Ruolo del calcio nella cellula I meccanismi evolutivi hanno attribuito agli ioni fosfato un importanza fondamentale poiché sono necessari per sintetizzare ATP. Per questo motivo la loro concentrazione nella cellula deve essere elevata. È stato calcolato che il prodotto delle concentrazioni degli ioni Calcio e degli ioni fosfato (in meq/l) in vivo è normalmente pari a 60. Quando il prodotto di solubilità degli ioni Calcio e degli ioni fosfato supera il valore di 70, il rischio di precipitazione di cristalli di fosfato di calcio nei tessuti molli è fortemente aumentato. La precipitazione nel tessuto vascolare è di particolare interesse perché può portare a un'accelerazione della malattia vascolare aterosclerotica. Per questo motivo la concentrazione intracellulare degli ioni calcio deve necessariamente essere mantenuta bassa. Generalmente la concentrazione intracellulare oscilla tra 0.1 e 1 µm mentre quella extracellulare è di 1 mm
Ruolo del calcio nella cellula L evoluzione ha quindi portato le cellule ad utilizzare il calcio come messaggero. Perché una sostanza possa agire da messaggero intracellulare, é necessario che una determinata proteina bersaglio, solitamente un enzima, si leghi ad essa con elevata affinità e specificità. Il legame altera la conformazione della molecola enzimatica, modificandone di conseguenza lo stato di attività. Per far variare la quantità di molecole modificate, il messaggero deve subire ampie oscillazioni di concentrazione. Per esempio, per variare lo stato di un enzima da inattivo ad attivo, può essere necessario un aumento di concentrazione di 10 volte. L incremento di concentrazione deve essere transiente altrimenti il sistema resta perennemente attivo. Il calcio possiede questi requisiti, infatti la sua concentrazione libera nel citosol è regolata da composti che alternativamente legano lo ione, sottraendolo alla soluzione, e lo liberano in modo che possa trasmettere il messaggio. Questi leganti, devono essere in grado di distinguere lo ione messaggero dagli altri ioni presenti nella cellula e legarlo strettamente.
Ruolo del calcio nella cellula Le funzioni cellulari che richiedono una sostanza strutturalmente complessa sono quasi sempre compiute da proteine. Il calcio è molto più adatto a formare legami forti e specifici di quanto non lo siano gli altri ioni. Gli ioni di potassio e di cloro hanno un raggio ionico relativamente grande e non si adattano bene ai siti di legame relativamente piccoli presenti nelle proteine. Lo ione sodio ha un raggio più piccolo, all incirca lo stesso di quello del calcio, ma poiché presenta una sola carica elettrica forma con le proteine complessi relativamente deboli. I grandi ioni poliatomici normalmente presenti nell ambiente biologico (per esempio ioni fosfato e bicarbonato) sono ancora meno adatti a formare complessi forti. Dopo questa eliminatoria, rimangono in lizza gli ioni magnesio e calcio. Entrambi sono ioni bivalenti di dimensioni ridotte, capaci di legarsi strettamente a proteine. Come si spiega, allora, la preferenza per il calcio nell evoluzione?
Ruolo del calcio nella cellula Esaminiamo per i due ioni la chimica del legame. Nel formare un complesso con una proteina, entrambi possiedono in una configurazione ottaedrica ma, mentre lo ione magnesio assume una geometria equivalente a due piramidi quadrangolari unite per la base, lo ione calcio corrisponde a due piramidi unite per i vertici. In questo modo,poiché ogni atomo donato occupa un vertice dell ottaedro il magnesio ha sei legami di coordinazione ed il calcio otto. Inoltre, lo ione di calcio che è più grande di quello di magnesio ed ha una struttura elettronica più complessa,. A causa delle sue piccole dimensioni lo ione di magnesio tende ad attrarre gli atomi di ossigeno della proteina con cui forma un complesso in una configurazione molto stabile e regolare. Tuttavia, una proteina non é sufficientemente flessibile per formare, una cavità regolare che sia abbastanza compatta da adattarsi alle piccole dimensioni dello ione di magnesio. Invece di fissarsi con tutti i sei legami alla proteina, lo ione di magnesio si legherà anche a molecole di acqua. Queste sostituzioni indeboliscono di molto la forza di legame perché un minor numero di legami tra ione e proteina deve essere rotto per liberare lo ione.
Ruolo del calcio nella cellula Il calcio, avendo un raggio ionico maggiore, richiede un cambiamento meno drastico nella conformazione della proteina legante e così può soddisfare tutti i legami di coordinazione con gli atomi di ossigeno della proteina. Il legame della proteina con il calcio non solo è più forte di quello con il magnesio ma anche più specifico. A causa delle sue maggiori dimensioni e del numero variabile di legami di coordinazione, il calcio può adattarsi meglio ai siti di legame di forma irregolare. Perciò una proteina può legarsi ad esso in maniera più solida, escludendo il magnesio che è presente nel citosol ad una concentrazione 1000 volte più elevata. Al contrario, una proteina che lega il magnesio, può spesso legarsi anche al calcio con uguale o persino maggiore affinità. Sia la forza che la specificità di legame sono requisiti essenziali per un messaggero intracellulare e solo il calcio li ha entrambi.
Calcolo della quantità di ioni necessari per aumentare di 10 volte la loro concentrazione in una cellula Concentrazione ioni calcio da 0,1µM a 1µM Da 1µM a 10µM n moli ioni calcio/l 9 10-7 9 10-6 n di ioni calcio/l 54 10 16 54 10 17 ioni nella cellula 45000 450000 volume (8 10-16 L) Tempo necessario per l aumento (considerando una Velocità di scambio 3 10 6 ioni al secondo) 1,5 10-2 s 1,5 10-1 s
Superficie Cellulare Canale per il calcio Scambiatore sodio- calcio ATP asi che pompa il calcio 3Na + 1Ca + Ca ++ + Membrana 2H + Ca ++ Citosol
Mitocondrio - + Trasportatore a direzione unica Ca ++ Membrana interna Spazio intermembrana Scambiatore sodio- calcio 1Ca + + 2Na + Citosol
Reticolo Sarcoplasmatico Canale per il calcio ATP asi che pompa il calcio Membrana? Ca ++ Citosol