozy. Co więcej, istnieją przekonujące dane o bezpośrednim strukturalnym oddziaływaniu siateczki śródplazmatycznej z mitochondriami. Ma to kluczowe znaczenie dla regulacji opróżniania i uzupełniania zasobów magazynów wapniowych oraz ścisłej synchronizacji sygnalizacji wapniowej z metabolizmem energetycznym komórek. Podkreśla to spójność i całościowy charakter gospodarki wapniowej w komórce [14,15]. PODSUMOWANIE Jest oczywiste, że schematy przedstawione na rycinach ilustrują ogólny zarys zależności związanych z utrzymywaniem homeostazy i sygnalizacji wapniowej w sposób bardzo uproszczony i nie uwzględnia wszystkich aspektów omawianych zjawisk. Ich zadaniem, podobnie jak celem niniejszego krótkiego artykułu, jest wskazanie najważniejszych narzędzi komórkowych i ich funkcji w kontekście całościowej odpowiedzi wapniowej komórki. Jest to wstęp do bardziej szczegółowych rozważań. Piśmiennictwo 1. Berridge MJ, Lipp P, Bootman MD (2000) The versality and universality of calcium signaling. Nat Rev Mol Cell Biol 1: Jaiswal JK (2001) Calcium how and why? J Biosci 26: Case RM, Eisner D, Gurney A, Jones O, Muallem A, Verkhratsky A (2007) Evolution of valcium homeostasis: from birth of the first cell to an omniprescent signalling system. Cell Calcium 42: Postępy Biochemii 58 (4)

6 4. Romani A (2007) Regulation of magnesium homeostasis and transport in mammalian cells. Arch Biochem Biophys 458: Poburko D, Demaurex N (2012) Regulation of the mitochondrial proton gradient by cytosolic Ca² + signals. Pflugers Arch 464: Rizzuto R, De Stefani D, Raffaello A, Mammucari C (2012) Mitochondria as sensors and regulators of calcium signalling. Nat Rev Mol Cell Biol 13: Berridge MJ (2009) Inositol trisphosphate and calcium signalling mechanisms. Biochim Biophys Acta 1793: Parekh AB, Putney JW Jr (2005) Store-operated calcium channels. Physiol Rev 85: Parekh AB (2003) Store-operated Ca 2+ influx: dynamic interplay between endoplasmic reticulum, mitochondria and plasma membrane. J Physiol 547: Taylor CW, Tovey SC (2010) IP 3 receptors: toward understanding their activation. Cold Spring Harb Perspect Biol 2: a Lanner JT, Georgiou DK, Joshi AD, Hamilton SL (2010) Ryanodine receptors: structure, expression, molecular details, and function in calcium release. Cold Spring Harb Perspect Biol 2: a Brini M, Carafoli E (2009) Calcium pumps in health and disease. Physiol Rev 89: Giorgi C, Baldassari F, Bononi A, Bonora M, De Marchi E, Marchi S, Missiroli S, Patergnani S, Rimessi A, Suski JM, Wieckowski MR, Pinton P (2012) Mitochondrial Ca 2+ and apoptosis. Cell Calcium 52: Bononi A, Missiroli S, Poletti F, Suski JM, Agnoletto C, Bonora M, De Marchi E, Giorgi C, Marchi S, Patergnani S, Rimessi A, Wieckowski MR, Pinton P (2012) Mitochondria-associated membranes (MAMs) as hotspot Ca 2+ signaling units. Adv Exp Med Biol 740: Grimm S (2012) The ER-mitochondria interface: the social network of cell death. Biochim Biophys Acta 1823: Calcium homeostasis in the animal cell an outline Krzysztof Zabłocki *, Joanna Bandorowicz-Pikuła Department of Biochemistry, Nencki Institute of Experimental Biology, 3 Pasteur St., Warsaw, Poland * k.zablocki@nencki.gov.pl Key words: calcium ions, calcium homeostasis, animal cell, regulatory mechanisms ABSTRACT Calcium ions are universal and versatile intracellular signalling molecule which is involved in regulation of many cellular functions in all living cells throughout all animal species. It results from unique properties of Ca 2+ in comparison to other two- and monovalent cations commonly present inside and outside cells. On the other hand an excessive increase of intracellular Ca 2+ accumulation may exert toxic effect leading to cell death. Therefore calcium content in particular cellular compartment must be precisely regulated. All cells have a complex set of proteins which allow them to remove, store or take up Ca 2+ in very controlled manner. This article gives a concise survey of mechanisms involved cellular calcium homeostasis and signalling