Sentire il calcio
Come suggerisce il suo nome, la calmodulina è una proteina modulata dal calcio (CALcium MODULated proteIN). È abbondante nel citoplasma di tutte le cellule più evolute ed è rimasta quasi immutata nel corso dell'evoluzione. La calmodulina agisce come una proteina intermediaria che sente i livelli di calcio e rilascia segnali ai vari enzimi sensibili al calcio, ai canali ionici e ad altre proteine. La calmodulina è una piccola proteina a forma di manubrio composta di due domini globulari collegati da un connettore flessibile. Ognuna delle due porzioni terminali si lega a due ioni calcio. La calmodulina mostrata qui a fianco (file PDB 3cln), ha tutti i quattro siti occupati da ioni calcio (sfere verdi) ed il connettore flessibile ha formato una lunga alfa-elica che separa i due domini di legame del calcio.

Analoghi della calmodulina
Molte proteine sono sensibili ai livelli di calcio all'interno e all'esterno delle cellule. La prima proteina che si è dimostrata sensibile al calcio è stata la troponina C (file PDB 1tcf) scoperta alla fine degli anni '60, prima della calmodulina. La troponina C sente l'aumento dei livelli di calcio e provoca la contrazione muscolare. Le strutture della troponina C e della calmodulina sono notevolmente simili, la differenza maggiore è la lunghezza del connettore flessibile che unisce i due domini globulari che legano il calcio. Il dominio che lega il calcio, mostrata in dettaglio più sotto, è invece quasi identico. Questo si è rivelato così efficente che è stato adottato da molte altre proteine sensibili al calcio.



Regolazione versatile
Le proteine bersaglio della calmodulina si presentano con forme, dimensioni e sequenze molto diverse e sono coinvolte in una grande varietà di funzioni.
Per esempio, la calmodulina legata al calcio forma una subunità essenziale per l'enzima di regolazione fosforilasi chinasi che, a sua volta, è un regolatore della degradazione del glicogeno. La calmodulina si lega, attivandole, anche ad altre chinasi e fosfatasi che hanno ruoli importanti nelle segnalazioni cellulari, nel trasporto degli ioni e nella morte cellulare.
Una costante nel legame tra calmodulina e le sue varie proteine bersaglio è l'uso di interazioni non-polari, in particolare, attraverso le interazioni con le metionine della calmodulina che sono insolitamente abbondanti. Quando lega il calcio, la calmodulina espone queste superfici non-polari e le usa per legarsi a regioni non-polari sulle proteine bersaglio.
La struttura illustrata qui sotto sulla sinistra (file PDB 1cfd) mostra la calmodulina senza calcio, mentre la struttura sulla destra (file PDB 3cln) mostra la calmodulina dopo che ha legato il calcio. Nei siti di legame non-polari si vedono le metionine colorate con i carboni magenta e lo zolfo giallo.

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Notate che, quando il calcio è assente, come nella calmodulina qui sopra a sinistra, le metionine delle tasche apolari sono chiuse su se stesse, mentre quando il calcio è legato, come nella calmodulina qui sopra a destra, questi amminoacidi non-polari formano due incavi perfetti (indicati da asterischi) che sono pronti ad afferrare la proteina bersaglio. Poiché questi incavi non-polari hanno una forma generica, la calmodulina si comporta come una proteina regolatoria versatile ed i suoi bersagli non sono costretti a possedere una sequenza specifica di amminoacidi o particolari strutture nel sito di legame.

Flessibilità della calmodulina
Le indagini NMR hanno chiaramente dimostrato che il connettore tra i due domini globulari che legano il calcio è flessibile anche quando non è legato alle proteine bersaglio. Questa grande flessibilità è evidente nelle interazioni della calmodulina con le sue proteine bersaglio.
La calmodulina si avvolge in modo caratteristico attono al suo bersaglio, con i due domini globulari che lo afferrano da entrambi i lati come un pugno chiuso attorno ad un bastone.
Le due strutture qui sotto mostrano la calmodulina legata a due diversi enzimi bersaglio (rossi):
a sinistra, la proteina chinasi II-alfa, calmodulina-dipendente, (file PDB 1cm1),
a destra, la catena leggera della miosina chinasi (file PDB 2bbm).
In entrambi i casi, nella struttura è stata inclusa solo una piccola porzione della catena proteica bersaglio (rossa). Notate che il connettore flessibile della calmodulina (verde) permette a questa di adattarsi alle forme lievemente diverse delle due proteine bersaglio.



Nella tossina dell'antrace che produce edema, mostrata qui sotto (file PDB 1k93), si può osservare una diversa geometria di legame. Quando la calmodulina si lega alla tossina (rossa), si ha una variazione conformazionale nella tossina che innesca la sua attività di adenosina fosfato ciclasi che svuota le riserve di energia della cellula ospite. Poichè la calmodulina è assente nei batteri, i batteri dell'antrace hanno imparato con l'evoluzione a sfruttare l'abbondanza di calmodulina nei loro ospiti per attivare la tossina e prendere il controllo del loro apparato cellulare.

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Esplorando la struttura
La calmodulina contiene quattro siti di legame per il calcio, ad alta affinità, quasi identici, come si può vedere nelle immagini viste più sopra.
Nella figura qui sotto sono mostrati in dettaglio due siti di legame per il calcio vicini . Sono realizzati in un punto di ripiegamento della catena tra due alfa eliche. Ogni ione calcio, carico positivamente, è circondato dalle catene laterali, cariche negativamente, di due acidi aspartici e di un acido glutammico e dagli atomi di ossigeno di una asparagina, della catena principale della proteina e di una molecola d'acqua.

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Bibliografia
Vetter, S.W. and Leclerc, E. (2003): Novel aspects of calmodulin target recognition and activation. Eur. J. Biochem. 270, pp. 404-414.
Liddington, R.C. (2002): A molecular full nelson. Nature 415, pp. 373-374.