3: Calcio en Sistemas Biológicos

II. Datos básicos sobre el calcio: sus compuestos y reacciones

1. Hechos Básicos

2. Fundamentos de la Química Ca ²⁺

III. Calcio en células vivas: métodos para determinar concentraciones y distribuciones espaciales

1. Mediciones de las concentraciones de calcio “libres”

   1. Microelectrodos selectivos de Ca ²⁺
   2. Bioluminiscencia
   3. Agentes complejantes con absorción de luz o fluorescencia dependiente de Ca ²⁺
   4. Agentes complejantes con espectros de RMN dependientes de Ca ²⁺

2. Mediciones de las concentraciones totales de calcio

   1. Sonda electrónica y técnicas de pérdida de energía de electrones
   2. Emisión de rayos X inducida por protones (PIXE)
   3. Microscopía Iónica

3. Resumen

Gran parte de nuestro conocimiento actual sobre el papel biológico del Ca ²⁺ se basa en mediciones detalladas de la concentración, distribución y naturaleza química del Ca ²⁺ y sus complejos. Las concentraciones de Ca ²⁺ no complejado o “libre” se pueden medir mediante microelectrodos selectivos de Ca ²⁺, bioluminiscencia y agentes complejantes con absorción de luz dependiente de Ca ²⁺, fluorescencia o espectros de RMN. Un resultado de tales estudios es que la concentración de Ca ²⁺ “libre” en células eucariotas en reposo generalmente es muy baja, del orden de 100 a 200 nM. Las concentraciones totales de Ca ²⁺, no complejadas y complejadas, se pueden medir mediante una variedad de técnicas físicas. Algunas técnicas, como la absorción atómica, son sensibles pero dan una mala resolución espacial. Otros implican el bombardeo de la muestra con electrones o átomos cargados, y pueden producir resoluciones espaciales del orden de unos pocos nm; sin embargo, existe un compromiso entre detectabilidad y resolución

IV. El transporte y regulación de iones Ca ²⁺ en organismos superiores

1. Captación y secreción de Ca ²⁺

2. Transporte Intracelular Ca ²⁺

   1. \ (Ca^ {2+}\) Transporte” href=” /Estanterías/Química_inorgánica/Libro3A_Bioinorgánica_Química_ (Bertini_et_AL.) /03:_Calcium_en_biological_systems/3.07:_intracellular_calcium_ion_transport">The Ca ²⁺ -ATPasas
   2. El intercambiador Na ⁺ /Ca ²⁺ de la membrana plasmática
   3. Transporte Mitocondrial Ca ²⁺: Influencia
   4. Mitocondrial Ca ²⁺ Transporte: Eflujo
   5. Eflujo de Ca ²⁺ de tiendas no mitocondriales
   6. Otros canales de Ca ²⁺ activados por voltaje o activados por receptores

3. Inositol Trisfosfato y el Sistema Mensajero Ca ²⁺

4. Resumen

Los flujos de iones Ca ²⁺ y su regulación en organismos superiores, así como en microorganismos, dependen de varias proteínas de transporte además de procesos vesiculares y cerrados. Una clase importante de proteínas transportadoras son las Ca ²⁺ -ATPasas, que son particularmente abundantes en las células musculares. Estas proteínas translocan iones Ca ²⁺ contra grandes gradientes de actividad (o concentración) a través del gasto de ATP. El transporte de iones Ca ²⁺ contra gradientes de actividad a través de las membranas también se puede lograr mediante el transporte acoplado de otros iones, como Na ⁺, con un gradiente en la dirección opuesta.

Como resultado de algún estímulo externo —la acción de una hormona, por ejemplo— las concentraciones de iones Ca ²⁺ “libres” en el citoplasma de muchos tipos celulares pueden aumentar transitoriamente varios órdenes de magnitud. Este incremento resulta en gran medida de la liberación de Ca ²⁺ de las reservas intracelulares (ER, SR) en respuesta a la formación inicial de un nuevo tipo de mensajero, 1,4,5-IP ₃. La actividad de las proteínas transportadoras de Ca ²⁺ finalmente restaura los niveles de concentración de Ca ²⁺ a niveles de reposo. Esta secuencia de eventos forma la base del papel de Ca ²⁺ en la regulación de una amplia variedad de actividades celulares (ver Sección V).

\ (Ca^ {2+}\) -Procesos intracelulares regulados (Parte 1)” href=” /Estanterías/Química_inorgánica/Libro3A_Bioinorgánica_Chemistry_ (Bertini_et_al.) /03:_Calcium_en_biological_systems/3.11:_molecular_aspects_of_calcium_ion-regulated_intracularelled__Procesos_ (Parte_1) "> V. M Aspectos oleculares de procesos intracelulares regulados por Ca ²⁺

1. Calmodulina

2. Troponina C

3. Parvalbúmina y Calbindinas D _9K y D _28K

4. Proteína Sarcoplásmica de Unión a Calcio de Nereis diversicolor

5. Citoesqueleto de membrana y proteínas de unión a fosfolípidos

6. Proteasas dependientes de Ca ²⁺

7. Proteína quinasa C

8. Resumen

Muchos procesos biológicos diferentes en las células eucariotas están regulados por los niveles de concentración intracelular de Ca ²⁺. Ejemplos de tales procesos son la contracción muscular, los procesos de transporte, la división y crecimiento celular, las actividades enzimáticas y los procesos metabólicos. Un eslabón en esta cadena reguladora es un número de receptores intracelulares Ca ^{2 +} con afinidades Ca ^{2 +} tales que sus sitios de unión están en gran parte desocupados a niveles de concentración de Ca ²⁺ en reposo, pero están ocupados a niveles de Ca ²⁺ alcanzados como resultado de algún estímulo externo. Esta clase de receptores Ca ²⁺ a menudo se llama la “superfamilia de la calmodulina” e incluye a los miembros conocidos troponina C (regulación de la contracción muscular en el músculo estriado) y calmodulina (desempeñando un papel importante en la regulación de muchos procesos celulares). Las determinaciones de la secuencia de aminoácidos, así como los estudios de rayos X y RMN 2D ^1H han revelado una fuerte homología entre las proteínas reguladoras de unión a Ca ²⁺. Los sitios de unión a Ca ²⁺ se localizan en un bucle flanqueado por dos hélices, y los iones Ca ²⁺ se ligan con simetría bipiramidal aproximadamente octaédrica o pentagonal. Los ligandos son seis o siete átomos de oxígeno que son aportados por grupos carboxilato o hidroxilo de cadena lateral, carbonilos de cadena principal y moléculas de agua. Pares de estos sitios Ca ²⁺, en lugar de sitios individuales, parecen ser la unidad funcional, y una consecuencia común de su disposición es la unión cooperativa de Ca ²⁺. La unión de Ca ²⁺ a las proteínas receptoras intracelulares se acompaña de cambios estructurales que exponen parches hidrófobos en sus superficies, lo que les permite unirse a sus proteínas diana.

VI. Proteínas extracelulares de unión a Ca ²⁺

1. Unión de Ca ²⁺ en Algunas Enzimas Extracelulares

2. Resumen

En organismos superiores, la concentración de Ca ²⁺ en los fluidos extracelulares generalmente es considerablemente mayor que las concentraciones intracelulares. En los fluidos corporales de mamíferos, la concentración de Ca ²⁺ es típicamente del orden de unos pocos mM. Los niveles de concentración extracelular están altamente regulados y solo experimentan variaciones menores. Una consecuencia de estos altos niveles de Ca ²⁺ en los fluidos extracelulares es que la constante de unión necesita ser solo de 10 ³ a 10 ⁴ M ^-1 para que un sitio proteico esté altamente ocupado por Ca ²⁺. Varias enzimas extracelulares y activadores enzimáticos tienen uno o más iones Ca ²⁺ como partes integrales de sus estructuras. Algunos iones Ca ²⁺ están unidos a, o cerca de, la hendidura activa y pueden tomar parte en las reacciones enzimáticas (por ejemplo, fosfolipasa A ₂,\(\alpha\) -amilasa). En otras moléculas, por ejemplo, serina proteasas como la tripsina y la quimotripsina, el ion Ca ²⁺ no es esencial para la actividad enzimática, y puede desempeñar un papel más estructural. Los iones Ca ²⁺ están involucrados en la cascada de eventos enzimáticos que dan como resultado la coagulación de la sangre en mamíferos. Varias de las proteínas de este sistema contienen dos nuevos aminoácidos, el ácido\(\gamma\) carboxiglutámico (Gla) y el ácido\(\beta\) -hidroxiaspártico (Hya), los cuales se sospecha fuertemente que están involucrados como ligandos en la unión de Ca ²⁺. En presencia de iones Ca ²⁺, la protrombina y otras proteínas que contienen GLA se unirán a membranas celulares que contienen fosfolípidos ácidos, en particular, la membrana plaquetaria. Parece probable que los iones Ca ²⁺ formen un vínculo entre la proteína y la superficie de la membrana.

VII. Calcio en Tejidos Mineralizados

VIII. Proteínas de unión a Ca ²⁺ en microorganismos: la búsqueda de una calmodulina procariota

IX. Apéndices

1. Definición de términos bioquímicos

2. Código de una letra para residuos de aminoácidos

A—alanina, C-cisteína, D-aspartato, E-glutamato, F—fenilalanina, G—glicina, H—histidina, I-isoleucina, K—Iysina, L-Ieucina, M—metionina, N-asparagina, P-prolina, Q—glutamina, R—arginina, S-serina, T—treonina, V-valina, W—triptófano, Y—tirosina.

3. La actividad de una proteína de transporte

Esto se suele describir en términos del esquema clásico de Michaelis-Menten:

\[V (= transport\; rate) = V_{max} \cdotp \frac{[S]}{[S] + K_{m}},\]

donde [S] es la concentración del soluto a transportar y K _m = (k _-1 +k ₂) /k ₁ es la constante de Michaelis (dimensión “concentración”) para la reacción

\[E+S \xrightleftharpoons[k_{-1}]{k_{1}} ES \xrightarrow{k_{2}} R \ldotp\]

Aproximada como la relación recíproca entre las constantes de velocidad de encendido y disociación relevantes para el complejo soluto-proteína, 1/K _m = k _{1 /k-1} puede tomarse como un límite inferior de la afinidad de la proteína por el soluto.

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175. A los autores les gustaría expresar su cálido agradecimiento a los numerosos estudiantes, colegas y compañeros de trabajo que, durante la elaboración de este capítulo, han aportado comentarios útiles, preprints de trabajos inéditos, material de antecedentes para figuras, etc. Su aliento es muy apreciado. Un agradecimiento especial a los doctores R. J. P. Williams y G. B. Jameson, quienes leyeron críticamente y comentaron una versión temprana del capítulo.

Colaboradores y Atribuciones

• Sture Forsén (Universidad de Lund, Centro Químico, Química Física 2)
• Johan Kördel (Universidad de Lund, Centro Químico, Química Física 2)