Calcium-bindende Proteine

Bereits auf der Seite über Calcium als second messenger wurde gesagt, dass sich Calcium-Ionen gleichzeitig mit sechs bis acht negativ geladenen Protein-Seitenketten verbinden und damit die Tertiärstruktur eines Proteins erheblich verändern können.

Es gibt eine ganze Reihe solcher Calcium-bindenden Proteine, die wichtigsten wollen wir hier einmal aufzählen und kurz beschreiben. Das Spektrum-Lexikon der Biololgie führt Troponin C in Muskelzellen als erstes Ca²⁺-bindendes Protein an, das entdeckt wurde. Das Calmodulin ist ein sehr bekanntes und wichtiges Protein im Cytoplasma fast aller Zellen. Dann gibt es noch das Calsequestrin und das Calreticulin im endoplasmatischen Reticulum der Muskelzellen und schließlich das Calbindin in den Nervenzellen des Kleinhirns.

Im Lehrbuch von Stryer ist außerdem von dem Protein Prothrombin die Rede, das dort ebenfalls als calciumbindendes Protein bezeichnet wird.

Troponin C

Troponin C ist ein Calcium-bindendes Protein der quergestreiften Muskulatur. Es ist Teil des Troponin-Komplexes und spielt eine zentrale Rolle bei der Regulation der Muskelkontraktion. Wenn Calcium-Ionen an Troponin C binden, verändert das Protein seine räumliche Struktur. Dadurch werden weitere Proteine des kontraktilen Apparats beeinflusst, sodass Aktin und Myosin miteinander wechselwirken können.

Troponin C übersetzt also ein Calcium-Signal direkt in eine mechanische Reaktion der Muskelzelle. 

Calmodulin

Calmodulin ist ein relativ kleines Protein aus 148 Aminosäuren. Das Calmodulin-Molekül kann vier Ca²⁺-Ionen binden. Der Name "Calmodulin" ist übrigens eine Abkürzung für "Calcium moduliertes Protein".

Wenn sich ein Ca²⁺/Calmodulin-Komplex an die alpha-Helix eines Proteins bindet und dabei seine Konformation ändert, dann kann das bei diesem Protein ebenfalls eine Konformations-Änderung auslösen, welche dieses Protein dann aktiviert.

Besonders hervorzuheben sind hier die calmodulinabhängigen Proteinkinasen (CaM-Kinasen). Proteinkinasen sind Enzyme, die andere Proteine (und damit auch viele Enzyme) phosphorylieren können. Auch bei diesen CaM-Kinasen bindet der Ca²⁺/Calmodulin-Komplex an eine außenliegende α-Helix.

Calsequestrin

Bei diesem Protein handelt es sich um einen wahren Calciumfänger! Das Molekül kann gleichzeitig bis zu 65 Ca²⁺-Ionen binden, allerdings mit recht geringer Affinität. Das heißt, die Ca²⁺-Ionen können sich auch sehr leicht wieder von dem Protein lösen.

Die Hauptaufgabe von Calsequestrin ist die reversible Speicherung von Ca²⁺-Ionen. Damit verbunden ist die Entfernung der Ca²⁺-Ionen aus den Zisternen des sarkoplasmatischen Reticulums. Das hat zur Folge, dass die Konzentration freier Ca²⁺-Ionen in den Zisternen nicht mehr ganz so hoch ist, und das wiederum erleichtert die Arbeit der Ca²⁺-Pumpen, die Ca²⁺-Ionen aus dem Zellplasma in das sarkoplasmatische Reticulum pumpen.

Calreticulin

Calreticulin ist ein wichtiges Calcium-bindendes Protein im Lumen des endoplasmatischen Retikulums. Dort dient es einerseits als Calcium-Speicher und trägt andererseits zur Faltung neu gebildeter Proteine bei. Es gehört damit zu den Proteinen, die Calcium-Haushalt und Proteinreifung miteinander verknüpfen. Veränderungen in der Menge oder Funktion von Calreticulin können die Calcium-Konzentration im ER und damit auch zelluläre Signalwege beeinflussen.

Calbindin

Calbindin ist ein Calcium-bindendes Protein, das in verschiedenen Geweben vorkommt, besonders in Nervenzellen sowie in Darm und Niere. Seine wichtigste Funktion besteht darin, Calcium-Ionen innerhalb der Zelle zu binden und damit vorübergehend zu puffern. Auf diese Weise hilft Calbindin, starke Schwankungen der freien Calcium-Konzentration im Cytoplasma zu vermeiden.

In einigen Geweben unterstützt es außerdem den gerichteten Calcium-Transport. Besonders in Nervenzellen wird angenommen, dass Calbindin zur Stabilisierung von Calcium-Signalen und zum Schutz vor Calcium-bedingten Zellschäden beiträgt. 

Prothrombin

Prothrombin ist ein Vorläuferprotein des Enzyms Thrombin und spielt eine zentrale Rolle bei der Blutgerinnung. Es gehört zu den Vitamin-K-abhängigen Proteinen und besitzt eine Calcium-bindende Domäne. Durch die Bindung von Calcium kann Prothrombin an bestimmte Membranoberflächen binden, was für seine Aktivierung wichtig ist. Nach der Aktivierung entsteht Thrombin, das Fibrinogen in Fibrin umwandelt und damit die Bildung eines Blutgerinnsels ermöglicht.