6.2. Кальций в организме человека и животных

Перечислим лишь некоторые функции кальция в организме:

• Опорная. Кальций входит в состав скелета, зубов, ногтей, волос.

• Нервно-мышечная. Кальций обеспечивает передачу нервного возбуждения, с чем связаны работа головного мозга, память, ритмичность сердечных сокращений, тонус кровеносных сосудов, реакция и работоспособность скелетных и гладких мышц внутренних органов.

• Один из факторов свертывания крови, играет важную роль в процессе регуляции проницаемости клеточной мембраны.

• Уменьшает уровень холестерина, способствует понижению артериального давления.

• Повышает защитные силы организма, т.к. участвует в процессах образования энергии, в синтезе РНК и ДНК, активизации ряда ферментов.

• Способствует поддержанию здорового состояния кожи, снижению проявления аллергических реакций, болевого синдрома и воспалительных процессов, т.к. обеспечивает функционирование клеточных мембран, тормозит высвобождение гистамина, влияет на кислотно-щелочное равновесие организма.

• Обеспечивает энергией мужские половые клетки.

Потребность в кальции составляет у детей 15 лет: 800-900 мг., 6-17 лет: 1000-1200 мг., у взрослых: 800 мг., у беременных: 1000 мг., у кормящих женщин: 1200 мг. в сутки.

6.2.1. Транспорт ионов кальция, мембранные рецепторы и внутриклеточный кальций

   

Используя различные методы, удалось установить, что при гидролизе одной молекулы АТФ Са-АТФаза СР переносит 2 иона кальция из окружающей среды внутрь везикул, как это показано на рис. 21.

Рис. 21. Схематическое изображение везикулы саркоплазматического ретикулума со встроенной молекулой Са-АТФазы во внешнюю среду (цитоплазму) обращена головка фермента, диаметром около 9 нм. С ней связываются АТФ и ионы кальция. Мембрану пронизывает канал, по которому, как полагают, кальций переносится при гидролизе АТФ (Владимиров, 1999).

Перенос ионов кальция сопровождается переносом электрических зарядов, но разность потенциала на мембране не удерживается, потому что мембрана СР хорошо проницаема для других ионов. Для того чтобы перенести через мембрану 2 грамм-эквивалента ионов кальция из клеточного сока, где его концентрация C_i = 1·10^-7 М, во внутреннюю полость саркоплазматического ретикулума, где концентрация кальция близка к одному мМ (C_o = 1·10^-3) требуется затратить энергию, равную:

G = 2 = 2 [_o + RT ln(C_i/C_o) + zF].

   Поскольку внутри саркоплазматического ретикулума потенциал равен внутриклеточному ( = 0), а величина µ_o примерно одинакова для ионов кальция в водных растворах (µ_o = 0), можно считать, что изменение свободной энергии при переносе двух молей Ca²⁺ равно при 37 ^оС (310 К):

G = 2RTln (C_i/C_o) = 4 7,5 кДж/моль.

   Это приблизительно равно энергии гидролиза макроэргической связи АТФ при физиологических концентрациях АТФ, АДФ и ортофосфата. Таким образом, транспорт кальция через мембрану саркоплазматического ретикулума осуществляется с высоким коэффициентом полезного действия, без потерь энергии. Помимо прочего, это предполагает обратимость работы Са-АТФазы. И действительно, было показано, что можно получить синтез АТФ из АДФ и фосфата, если нагрузить изолированные везикулы СР кальцием, а затем убрать кальций из окружающей среды, добавив туда комплексон - соединение, связывающее Ca²⁺. Заметим, что обратимо могут работать также и другие транспортные АТФазы: Na/K-АТФаза цитоплазматических мембран и H⁺- АТФаза митохондрий.

В морской воде, где, вероятно, зарождалась жизнь, ионы Са⁺⁺ и Mg⁺⁺ присутствуют в сравнительно близких концентрациях (соответственно 11 и 55 мМ). Близко их содержание и в плазме крови человека (соответственно 2,5 и 0,9 мМ). При этом около половины кальция в плазме связано с органическими фосфатами и белками, поэтому свободных ионов Са⁺⁺ в крови оказывается только 1,2 мМ. Внутри же клетки, в ее цитоплпзме, концентрация ионов Са⁺⁺ в 10 000 раз меньше – около 100 нМ.

Кальций в цитоплазме не может образовывать комплексы с метаболитами, так как его концентрация очень низка. Он редко является кофактором ферментативных реакций, хотя может регулировать многие метаболические процессы, активизируя специфические Са-связывающие белки. Основная функция Са²⁺ заключается в передаче регуляторных сигналов (Ткачук, 2001).

Клетка не может жить как без Mg²⁺, так и без Са²⁺, однако продолжительное в, в течение десятков минут, повышение уровня Са²⁺ в цитоплазме (от10^-7 до 10^-5 М и выше) приводит к гибели клеток. В мембранах клетки функционируют сложно организованные белковые структуры, обеспечивающие взод Са²⁺ в цитоплазму по градиенту концентрации (Са²⁺-каналы), а также селективные системы активного транспорта Са²⁺ против градиета его концентрации, использующие для этого либо энергию АТФ (Са-насос), либо градиенты других ионов (например, Na/Са –переносчик). Согласованное функционирование систем пассивного и активного транспорта Са²⁺ через цитоплазматическую и внутриклеточные мембраны обеспечивает так называемое транзиторное повышение концентрации Са²⁺, то есть способность цитоплазматического кальция возвращаться к базальному уровню вне зависимости от того, продолжает ли действовать сигнал, вызвавший вход Са²⁺ в клетку (Ткачук, 2001).

Ионы кальция, вышедшие из ретикулума или вошедшие в клетку извне, взаимодействуют со специфическими Са-связывающими белками, тем самым влияя на метаболическое и функциональное состояние клетки (см. рис. 22). С помощью этого механизма уровень Са²⁺ в цитоплазме обычно возрастает от 10^-7 до 10^-6 М. Повышение концентрации Са²⁺ в клетках вызывают два класса регуляторов, стимулирующих разные изофрмы фосфолипазы С: гармоны и факторы роста.

Рис. 22. Механизмы активации фосфолипазы С (PL-C) гормонами и факторами роста. G – ГТФ-связывающий G-белок, Р – неорганический фосфат, Ин-1,3,4,5-Ф₄ – инозитолтетроксифосфат.

Фосфорилирование γ-изоформы фосфолипазы С по тирозиновому остатку приводит к ее активации, в ре­зультате чего из ТФИ образуются Ин-1,4,5-Ф₃ и ДАТ (рис. 22).

Возбудимые клетки (нейроны, мышечные волокна) также воспринимают регуляторное влияние Са-мобилизующих гормонов и факторов роста, однако помимо фосфоинозитидного пути регуляции уровня Са²⁺ они имеют потенциалзависимые Са²⁺-каналы (рис. 23), бла­годаря чему происходит вход Са²⁺ в клетку при депо­ляризации мембраны. Снижение потенциала покоя в возбудимой мембране, равного около -70 мВ, воспри­нимается специальным сенсором в составе Са²⁺-канала и при некоторой пороговой величине приводит к изменению конформации потенциалзависимого Са²⁺-канала, в результате он открывается и через пору раз­мером 5 Ǻ внутрь клетки устремляются ионы Са²⁺ со скоростью около миллиона ионов в секунду.

Следует отметить, что в некоторых тканях, напри­мер в сердце, потенциалзависимый Са-канал может регулироваться также G-белками или путем фосфорилирования (не по тирозиновым, а по сериновым и треониновым остаткам; такое фосфорилирование ка­тализирует цАМФ-зависимая протеинкиназа). Как фосфорилирование, так и взаимодействие с G-белком не могут вызвать открывание потенциалзависимого Са²⁺-канала, но увеличивают время существования это­го канала в открытом состоянии, иными словами, из­меняют количество ионов Са²⁺, вошедших в клетку при деполяризации мембраны. Этот канал имеет три раз­ных участка связывания, через которые он тормозится так называемыми Са-антагонистами, лекарствами (верапамил, дилтиазем и дигидропиридины), широко ис­пользуемыми в последнее десятилетие для лечения кардиологических, психотропных, аллергических и других заболеваний.

Удаление Са²⁺ из цитоплазмы. При входе Са²⁺ в цитоплазму через Са²⁺-канал включа­ются системы обратных связей, которые блокируют ра­боту этих каналов. Инактивацию каналов могут вызы­вать ионы Са²⁺, протеинкиназа С и другие регуляторные системы клетки. Удаление Са²⁺ из клетки осуществляет Са-насос плазматической мембраны. При повышен­ной концентрации Са²⁺ в цитоплазме работа этого на­соса ускоряется за счет более полного насыщения пере­носчика ионами Са²⁺.

В мембранах эндоплазматического ретикулума так­же функционирует Са-насос. По кинетическим свой­ствам он подобен насосу цитоплазматической мем­браны: чем выше уровень Са²⁺ в цитоплазме (вплоть до 5 · 10^-6 М), тем быстрее Са²⁺ удаляется в цистерны рети­кулума. Внутри этих цистерн Са²⁺ связывается с кальсеквестрином, белком, имеющим большое число Са-связывающих участков. Концентрация свободных ио­нов Са²⁺ внутри ретикулума может достигать 1 мМ.

Митохондриальная система устранения Са²⁺ из ци­топлазмы имеет значение только при крайне высоком уровне Са²⁺ в цитоплазме – 10^-5 М и выше, что наблю­дается при некоторых патологиях или других критиче­ских ситуациях в жизни клетки (перекисное окисление липидов, механическое повреждение мембраны). Пе­реносчик Са²⁺ в митохондриях, имеющий очень низкое сродство к Са²⁺, функционирует за счет электрохими­ческого градиента, генерируемого переносом прото­нов. В митохондриальном матриксе Са²⁺ может накап­ливаться до концентрации 0,5 мМ.

Рис. 23. Четыре типа Са-каналов в цитоплазматической мембране. Левый верхний - потенциалуправляемый Са-канал, остальные - рецепторуправляемые Са-каналы (см. описание в тексте). И — рецептор, X - гипотетический вторичный посредник, образующийся вследст­вие выхода Са²⁺ из ретикулума (В.А. Ткачук, 2001).

Осцилляция внутриклеточного Са²⁺. В цитоплазматической мембране клетки обычно функ­ционируют несколько типов Са²⁺-каналов. Так назы­ваемые рецепторуправляемые каналы могут быть сти­мулированы путем прямого сопряжения с G-белком, который переведен в активированную форму мембран­ным рецептором (см. рис. 23). Показано также существо­вание в плазматической мембране Са-каналов, открыва­емых Ин-1,4,5-Ф₃, который образуется при стимуляции фосфоинозитидного обмена. Описаны Са²⁺-активируемые Са²⁺-каналы, которые модулируются еще одним продуктом фосфоинозитидного обмена - Ин-1,3,4,5-Ф₄ (см. рис. 22). Еще более загадочно функционирование в плазматической мембране Са²⁺-канала, активируемого путем выхода Са²⁺ из эндоплазматического ретикулума (см. рис. 23). Этот канал высоко селективен в отноше­нии Са²⁺, но имеет в 1000 раз меньшую проводимость, чем другие каналы. Как и другие Са²⁺-каналы, при по­вышении уровня Са²⁺ в цитоплазме он инактивируется. Ни один из этих Са²⁺-каналов, управляемых рецеп­тором, не удалось выделить в виде гомогенного белка или комплекса белков, они до сих пор не клонированы, неизвестна и структура их генов. Это объясняется крайне низким содержанием этих белков в тканях, а также, вероятно, их сложной олигомерной структурой. Наиболее изучен потенциалзависимый Са²⁺-канал (см. рис. 23): известна структура всех его субъединиц, участ­ков связывания органических блокаторов, сенсора мем­бранного потенциала, описан механизм узнавания гидратированного Са²⁺ и его переноса через канал.

Все Са-каналы цитоплазматической мембраны различаются по своему вкладу в поток Са²⁺, селектив­ности и проводимости, порогу активации и инактива­ции и т.п. От каналов внешней мембраны существенно отличаются Са-каналы, расположенные в мембране эн­доплазматического ретикулума. Рецептор 1,4,5-Ф₃ пред­ставляет собой тетрамер, состоящий из одинаковых субъединиц, которые формируют неспецифическую пору для катиона. Структура этого белка не имеет ниче­го общего со структурой потенциалзависимого Са-канала. Рецептор Ин-1,4,5-Ф₃ — это каналоформер, кото­рый является Са²⁺-связывающим белком, причем ионы Са²⁺ при низких концентрациях его активируют, а при высоких ингибируют. Связывание Ин-1,4,5-Ф₃ с ре­цептором кооперативно и завершается десенсибилиза­цией, то есть снижением чувствительности рецептора к своему агонисту. Этот канал связывает также АТФ и может фосфорилироваться цАМФ-зависимой протеинкиназой.

В мембранах эндоплазматического ретикулума функ­ционирует еще один рецептор-каналоформер, через который в цитоплазму входит Са²⁺. Это рианодиновый рецептор, который экспрессируется в возбудимых клет­ках и может функционировать согласованно с рецеп­тором Ин-1,4,5-Ф₃. Как и последний, рианодиновый рецептор является тетрамером, формирует неселек­тивную катионную пору, через которую Са²⁺ может выходить из ретикулума. Этот канал активируется микромолярными и ингибируется миллимолярными концентрациями Са²⁺, зависит также от содержания АТФ и Мg²⁺. Широко известным лигандом этого рецеп­тора является кофеин, метилксантин растительного происхождения. Эндогенным лигандом этого рецепто­ра, по-видимому, является циклическая АДФ-рибоза. Локальное повышение концентрации Са²⁺, вызванное его входом извне, также способно активировать риано­диновый Са²⁺-канал.

Взаимодействие между Са²⁺-каналами внешней и внутренних мембран, Са-насосами, а также Са-связывающими белками, локализованными как в мембра­нах, так и в цитоплазме клетки, приводит к так на­зываемым осцилляциям Са²⁺, то есть периодическим флуктуациям его концентрации в цитоплазме (рис.24).

В невозбудимых клетках основным триггером каль­циевых осцилляции является Ин-1,4,5-Ф₃, который образуется из ТФИ при активации фосфолипазы С гормонами или факторами роста. Ин-1,4,5-Ф₃ спосо­бен диффундировать от плазматической мембраны, где он образуется, до мембран эндоплазматического рети­кулума за десятки секунд. Количество и концентрация образующегося Ин-1,4,5-Ф₃ достаточно высоки, чтобы оккупировать все молекулы соответствующих рецепто­ров, однако выход Са²⁺ происходит только в так назы­ваемых горячих участках. Это участки переменной ло­кализации в клетке, возникающие, как пузырьки в закипающей воде, в разных участках за счет высокой локальной концентрации Са²⁺, Ин-1,4,5-Ф₃ или его ре­цептора. Согласно существующим в настоящее время представлениям, вышедший в "горячем" участке в ци­топлазму Са²⁺ диффундирует вдоль ретикулума и по­вышает в его мембранах чувствительность рецептора к Ин-1,4,5-Ф₃, а также облегчает открывание канала, тем самым вызывая перемещение фронта Са-волны. Локальное повышение концентрации Са²⁺ в этом уча­стке мембраны приводит к инактивации Са-канала, в результате чего горячая точка гасится, а диффузия Са²⁺ генерирует новые точки выброса Са²⁺ из ретикулума. В гашении горячих точек участвуют также Са-насосы, транспортирующие Са²⁺ в ретикулум или межклеточ­ное пространство.

В возбудимых тканях основной вход Са²⁺ внутрь клетки происходит через потенциалуправляемые Са²⁺-каналы, которые функционально сопряжены с риано-диновыми рецепторами. В участке сопряжения этих двух типов каналов выход Са²⁺ приводит к распространению Са²⁺-волны возбуждения рианодиновых рецеп­торов вдоль мембран ретикулума. За фронтом Са-вол­ны происходит снижение уровня Са²⁺ вследствие того, что ретикулум в этом участке уже опустошен, поэтому не выбрасывает Са²⁺, а Са-насос удаляет Са²⁺ из цито­плазмы. В возбудимых клетках частоту осцилляции Са²⁺ могут повышать как Ин-1,4,5-Ф₃, так и цикличес­кая АДФ-рибоза или кофеин.

Интересно, что во многих типах клеток волна каль­циевой осцилляции распространяется от клеточного ядра и может приобретать форму сфер или сложных спиралей. В некоторых тканях (сердце, мозг) Са-осцилляции, возникшие в одной клетке, могут вызывать осцилляцию Са²⁺ в соседних клетках, причем с той же частотой, что и в клетке, инициировавшей этот про­цесс. По-видимому, в этих тканях Са-волна может рас­пространяться через межклеточные контакты, облада­ющие высокой ионной проводимостью.

В цитоплазме одиночной клетки гормоны и факто­ры роста практически не влияют на амплитуду повы­шения концентрации Са²⁺, но увеличивают частоту его флуктуации (см. рис. 24). Обычно уровень Са²⁺ в цито­плазме изменяется от 10^-7 до 5 • 10^-7 М, а частота от од­ного колебания в минуту до нескольких колебаний в секунду. Са-зависимые эффекты гормонов и факторов роста оказываются прямо пропорциональными часто­те флуктуации цитоплазматического Са²⁺ (см. рис. 24). Это, по-видимому, можно объяснить тем, что при вы­сокой частоте осцилляции увеличивается вероятность насыщения кальцием Са-связывающих белков. Диссо­циация Са²⁺ из высокоаффинных участков Са-связыва­ющих белков происходит за минуты, а Са²⁺ в цитоплаз­ме осциллирует быстрее, поэтому Са-связывающие белки воспринимают частотную информацию и, по­добно преобразователям переменного тока в постоян­ный, преобразуют ее в медленно развивающееся (за минуты или часы) изменение метаболизма, морфоло­гии или функционального состояния клетки.

Рис. 24. Зависимость от концентрации гормона час­тоты флуктуации концентрации Са²⁺ в цитоплазме и величины биологического эффекта, вызываемого ионами Са²⁺

Мишени и механизмы действия Са²⁺. В Са-связывающих белках может быть несколько участков связывания Са²⁺, между которыми проявля­ется положительная кооперативность. При связывании Са²⁺ в структуре белка может увеличиваться количест­во а-спиралей и часто на поверхности экспонируются функциональные группы, участвующие во взаимодей­ствии Са-связывающего белка с так называемыми эф-фекторными белками. Таким образом, Са²⁺ вызывает взаимодействие двух белков, что приводит к измене­нию их активности или локализации в клетке.

Ниже приведены наиболее изученные Са-связывающие белки млекопитающих.

Белок	Функция в клетке
Кальмодулин	Активатор аденилатциклазы, фос-фодиэстеразы циклических нуклео-тидов, киназы легких цепей миози­на и др.
Тропонин С	Регулятор сокращения скелетных и сердечной мышц
Фосфолипаза С, специфичная в отноше­нии фосфоинозитидов	Образует инозитол-1,4,5-трисфос-фат и диацилглицерин
Кальцинейрин В	Фосфатаза фосфобелков
Кальпаин	Протеаза
α-Актинин	Актинсвязывающий белок
Парвальбумин	Буфер Са2+
Фосфолипаза А2	Образует арахидоновую кислоту
Киназа С	Сериновая и треониновая протеин-киназа
Аннексин	Регулятор экзо- и эндоцитоза, инги­битор фосфолипазы А2
Са2+-активируемый К-канал	Вызывает гиперполяризацию мемб­раны
Рецептор инозитол-1,4,5-трисфосфата	Вызывает выход Са2+ из эндоплазматического ретикулума
Рецептор рианодина	Вызывает выход Са2+ из эндоплазматического ретикулума
Na+/Са2+-обменник	Осуществляет выход Са2+ из клетки в обмен на вход Na+
Са2+-АТФаза	Осуществляет активный транспорт Са2+ из клетки или в цистерны эндо-плазматического ретикулума
Гельзолин	Изменяет структуру актина
Виллин	Структурирует актиновые филаменты Буфер Са2+
Кальсеквестрин	Буфер Са2+
Кальретикулин	Регулятор глюкокортикоидных ре­цепторов

Знакомство с этим списком позволяет заключить, что Са²⁺ активирует многие катаболические процессы (гликогенолиз, липолиз, протеолиз), а также стимули­рует синтез белка, мышечное сокращение и немышеч­ную подвижность, экзоцитоз, ионный транспорт, сек­рецию нейромедиаторов. Молекулярные механизмы действия Са²⁺ на многие процессы изучены недоста­точно. В частности, неизвестно, каким образом Са²⁺ влияет на дифференцировку, пролиферацию и про­граммируемую смерть клетки. Показано, что кальмодулинзависимая протеинкиназа может фосфорилировать факторы транскрипции, а кальретикулин влияет на активность рецепторов глюкокортикоидов в ядре. Известно также, что внутриклеточный Са²⁺ стимули­рует процессы апоптоза и это действие реализуется че­рез активацию нуклеаз и протеаз, которые разрушают ДНК и хроматин. Отметим также, что подъем уровня Са²⁺ в цитоплазме является необходимым этапом в мейозе клетки. Слияние половых клеток также сопро­вождается подъемом уровня Са²⁺. Для образования зи­готы необходимо связывание Са²⁺ с кальмодулином. Без повышения концентрации Са²⁺ в цитоплазме ми­тоз останавливается, а Са²⁺-зависимое дефосфорилирование белков кальцинейрином переводит клеточный цикл из стадии G_o в G₁. Таким образом, ионы Са²⁺ кон­тролируют метаболизм, функциональную активность и рост клеток, а также их рождение и смерть (Ткачук, 2001).

Многочисленные процессы, протекающие внутри клетки, находятся под постоянным контролем специальных регуляторных систем. Эти системы ускоряют течение одних реакций и тормозят другие, способствуют или, наоборот, препятствуют движению клеток в определенном направлении, влияют на способность клеток общаться друг с другом. Внутриклеточные регуляторные системы достаточно универсальны. Эти системы спосбны воспринимать как сигналы о функционировании данной изолированной клетки, так и сигналы, приходящей к данной клетке от других органови тканей. Разнообразные внутри- и внеклеточные сигналы трансформируются регуляторными системами и преобразуются в локальные изменения концентрации ограниченного числа специальных молекул, способных кардинально влиять на функционирование клетки. К числу таких универсальных внутриклеточных регуляторов относятся ионы кальция.

Рис. 25. Участие кальмодулина (СаМ) в передаче кальциевого сигнала на различные белки-мишени (Гусев Н.Б., 1998)

В состоянии покоя специальные транспортные системы, встроенные во внешние и внутренние мембраны клетки, активно выкачивают Са²⁺ из цитоплазмы. Поэтому в состоянии покоя уровень свободного кальция в цитоплазме клетки составляет 10^-7-10^-6 М. При возбуждении проиходит резкое изменение внутриклеточной концентрации кальция. Са²⁺ входит внутрь клетки из внеклеточного пространства или освобождается из внутриклеточных запасов. Следствием этого является увеличение концентрации Са²⁺ в цитоплазме до 10^-5 М. Ионы кальция связываются специальными внутриклеточными Са-связывающими белками. Часть этих белков относится к белкам семейства EF-руки. Белки этого семейства имеют специально устроенные центры связывания кальция. Центральный элемент такого центра – Са-связывающая петля, состоящая из 12 аминокислотных остатков, часть из которых содержит в своей боковой цепи атомы кислорода. Са²⁺ оказывается расположенным в центре октаэдра (две четырехгранные пирамиды, соединенные основаниями) и удерживаются в этом положении за счет взаимодействия с шестью кислородсодержащими лигандами, расположенными в вершинах октаэдра. С обеих сторон от Са-связывающей петли располагаются α-спиральные участки, поэтому структура изолированного Са-связывающего участка имеет вид спираль-петля-спираль. При анализе кристаллической структуры две спирали Са-связывающей петли были уподоблены указательному и большому пальцам правой руки и обозначены соответственно буквами E и F, а вся структура стала называться EF-рукой. Засчет своей структуры с правильным расположением остатков кислородсодержащих аминокислот EF-рука обеспечивает высокоэффективное и и специфичное связывание Са²⁺. Часть Са-связыващих белков выполняет функции переносчика кальция или функционирует в качестве своеобразного буфера, поддерживающего концентрацию кальция в цитоплазме на низком уровне. Таким белкам достаточно просто связывать кальций. Другие же белки выступают в роли регуляторов и должны в зависимости от концентрации Са²⁺ по-разному взаимодействовать со своими белками-мишенями, чью активность они должны регулировать.

Кальмодулин, один из наиболее подробно изу­ченных Са-связываюших белков, широко распрост­ранен и встречается в клетках животных, растений и грибов. Широкая распространенность обусловлена, вероятно, тем, что кальмодулин способен регулиро­вать большое количество (более 30 описанных к настояшему времени) различных процессов, происхо­дящих в клетке. Этот факт отражен в названии. Кальмодулнн - белок, способный кальцийзависимым образом регулировать (модулировать) актив­ность других белков.

На рис. 25 показана схема, иллюстрирующая ос­новные пути, по которым осуществляется действие кальмодулина. При повышении внутриклеточной концентрации Са²⁺ происходит его связывание с кальмодулином. Кальмодулин изменяет свою струк­туру и оказывается способным влиять на актив­ность белков-мишеней. В качестве мишеней могут выступать ферменты, вовлеченные в метаболизм циклических нуклеотидов - циклической АМФ и циклической ГМФ (рис. 25). При этом кальмодулнн способен влиять на активность ферментов, уча­ствующих в синтезе циклических нуклеотидов.

Кальмодулин осуществляет регуляцию по принципу отрицательной обратной связи. Повышение внутриклеточной концентрации кальция является сигналом тревога. Как только та­кой сигнал поступает в клетку, необходимо задейст­вовать системы по «уборке» Са²⁺. Одной из таких систем является Са-АТФаза плазматических мемб­ран, которая активируется насыщенным кальцием кадьмодулином. Таким образом, кальмодулин явля­ется активным участником «тушения» кальциевого сигнала.

Система циклических нуклео­тидов (наравне с кальцием) является универсальной управляющей системой клетки. Под контролем этой системы находятся протеинкиназы - ферменты, способные переносить остаток фосфата с молекулы АТФ на определенные участки в структуре белка и тем самым менять структуру и свойства белков-суб­стратов. Таким образом, кальмопулнн как бы связы­вает две универсальные регуляторные системы клетки: систему, зависящую от циклических нукле­отидов, и систему, управляемую ионами кальция.

Кальмодулин может регулировать активность структурных белков цитоскелета (рис. 25), связан­ных с микротрубочками и микрофиламентами. Та­ким способом кальмодулин может оказывать влия­ние на процессы эндо- и экзоцитоза, а также на перемещение органелл внутри клетки или измене­ние формы клетки.

Кальмодулнн является субъединицей и регули­рует активность многих Са-зависимых протеинкиназ (рис. 25). Эти ферменты, так же как ранее упомя­нутые протеинкиназы. зависящие от циклических нуклеотидов, переносят остаток фосфорной кисло­ты от АТФ на определенные участки в структуре белков-субстратов.

Кальмодулин способен регулировать актив­ность некоторых протеннфосфатаз (рис. 25). Эти ферменты являются антагонистами протеинкиназ. Фосфатазы узнают в структуре белка участки, фосфорилированные протеинкиназами, и удаляют из них остатки фосфата. Таким образом, фосфатазы как бы обращают эффект протеинкиназ.

Наконец, кальмодулин может взаимодейство­вать и активировать функционирование встроен­ной в наружную мембрану клетки транспортной АТФазы.