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Introduzione al canale del calcio

Il calcio è la sostanza di segnalazione più antica e diffusa nella cellula ed è coinvolto nella regolazione di quasi tutte le funzioni biologiche del corpo, come la contrazione cardiaca e muscolare, la trasmissione neuronale, l’apprendimento e la memoria, l’embriogenesi e lo sviluppo, la proliferazione e l’apoptosi cellulare, la divisione e la differenziazione cellulare, il metabolismo energetico cellulare, la modifica della fosforilazione e defosforilazione delle proteine, l’espressione e la regolazione genica. La concentrazione citoplasmatica dello ione calcio libero delle cellule dei mammiferi è generalmente controllata a 100-200 nmol/L. Il gradiente di concentrazione ripido ma strettamente controllato di ioni calcio tra la membrana cellulare e il citoplasma e gli organelli è mantenuto e regolato dinamicamente secondo le necessità delle cellule. Si basa su una varietà di canali ionici, pompe ioniche e trasportatori che lavorano insieme. Anche se le diverse cellule hanno diversi meccanismi specifici, le molecole coinvolte nel canale del calcio comprendono i canali ionici delle membrane cellulari e degli organelli (che mediano gli ioni di calcio nel citoplasma), i trasportatori delle membrane cellulari e degli organelli (compresi il trasporto attivo primario e il trasporto secondario), le proteine tampone del calcio citoplasmatiche e degli organelli (stoccaggio combinato degli ioni di calcio), ecc. Qualsiasi anomalia nei collegamenti può causare l’instabilità dell’omeostasi del calcio e causare malattie. La chiarificazione del meccanismo di regolazione del canale del calcio rivela uno dei collegamenti fondamentali dell’omeostasi del calcio e la regolazione dei processi vitali.

Il membro della famiglia del canale del calcio e le loro strutture rispettivamente

Il canale del calcio è un complesso proteico che fa fluire gli ioni di calcio tra l’interno e l’esterno della cellula e tra l’organello e il citoplasma. Le fonti di calcio intracellulare sono due tipi di afflusso di calcio extracellulare e di depositi di calcio intracellulare. L’ingresso del calcio extracellulare nella cellula può essere ottenuto attraverso i seguenti tre canali recettoriali: Cav channel, receptor-gated calcium channel, calcium reservoir controlling calcium channel, e il rilascio dei depositi di calcio intracellulari avviene principalmente attraverso 4 vie di canali recettoriali, cioè IP3R channel, ryanodine receptor channel, nicotinic acid adenine dinucleotide phosphate (NAADP) receptor channel, e mitochondrial receptor channel. Inoltre, il deflusso di calcio nel reticolo endoplasmatico causato da un aumento della concentrazione intracellulare di ioni calcio è chiamato rilascio di Ca2+ indotto. Il canale Cav sulla membrana delle cellule isletiche β e il canale IP3R, il canale RYR e il canale del recettore NAADP sulla libreria del calcio intracellulare sono i quattro principali canali recettoriali coinvolti nel processo di secrezione dell’insulina. L’afflusso di calcio extracellulare dell’isolotto β avviene principalmente attraverso il canale Cav. Secondo le caratteristiche elettrofisiologiche, i canali Cav possono essere divisi nei tipi L, P/Q, N, R e T, di cui i canali Cav di tipo L svolgono un ruolo decisivo nell’innescare la secrezione di insulina. Il canale Cav di solito consiste di 4 o 5 delle subunità α1, α2δ, β e γ. La subunità α1 è la subunità principale del canale Cav, che costituisce il canale di trasporto degli ioni calcio. Altre subunità non partecipano alla formazione del canale Cav, ma regolano l’apertura del canale della subunità α1 e sono quindi chiamate subunità ausiliarie. Tra queste, la subunità α2δ è legata da una subunità α2 glicosilata extracellulare e da una subunità δ transmembrana idrofoba attraverso un legame disolfuro. Inoltre, la subunità α2 ha un sito di legame per un antagonista dello ione calcio, e l’antagonista diidropiridinico dello ione calcio funziona principalmente legandosi alla subunità α2. IP3R è una glicoproteina con una massa molecolare relativa di circa 240000-300000. IP3R è diviso in tipo I-V, di cui il tipo I-III è espresso sulle cellule β delle isole, in particolare il tipo III è più abbondante. IP3R è distribuito nel reticolo endoplasmatico delle cellule beta, e gli studi hanno confermato che IP3R è presente anche sui granuli secretori dell’insulina. IP3R ha la proprietà di legarsi all’inositolo trifosfato (IP3) e di trasportare gli ioni di calcio. IP3R è formato da un’associazione non covalente di omotetrameri, e ogni subunità può legare una molecola di IP3. IP3R può essere diviso in tre parti: Zona di legame IP3, zona di regolazione della funzione e zona di canale dello ione calcio. La regione del canale del calcio è la base per la formazione della struttura del tetramero IP3R, quindi la regione del canale del calcio è molto importante per la struttura di IP3R. Il canale RYR è una proteina di 45.000 aminoacidi espressa nel reticolo endoplasmatico e nel reticolo sarcoplasmatico con una massa molecolare relativa di 565.000. A seconda del gene codificante, RYR si divide in tre sottotipi: RYR1, RYR2 e RYR3. Ci sono principalmente canali RYR2 sul reticolo endoplasmatico delle cellule β dell’isolotto.

La malattia legata al canale del calcio e il meccanismo di funzionamento del canale del calcio in queste malattie

Il canale del Ca2+ è una proteina multi-subunità transmembrana, e il canale del Ca2+ legato alla tensione è generalmente classificato in L-tipo (Cav1), P/Q-tipo (Cav2.1), N-tipo (Cav2.2), e R-tipo (Cav2. 3) e T-tipo (Cav3) e altri sottotipi, distribuiti nei neuroni, nel miocardio e in altre parti, e coinvolti nel rilascio del neurotrasmettitore e nel potenziale d’azione del miocardio. Lo studio ha scoperto che gli antidepressivi stimolano la ginogenesi nell’ippocampo coinvolgendo i recettori accoppiati alla proteina G e i canali del calcio voltaggio-dipendenti. L’evidenza clinica suggerisce che i bloccanti dei canali del calcio di tipo L possono trattare il disturbo bipolare, la schizofrenia e una serie di malattie neuropsichiatriche come la depressione. Le molecole Cav1 e Cav3 sono associate alle emozioni dei roditori (ansia, depressione), al comportamento sociale e alla cognizione. Gli studi hanno scoperto che il blocco dei canali del calcio con il bloccante selettivo dei canali del calcio di tipo P e P/Q ω-virale IVA può alterare l’efficienza della trasmissione sinaptica, dimostrando che i canali del calcio di tipo P e P/Q sono coinvolti nei nervi ippocampali. Alcuni studi hanno utilizzato la registrazione patch-clamp delle cellule intere e le tecniche di imaging del Ca2+ per studiare il meccanismo di inibizione a lungo termine nei neuroni piramidali nella regione ippocampale CA1 di fette di cervello acuto e hanno scoperto che i canali del Ca2+ di tipo N sono coinvolti nei neuroni piramidali ippocampali e nella plasticità sinaptica. Le cellule beta delle isole sono molto sensibili ai cambiamenti della concentrazione di glucosio extracellulare. Quando la concentrazione di glucosio extracellulare è elevata, il glucosio viene assunto nelle cellule beta attraverso il trasportatore di glucosio sulla membrana delle cellule beta. Attraverso il ciclo di Krebs, il rapporto ATP/ADP intracellulare aumenta. Il canale del potassio sensibile all’ATP è chiuso, il deflusso del K+ è ridotto, la membrana della cellula β è depolarizzata e il canale Cav è aperto, e l’afflusso esterno di calcio aumenta la concentrazione intracellulare di ioni calcio, innescando l’esocitosi e il β sulla membrana della vescicola dell’insulina. L’actina nella membrana cellulare agisce per fondere la membrana della vescicola di insulina con la membrana della cellula β per formare un poro di fusione della membrana, e poi l’insulina nella vescicola viene rilasciata nello spazio extracellulare attraverso il poro di fusione per realizzare il processo di esocitosi della cellula β. Una varietà di farmaci come la 2, 2-ditiodipiridina, il tiopental e l’interleuchina 6 possono indurre o aumentare l’effetto della secrezione di insulina stimolata dal glucosio, che coinvolgono tutti il rilascio di ioni calcio coinvolti nel canale IP3R. Come il più grande serbatoio di calcio nella cellula, il reticolo endoplasmatico ha IP3R e RYR, che svolge un ruolo importante nella secrezione di insulina; nella linea cellulare di insulinoma di ratto INS1, la secrezione di insulina può essere inibita svuotando il pool di calcio IP3-mediato. Tutti questi esperimenti hanno confermato che il canale IP3R è coinvolto nel processo di secrezione dell’insulina. Il RYR è coinvolto nella secrezione di insulina mediata dal peptide secreto dal glucosio e dalle incretine, e lo stato di diabete è associato a una diminuzione dell’espressione del RYR nelle cellule beta. Oltre ad essere espresso sul reticolo endoplasmatico delle cellule β dell’isolotto pancreatico, il RYR è presente anche nelle vescicole secretorie dell’insulina delle cellule beta. Il CICR locale può essere coinvolto nel processo di innesco dell’esocitosi delle vescicole di insulina; la secrezione di insulina è innescata da un aumento della concentrazione di calcio intracellulare nelle cellule β dell’isolotto, che porta all’attivazione della protein chinasi calmodulina-dipendente, che fosforila RYR2 e produce il deflusso del calcio dal reticolo endoplasmatico. Questo processo CICR è dipendente dalla concentrazione di glucosio. Si pensa che la fosforilazione di RYR2 sia un meccanismo che provoca il rilascio delle riserve di calcio intracellulare per mediare la secrezione di insulina. Dixit et al. hanno bussato il mutante del canale RYR2 nei topi, imitando la fosforilazione del canale RYR2-type, con conseguente aumento dell’efflusso di calcio mediato da RYR2, che a sua volta ha prodotto un’iperinsulinemia basale. Entrambi gli esperimenti dimostrano che RYR è coinvolto nel processo di secrezione dell’insulina. Il canale del recettore NAADP è anche coinvolto nella secrezione di insulina delle cellule beta mediata dal glucosio e dai peptidi secreti dall’incretina. Gli studi hanno dimostrato che i peptidi secreti dalle incretine, come il peptide simile al glucagone 1, inducono il rilascio di calcio nelle cellule beta. Il rilascio primario di calcio è mediato da NAADP, e il rilascio secondario di calcio è mediato attraverso l’adenosina difosfato ribosio polimerasi ciclica, che alla fine completa l’insulina attraverso la via di scambio di guanina nucleotide regolata dalla protein chinasi A e la secrezione di adenosina monofosfato ciclico. Inoltre, lo studio ha anche confermato che il NAADP non solo gioca un ruolo nel rilascio di calcio indotto dal glucagone-like peptide-1, ma agisce anche come segnale di calcio. Gli studi hanno confermato che sia TPC1 che TPC2 sono coinvolti nel rilascio di calcio indotto da NAADP, ma CICR è strettamente legato a TPC2. Al contrario, l’espressione di TPC3 ha inibito il rilascio di calcio indotto da NAADP. In definitiva, l’espressione di TPC influenza la struttura e la dinamica degli endosomi, rendendo NAADP un attore importante nella regolazione del traffico di vescicole.

Riferimento:

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