IL CALCIO COME MOLECOLA SEGNALE

Il calcio è una molecola-segnale fondamentale per le cellule. In seguito a stimolazione ormonale o elettrica, si può osservare un aumento nella concentrazione citosolica di questo ione, che porta all’instaurarsi di altre reazione biologiche. Come detto in precedenza, questo aumento è limitato nel tempo e nello spazio e porta all’attivazione di diverse vie quali, per esempio, la contrazione muscolare, il processo di visione, la proliferazione cellulare, la secrezione, la motilità cellulare, la formazione del citoscheletro, l’espressione genica e alcune reazioni metaboliche.

Tre sono le vie principali che portano all’aumento della concentrazione citoplasmatica del Ca2+: attraverso i recettori associati a proteine G, attraverso recettori delle tirosin-chinasi, e mediante i canali per il Ca2+ voltaggio- o ligando-dipendenti.

La decodificazione del messaggio avviene grazie alla presenza di proteine che, legandosi allo ione, convertono il segnale in un’ampia varietà di modificazioni biochimiche.

Ci sono due meccanismi principali attraverso i quali il calcio svolge la sua funzione: l’attivazione diretta di proteine e i legami ai recettori per il Ca2+.

1.5.4.1 Attivazione diretta di proteine

Alcune proteine (tab. 3) hanno siti di legame specifici per il calcio e la loro attività dipende direttamente dal legame con questo ione.

Ci sono specifici enzimi che hanno nel loro centro attivo un sito di legame per il calcio, e lo ione interviene direttamente nel processo di catalisi. Un esempio è costituito dalla fosfolipasi A2 che contiene due siti di legame per il calcio: uno dei due ioni è direttamente coinvolto nel processo di catalisi aiutando a neutralizzare la carica durante il processo di idrolisi degli esteri degli acidi grassi; l’altro ione svolge un ruolo di stabilizzatore dello stato di transizione.

1.5.4.2 Legame ai recettori per il calcio

Un altro meccanismo centrale di trasduzione del segnale via calcio è costituito dal legame dello ione con recettori specifici. I recettori sono delle proteine regolatrici che accoppiano il segnale del calcio a quello di altre proteine segnale, attivando proteine bersaglio in risposta alle variazioni della concentrazione del calcio.

Il recettore più noto è la calmodulina, una piccola proteina di circa 150 amminoacidi (Hoeflich and Ikura, 2002); la struttura del complesso Ca2+/calmodulina consta di due domini globulari separati da un’alfa elica. Entrambi i domini hanno due siti di legame per il calcio e il legame avviene in una struttura denominata elica-giro-elica. Il complesso che si forma è molto flessibile, cosa che è di grande importanza per il perfetto funzionamento della struttura.

I meccanismi attraverso i quali la calmodulina regola l’attività delle proteine bersaglio possono essere suddivisi in sette classi (Chin and Means, 2000), le più importanti sono:

Legame irreversibile della calmodulina alle proteine bersaglio

Formazione di complessi inattivi a bassa affinità quando il calcio è presente in basse

concentrazioni e attivi quando la concentrazione dello ione aumenta

Attivazione delle proteine mediante il complesso Ca2+

/calmodulina

Inibizione mediata dal complesso Ca2+

Il complesso Ca2+/calmodulina è coinvolto in molti processi, quali la regolazione della proliferazione, della mitosi, della trasduzione del segnale neuronale, della contrazione muscolare e del metabolismo del glucosio.

A tuttoggi si conoscono diversi tipi di calmodulina, ognuno delle quali agisce su una determinata proteina bersaglio; di queste ultime quelle maggiormente caratterizzate sono: le adenilil-ciclasi calmodulina-dipendenti, le fosfodiesterasi, le CaM chinasi e la calcineurina.

Le cellule contengono anche altri recettori, simili in funzione alla calmodulina. Un esempio è la troponina C, strutturalmente molto simile alla calmodulina. Questo recettore si trova come componente dell’apparato contrattile della muscolatura: il legame del Ca2+ induce cambiamenti conformazionali tali da permettere la contrazione del muscolo. Un altro recettore è la ricoverina che si trova associata alla porzione citosolica della membrana citoplasmatica; la distribuzione tra la forma libera e quella associata alla membrana di questo recettore è regolata dal calcio: il legame con lo ione porta alla traslocazione del recettore dal citosol alla membrana (Ames et al., 1997).

1.5.4.3 Evoluzione del calcio come messaggero

Nonostante all’interno della cellula siano presenti anche altri ioni, il calcio sembra godere di uno status molto speciale. Esso è uno ione versatile la cui concentrazione viene finemente controllata dalla cellula (Jaisval, 2001). I compartimenti di accumulo e i canali ionici specifici per il calcio sono due meccanismi che la cellula usa per regolare il livello di calcio libero; si presuppone che i compartimenti si siano originati proprio con lo scopo di difesa della cellula da questo ione.

Mentre la vita si originava sulla Terra, il calcio si trovava abbondante nelle rocce ignee presenti sulla calda crosta terrestre ed era completamente inutilizzabile dalla materia vivente. Dopo il raffreddamento della crosta, varie reazioni chimiche e biologiche aumentarono il livello di calcio disponibile. Questo fu un problema serio per le primitive cellule, poiché il Ca2+ ad alte concentrazioni causa danni agli organelli, alle proteine e agli acidi nucleici,

inoltre porta alla precipitazione dei fosfati; ognuno di questi eventi è in grado di causare la morte istantanea della cellula, quindi divenne necessario contenere il calcio in maniera tale che questo fosse il meno pericoloso possibile. Queste dovevano essere le premesse della pressione selettiva che hanno portato all’evoluzione delle pompe ioniche e dei compartimenti intracellulari, e la presenza di queste strutture ha fatto si che il Ca2+ si trasformasse in ione- segnalatore.

Una spiegazione al perché proprio il calcio è stato scelto come messaggero rispetto agli altri cationi normalmente presenti nei sistemi biologici, la si può avere analizzandone alcuni parametri quali: struttura molecolare, stato di valenza, forza del legame, potenziale di ionizzazione e i parametri cinetici delle reazioni biologiche. Per poter avere effetti biologici ad ampio raggio, uno ione metallico deve essere in grado di interagire con ligandi come proteine, lipidi e carboidrati e più precisamente deve essere in grado di legarsi ai centri reattivi delle molecole. Al contrario di Mg2+ e Zn2+ che hanno una grande affinità di legame per i gruppi nitrogeni, il Ca2+ ha la sua massima affinità per l’ossigeno del gruppo carbossilico; gli aminoacidi contenenti il gruppo COO- (acido aspartico e acido glutammico) sono più frequenti nello scheletro delle proteine rispetto a quelli che hanno il gruppo nitrogeno (asparagina, istidina e glutammina), ciò rende il calcio migliore degli altri due cationi (Ochiai, 1991). Nell’uomo l’acido glutammico e l’acido aspartico sono presenti in concentrazioni che sono circa l’82% superiori rispetto a quelle di asparagina, istidina e glutammina e, inoltre, sono prevalentemente localizzati nelle proteine coinvolte nella segnalazione cellulare.

Un altro parametro rilevante per un ottimo secondo messaggero è la rapidità della cinetica di legame; come misura di questo parametro si utilizza la velocità di scambio con l’acqua dei complessi acqua-metallo; a 25°C si è stimato che la velocità (espressa in s-1) è 108 per il calcio, 2x107 per lo zinco e il manganese, 7x105 per il magnesio. Dunque, il calcio si lega e si dissocia dalle proteine in maniera circa 100 volte più veloce rispetto al magnesio (Ochiai, 1991).

Il Ca2+ ha un numero di coordinazione ionica molto alto (6-8) e una geometria di coordinazione (indotta da proteine) spesso irregolare, dovuta al suo raggio ionico (100-120 pm) e alla sua struttura elettronica (Swain and Amma, 1989; Carugo et al., 1993). Il Cd2+ (95 pm) e il Pb2+ (119 pm) sono simili al calcio, ma biologicamente inutilizzabili a causa delle loro interazioni con i tiolati (Cys-). Il Mn2+ (83 pm) e lo Sr2+ (118 pm) sono sostituti meno tossici del calcio ma sono meno abbondanti del calcio.

Per quanto concerne la stereochimica, il magnesio di preferenza assume una configurazione ottaedrica (Carugo et al., 1993) che è molto rigida e non consente molte interazioni; al contrario il calcio può assumere due configurazioni pentagonali (a bipiramide e trigonale prismatica) che consentono allo ione di interagire con vari siti di legame.

La geometria irregolare e l’alto numero di coordinazione mettono il calcio in vantaggio rispetto agli altri ioni anche nel formare legami incrociati. Al contrario dei ponti disolfuro e del legame zucchero-peptide che sono irreversibili, il cross-linking mediato da calcio è reversibile e quindi in grado di rispondere ai cambiamenti dello stato di riposo della cellula.