Ionii i canalele ionice

Canalele i transportul Ca de la nivelul reticulului edoplasmatic i mitocondrial

5

Universitatea de Medicin i Farmacie Gr. T. Popa Iai

Facultatea de Medicin Dentar

Disciplina Fiziopatologie

Canalele i transportul Ca de la nivelul reticulului edoplasmatic i mitocondrial

Student:

DUMITRU Alina

Grupa 16

Anul II

- IAI 2004 -

Ca2+ i canalele de Ca2+

Modificrile [Ca2+]i acioneaz ca un mesager intracelular n multe celule, att n cele excitabile electric (celulele musculare, nervoase i o parte din cele secretorii), ct i n cele ne-excitabile (celulele parenchimatoase ale ficatului sau leucocitele). Exemple de rspunsuri celulare mediate de modificri ale [Ca2+]i sunt: contraciile muchiului neted i striat, glicogenoliza, secreia proteinelor i ionilor, modificarea formei celulare, cretere (proliferare celular), transport ionic i fertilizare. Creterea [Ca2+]i modific activitile protein kinazelor dependente de Ca2+ i ale altor proteine int prin legarea la situsurile de legare ale Ca2+ de pe aceste enzime sau proteine.

Creterea [Ca2+]i indus de agonist se face pe seama a dou surse: reticulul endoplasmic (sau reticulul sarcoplasmic) i lichidul extracelular. In plus fa de reglarea proceselor din spaiul citoplasmatic, modificrile concentraiei Ca2+ n matricea mitocondrial ([Ca2+]m) contribuie la reglarea activitii enzimelor sensibile la Ca2+ din acest compartiment. Aceste modificri ale [Ca2+]m sunt induse de alterrile corespunztoare ale [Ca2+]i.

Capacitatea Ca2+ de a forma complexe specifice cu anumite proteine, proteinele ce leag Ca2+, reprezint substratul funcionrii sale ca mesager intracelular. Aceasta implic formarea unui complex coordinativ ntre Ca2+ i opt atomi de oxigen, dintre care apte sunt pui la dispoziie de resturile aminoacide. Mg2+, Na+ i K+, mult mai concentrai n spaiul intracelular, nu pot forma astfel de complexe specifice.

Una dintre cele mai surprinztoare caracteristici ale homeostaziei Ca2+ n celulele mamiferelor este marea diferen de gradient ntre spaiul extracelular i spaiul citoplasmatic. [Ca2+]i este de aproximativ 0,1 M n timp ce concentraia Ca2+ liber n fluidul interstiial este mai mare de l mM. Astfel, raportul concentraiilor de Ca2+ ntre exteriorul i interiorul celulei este de 10.000:1. Valoarea mic a [Ca2+]i reflect specificitatea i marea afinitate a proteinelor reglatoare ce leag Ca2+, precum i a transportatorilor de Ca2+. n plus, o valoare aa de mic a [Ca2+]i previne precipitarea fosfatului de Ca2+ n spaiul citoplasmatic.

Mai mult chiar, o cantitate mult mai redus de energie este necesar pentru a reversa o cretere a [Ca2+]i de 5-10 ori, atunci cnd concentraia iniial este mic.

Toate tipurile de celule conin dou depozite intracelulare majore de Ca+: reticulul endoplasmic i mitocondria. Membrana plasmatic, membranele reticulului endoplasmic/sarcoplasmic i membrana intern mitocondrial posed fiecare cel puin cte un tip de transportor de Ca+ i un tip de canal de Ca2+. Acestea permit deplasarea Ca2+ n direcii opuse prin aceeai membran, dar i un control de finee al concentraiilor i fluxurilor de Ca2+.

Canalele de Ca2+ i transportorii din membrana plasmatic au dou roluri majore, n primul rnd, menin gradientul de Ca2+ ntre exteriorul i interiorul celulei i, n al doilea rnd, asigur controlul de lung durat al nivelului total al Ca2+ din celul, n plus, acestea contribuie la ndeprtarea Ca2+ din spaiul citoplasmatic n momentul terminrii aciunii agonistului.

Ca2+ stocat n reticulul endoplasmic/sarcoplasmic este utilizat pentru creterea rapid iniial a [Ca2+]i indus de agonist. In timp ce activitatea depozitelor intracelulare de Ca2+ este limitat de capacitatea de stocare, spaiul extracelular constituie o surs de Ca2+ i o zon de deversare practic nelimitate. Valoarea aparent a KM pentru Ca2+ a (Ca2+,Mg2+) ATPazei reticulului endoplasmic/sarcoplasmic, de aproximativ 0,2 M, este asemntoare valorii aparente a KM pentru Ca2+ a (Ca2+,Mg2+) ATPazei membranei plasmatice. Aceasta nseamn c cele dou tipuri de ATPaz sunt primordial responsabile de meninerea [Ca2+]i la valoarea bazal de aproximativ O, l M.

Cantitatea total a Ca2+ i concentraia Ca2+ liber n matricea mitocondrial sunt strns controlate de [Ca2+]i i transportorii i canalele de Ca2+ mitocondriale. In contrast cu reticulul endoplasmic/sarcoplasmic, mitocondria nu reprezint o surs de cretere a [Ca2+]i indui de agoniti. Totui, Ca2+ se deplaseaz nspre matricea mitocondriala cnd [Ca2+ ]i crete i nspre spaiul citoplasmatic atunci cnd [Ca2+]i scade. Chiar dac afinitatea transportorului de Ca2+ mitocondrial pentru Ca2+ este mult mai redus dect cea a transportorului reticululit endoplasmic/sarcoplasmic, mitocondria prezint o capacitate de stocare a Ca2+ mult mai mare. Aceast capacitate este utilizat n condiii fiziologice n care [Ca2+]i este crescut pentru perioade prelungite de timp, dar i n condiii patologice, n care deplasarea Ca + nspre spaiul citoplasmatic din fluidul extracelular este crescut ca urmare a lezrii membranei plasmatice. Componentele spaiului citoplasmatic care leag Ca2+ includ proteinele de legare ale Ca2+, alte proteine prezente n citoplasm sau n membrane, fosfolipidele membranare, metaboliii (de exemplu ATP i citratul) i ionii anorganici (de exemplu HPO43-). Ca2+ nelegat este definit ca i Ca2+ liber (forma ionizat liber) n timp ce Ca2+ ce formeaz un complex ionic cu un situs de legare anionic (din cele menionate) este definit ca i Ca2+ legat.

Majoritatea Ca2+, prezent n spaiul citoplasmatic i n lumenul organitelor precum reticulul endoplasmic/sarcoplasmic i mitocondriei, se gsete n form legat. In spaiul citoplasmatic, concentraia [Ca2+]i este estimat a fi ntre 0,1 i l % din totalul Ca2+ prezent n acest spaiu, n mod asemntor, nivelul Ca2+ liber prezent n matricea mitocondrial i n lumenul reticulului endoplasmic sau sarcoplasmic reprezint o fraciune redus a Ca2+ total prezent n aceste organite.

Canalele i transportorii de Ca2+ de la nivelul reticulului endoplasmic/sarcoplasmic

Reeaua reticular a reticulului endoplasmic neted i rugos i a reticulului sarcoplasmic reprezint un sistem prin intermediul cruia [Ca2+]i poate fi modificat n apropierea situsurilor intracelulare la nivelul crora este necesar modificarea [Ca2+]i pentru reglarea enzimelor int. Astfel, distana intracelular de difuzie a Ca2+ ntre locul de eliberare i situsul de aciune este mult redus prin prezena reticulului endoplasmic i sarcoplasmic. O serie de experimente realizate cu celule musculare netede au sugerat c reticulul endoplasmic neted reprezint o magistral prin care Ca2+ extracelular se poate deplasa ctre situsurile interne celulare, fr a intra prin spaiul intracitoplasmatic. In celulele musculare scheletice, tubulii T, o extensie a membranei plasmatice, realizeaz aceast funcie.

Un alt avantaj pentru celule, datorat stocrii Ca2+ n reticulul endoplasmic/sarcoplasmic, este reprezentat de consumul mult mai redus de energie necesar transportului Ca2+ din spaiul citoplasmatic ctre acesta, comparativ cu transportul Ca2+ ctre spaiul extracelular mpotriva gradientului mare de Ca2+ transmembranar.

(Ca2+, Mg2+) ATPazele reticulului endoplasmic/ sarcoplasmic

S-au descris dou izoforme ale (Ca2+,Mg2+) ATPazei reticulului endoplasmic i sarcoplasmic. O izoform este prezent predominat n muchiul cardiac i fibrele lente, iar a doua n muchiul neted i n cele mai multe tipuri celulare. Totui, unele tipuri celulare, precum neuronii, conin ambele izoforme. Cele dou izoforme sunt generate prin combinarea alternativ a ARN-ului transcripionat. Ca2+ este stocat n lumen sub forma unui complex cu proteinele specifice de legare ale Ca2+. In reticulul sarcoplasmic al muchiului scheletic proteina majoritar de legare a Ca2"1" este calsechestrina.

Spre deosebire de (Ca2+,Mg2+) ATPaza din sarcolem, (Ca2+, Mg2+) ATPaza reticulului sarcoplasmic induce un transport electrogenic al Ca2+. (Ca2+,Mg2+) ATPaza reticulului sarcoplasmic reprezint 70 % din totalitatea proteinelor reticulului.

n timp ce [Ca2+]i este parametrul principal ce regleaz activitatea (Ca2+,Mg2+) ATPazei reticulului endoplasmic i sarcoplasmic, un mecanism reglator adiional este prezent n reticulul sarcoplasmic. Acesta este reprezentat de interaciunea (Ca2+,Mg2+)ATPazei cu o protein membranar mic, integral, numit fosfolamban, amfipatic. O molecul de fosfolamban corespunde fiecrei molecule de (Ca2+,Mg2+) ATPaz. Fosforilarea fosfolambanului, fie de ctre PKA, fie de ctre o protein kinaz specific, dependent de complexul Ca2+/calmodulin, induce activarea (Ca2+,Mg2+)ATPazei i deci creterea ratei de transport a Ca2+ la o valoare dat a [Ca2+]i.

Canalele de Ca2+ ale reticulului endoplasmic/ sarcoplasmic

n multe tipuri celulare s-a descris un flux redus al Ca2+ din lumenul reticulului endoplasmic sau sarcoplasmic ctre spaiul citoplasmatic n absena unui agonist extracelular. Acest flux de Ca2+ este foarte mult crescut prin aciunea unui agonist corespunztor. Efluxul Ca2+ din reticulul sarcoplasmic n celulele scheletice i cardiace i din reticulul endoplasmic n alte celule, ca rspuns la aciunea unui agonist la nivelul membranei plasmatice, este un proces rapid. Aceasta nseamn c efluxul Ca2+ din aceste organite se realizeaz prin canale care asociaz o mare capacitate de transport pentru Ca2+. S-au descris cel puin dou tipuri de canale pentru Ca2+ la acest nivel: canalele de Ca2+ sensibile la 1P3 ale reticulului endoplasmic i canalele de Ca2+ ale reticulului sarcoplasmic din celulele musculare scheletice i cardiace. Canalele de Ca 2+ ale reticulului sarcoplasmic sunt cunoscute i ca protein picior joncional sau receptor rianodinic. Exist o omologie considerabil ntre regiuni ale canalelor de Ca2+ din reticulul sarcoplasmic i canalele de Ca2+ sensibile la IP3. Canalele de Ca2+ ale reticulului sarcoplasmic sunt localizate n cisternele terminale ale reticulului.

Canalele i transportorii canalelor de Ca2+ de la nivel mitocondrial

Membrana mitocondrial intern este selectiv permeabil pentru Ca2+ i ali cationi i anioni, n timp ce membrana extern pare a fi permeabil total (neselectiv) pentru ioni i metabolii. Termenul de uniport pentru canalele de Ca2+ este utilizat pentru a descrie calea prin care Ca2+ este transportat din spaiul citoplasmatic ctre matricea mitocondrial. Transferul ncrcturii Ca2+ nu este direct compensat de co-transportul unui anion sau schimbul Ca2+ cu un alt cation, astfel nct deplasarea Ca2+ cu ajutorul uniportului este electrogenic. Energia necesar transportului mpotriva gradientului de concentraie deriv din potenialul membranar i din gradientul de pH transmembranar de la nivelul membranei mitocondriale interne. Astfel, captarea Ca2+ n matricea mitocondrial nu implic o (Ca2+,Mg2+) ATPaz.

Transportul Ca2+ din matrice ctre spaiul citoplasmatic este facilitat de un sistem de schimb ionic (Na+/Ca2+) sau (H+/Ca2+). In mitocondriile celulelor musculare miocardice i celulelor sistemului nervos central predomin sistemul de schimb (Na+/Ca2+). In mitocondriile hepatocitelor procesul major de eflux al Ca2+ pare a fi realizat de schimbtorul de ioni (H+/Ca2+). Transportul a trei ioni de Na+ sau mai multor H+ la schimb cu Ca2+ este mai mult dect compensator pentru transferul ncrcrii Ca2+.

BIBLIOGRAFIE

Costuleanu, Marcel Comunicarea intracelularFundamente fiziopatologice, Editura Cantes, Iai 2002