梦:是的,钙调蛋白广泛存在于细胞中,参与细胞内的信号转导,调节酶活性、调节细胞骨架、调节离子通道、还参与基因表达调控。钙调蛋白的作用就像一个变压器,能够增加或降低钙离子的作用,然后与蛋白质中的氨基或磷酸基结合,进而改变蛋白质的性质。许多酶的活性受钙调蛋白的调控,形成“钙-钙调蛋白”复合物,能够激活多种蛋白激酶。钙调蛋白还能调节一些磷酸酶的活性,如钙调神经磷酸酶,能够使活化t细胞核因子去磷酸化,使其进入细胞核,启动相关基因的转录,参与免疫细胞的活化和免疫应答。
强:钙调蛋白对神经起作用吗?
梦:是的。我们知道中枢神经由神经元组成,神经元细胞内部由神经纤维组成,而神经纤维又是由微丝和微管组成。神经细胞内也有钙调蛋白酶,被钙离子激活后能将“微管稳定蛋白”从微管上切除。而“微管稳定蛋白”能促进微管组装并抑制解聚,“微管稳定蛋白”被切除后导致微管稳定性下降。当大脑神经元的微管稳定性大面积破坏,神经通路被打断,会影响大脑的意识结构,当意识结构失衡就会形成“老年痴呆”。微管是a\/β-微管蛋白二聚体螺旋形成管状结构,“微管解聚蛋白”能抑制二聚体加螺旋,“微管解聚蛋白”需要钙调蛋白的激活才能发挥作用。我们知道加螺旋由磷酸基提供的,当磷酸化充足就能抑制解聚蛋白的干扰,使微管更加稳定。钙调蛋白对微管稳定性是负向效果的,而细胞具有流动性,正是由钙调蛋白与“微管解聚蛋白”共同来完成的。所以钙离子和钙调蛋白的过量就会加剧细胞骨架分解,形成气虚;而钙离子和钙调蛋白不足,则微管不分解导致细胞的流动性降低,产生应激和炎症反应。
强:在细胞内,我怎么感觉“钙离子”成了细胞平衡的中庸代表。钙多了不行,少了也不行。
梦:是的。血液平衡看镁离子,细胞内平衡看钙离子。在细胞内,钙离子又是磷酸化的钥匙,正常的钙离子浓度才能促进微管的稳定。所以,无论细胞还是神经,都不能没有钙离子,也不能过量,平衡稳定才是最好的。
强:细胞内许多时候,钙调蛋白与蛋白激酶联合发挥作用,这是为什么?
梦:Atp水解能短时间内释放能量,而许多生理功能和生理反应不需要剧烈而短暂的能量供应,相反需要温而持续的能量条件。这时就要需要将Atp的能量释放进行转化,就像手机充电时将高压的交流电转化为低压的直流电,而钙调蛋白与蛋白激酶联合的作用就是变压作用,将Atp能量缓慢、稳定地释放出来。比如肌肉的运动,在日常的普通活动中,举手投足的动作只需肌肉缓和的收缩和舒张即可,这时的Atp能量供应也是缓慢的。只有需要爆发力的剧烈运动,才需要Atp在短时间内供应大量能量,引发肌球蛋白和肌动蛋白的全速运动。
强:钙调蛋白与蛋白激酶联合作用的原理是什么?
梦:Atp就像一个发条,可以将螺旋磁场传递蛋白质完成生化反应。如果Atp的发条直接传给目标蛋白,就像爆发力一次性释放。如果想要钟表发条那样长时间发挥作用,就需要钙调蛋白和蛋白激酶作为中间的齿轮传输能量。蛋白激酶是催化“磷酸化”的酶,能将Atp末端的磷酸基团转移到底物蛋白的特定氨基酸残基上,完成磷酸化,磷酸化的过程就是加旋的过程。还是比喻吧,蛋白激酶就像一个“齿轮变速箱”,能调节Atp发条释放的强度,用合适的能量功率与目标蛋白对接。而钙调蛋白就像“离合器”,能让能量输出端与能量接收端在缓冲条件下安全结合。
强:钙调蛋白是如何发挥“离合器”作用的?
梦:钙调蛋白本身无酶活性,需要与ca2?结合触发构象变化,暴露疏水结合位点。钙调蛋白含有4个EF手型结构域,每个结构域可结合1个ca2?,结合后形成刚性螺旋-环-螺旋结构,使蛋白从 “闭合态” 转为 “开放态”,暴露出与靶蛋白结合的区域。钙调蛋白的螺旋环螺旋结构能发挥缓冲卸力的效果,为磷酸化加旋提供条件。钙调蛋白除了能为负曲率提供“离合器”作用,如蛋白激酶、钙调磷酸酶、腺苷酸环化酶与磷酸二酯酶,还能为正曲率提供“离合器”作用,如一氧化氮合酶。钙调蛋白的作用严重依赖细胞内的ca2?浓度变化,浓度过低或过高都会影响其机械缓冲的作用。
强:为什么细胞内的马达蛋白没有你说的钙调蛋白与蛋白激酶的转化,能直接利用Atp?
梦:因为在马达蛋白自身就具有Atp的酶活性,其结构中具有类似“离合器”和“变速箱”的功能,相当于“自动挡”。而一般的蛋白质中没有Atp酶活性,则需要钙离子和蛋白激酶的催化,相当于“手动挡”。
强:钙浓度是如何影响钙调蛋白的?
梦:钙调蛋白的有效结构是螺旋环螺旋,属于负曲率结构,当钙离子浓度低于纳摩尔级别10-7mol\/L时,钙离子的作用微乎其微,螺旋环螺旋结构卷曲隐