Calmodulin ist ein kleines Protein, das Kalzium in Zellen bindet. Es ist wichtig bei der Regulierung einer Reihe verschiedener zellulärer Prozesse, da die Calcium-Signalübertragung ein üblicher Weg ist, Signale sowohl zwischen als auch innerhalb von Zellen zu übertragen. Eine Abkürzung für dieses Protein ist CaM.
Eukaryotische Zellen, wie die des Menschen, sind von einer Membran umgeben, die als Plasmamembran bezeichnet wird, und weisen in sich membrangebundene Strukturen wie das endoplasmatische Retikulum (ER) und das sarkoplasmatische Retikulum (SR) auf. Diese Strukturen haben Kalziumspeicher in sich, aber das Zytosol der Zelle – der gelartige Inhalt zwischen den Membranen – enthält 10,000 Mal weniger Kalzium als die Flüssigkeit außerhalb der Zellen.
Der große Unterschied in den Calciumspiegeln zwischen dem Zytosol und dem Zelläußeren ermöglicht es der Zelle, diesen differentiellen Gradienten zu nutzen, um Calcium als einen Weg zur Signalantwort einzuführen. Es gibt viele Proteine, die Kalzium binden, aber Calmodulin ist das am häufigsten durch Kalzium modulierte Protein. Viele der Proteine, die es binden, können nicht direkt auf Kalzium reagieren und sind auf dieses Kalzium-bindende Protein als Kalziumsensor angewiesen. Während viele Proteine durch Calcium aktiviert werden, unterliegen andere einer Hemmung. Die Reaktionen, die CaM vermittelt, reichen von Nervenwachstum und Gedächtnis bis hin zu Entzündungen und Stoffwechsel.
Ein klassisches Beispiel für die Rolle von Calmodulin im Stoffwechsel ist die Regulierung des Abbaus der körpereigenen Glykogenspeicher für Energie. Glykogen ist ein Speicherpolymer von Glukose, dessen Abbau durch Hormone eingeleitet wird. Die Bindung dieser Hormone an zelluläre Rezeptoren auf der Plasmamembran führt zu einem Calciumtransporter, der den Calciumspiegel innerhalb der Zelle erhöht.
Wenn der Calciumspiegel im Zytosol ansteigt, bindet Calcium Calmodulin und verändert die Konformation des Proteins. Der Calcium-Calmodulin-Komplex bindet an den Calciumtransporter, wobei der Calciumtransport in die Zelle zunächst erhöht und dann verringert wird. Sobald der Kalziumspiegel wieder normal ist, dissoziiert das CaM vom Kalzium.
Dies ist ein Beispiel für die Verwendung eines sekundären Botenstoffs, bei dem das erste Signal ein Hormon ist, das seine extrazelluläre Botschaft an die Zelloberfläche übermittelt. Die Übertragung des Signals ins Zellinnere erfolgt durch eine sekundäre Verbindung, in diesem Fall Calcium. Dieser zweistufige Prozess kann eine zelluläre Antwort stark verstärken.
Es gibt eine andere Ebene der Regulierung des Glykogenstoffwechsels, die eine zusätzliche Möglichkeit darstellt, wie CaM die Kontrolle von Reaktionen ausüben kann. Es kann auf eine Calmodulin-Kinase wirken – eine Untergruppe von Kinasen, die darauf spezialisiert sind, auf Calmodulin zu reagieren. Kinasen fügen Proteinen eine Phosphatgruppe hinzu, und der Abbau von Glycagon erfolgt durch ein Enzym namens Phosphorylasekinase, das mehrere Untereinheiten aufweist. Einer von ihnen ist eine regulatorische Einheit und erfordert eine Bindung durch CaM für die Aktivität.
Calmodulin befindet sich an vielen Stellen innerhalb der Zelle, einschließlich der ER- und SR-Membranen. Es wirkt auch bei der Signalübertragung innerhalb der Zelle. Dieses Molekül hat bei verschiedenen Organismen ähnliche Strukturen, was darauf hindeutet, dass seine Struktur für seine Funktion von großer Bedeutung ist. Die Vielfalt der durch die Calmodulin-Bindung vermittelten Prozesse ist ein Indikator für die Bedeutung von Calcium bei der Regulierung zellulärer Reaktionen.