Kalsiyum vücudumuzda en çok bulunan mineraldir. Yüzde 99′u kemik ve dişlerde, geri kalanı kaslar ve kanda depolanır. Kalsiyumun kemik yapımı dışında, kas hareketleri, sinir sisteminin düzenli çalışması ,pıhtılaşma mejanizması ve hormonların salgılanmasında da rolü vardır. Kalsiyum iyonu (Ca2+) üremeden apoptosise kadar birçok hücresel fonksiyonun kontrolünden sorumlu ikincil haberci moleküldür.

Hücre içi depolardan yada hücre dışından Ca2+ salınımıyla sitozolik serbest Ca2+ konsantrasyonundaki değişim kalsiyum bağlayıcı proteinlerin (CaBP) aktivasyonuna ve buna bağlı olarak spesifik protein kinazların fosforilasyonuna neden olur . Ca2+ bağımlı sinyal iletim sistemi, kas kasılması, sekresyon yada enzim aktivasyonu gibi fonksiyonlar için önemli bir mekanizmadır . Bu sinyalin birçok büyüme faktörü ve mitojeni DNA transkripsiyonu düzeyinde aktive etmesiyle hücre farklılaşması sağlanır .

Kalsiyum bağlayıcı proteinler hücreiçi Ca2+ konsantrasyonundaki değişime bağlı olarak enzim, kanal ve yapısal proteinlerin aktivitelerini düzenleyen bir dizi protin grubudur. Bu proteinleri kısaca hatırlayalım dilerseniz…

Kalmodulin, hemem hemen tüm ökaryotik hücrelerde bulunan EF-el yapısına sahip 17 kDa luk bir proteindir ve dört Ca2+ bağlama bölgesi bulunur. Ca2+ iyonunun başlıca hücreiçi reseptörü olan kalmodulin çeşitli protein kinazların aktivitesini kontrol etmektedir. 

Kalretisulin eritrositler dışında her hücre tipinde bulunur ve molekül ağırlığı yaklaşık 46 kDa’dur. Başlıca görevi hücre içi ve endoplazmik reticulum (ER) Ca2+ konsantrasyonunu düzenlenmektir. ER’den salınacak proteinlerin kalite kontrolünde görev alan bir şaperondur .

Kalretisulin, ayrıca;

Kalsekestrin, iskelet ve kalp kası sarkoplazmik retikulumunda en sık rastlanan CaBP’dir. Bu protein elli kalsiyum bağlama bölgesi içerir. Kalsekestrinin yüksek depolama kapasitesi kasılma için gereken Ca2+’nın 20mM’a kadar depolanmasını sağlar .

S100 protein ailesi ortak kalsiyum bağlayıcı EF-el motifine sahip en az yirmi bir farklı proteinden oluşur ve molekül ağırlıkları 9–13 kDa arasında değişir. S100 proteinleri farklı hedef proteinlerle etkileşimlere girerek, protein fosforilasyonu, immun cevap, büyüme, farklılaşma, hücre iskeleti hareketi, enzim aktivitesi, Ca2+ homeostazisi gibi çeşitli fonksiyonlarda önemli rol oynar. Hücre dışında yer alan S100 proteinleri inflamatuar hücrelerin aktivitesini uyararak nöronal farklılaşma, astrosit proliferasyonunda rol alır .

Anneksinler, yalnız ökaryotik hücrelerde bulunan kalsiyum bağlayıcı membran proteinleridir. Hücrede kalsiyum sinyalizasyonu, vezikül hareketi, hücre bölünmesi, apoptozis, büyümenin düzenlenmesi gibi fonksiyonları vardır.

C2-bölgesi yüz otuz aminoasit uzunluğunda kalsiyum bağlayıcı bir yapıdır. C2-bölgesi, GTPazların aktivasyonu, membran trafiği, lipit-ikincil habercilerin üretimi, protein fosforilasyonunun kontrolü gibi önemli hücresel fonksiyonlarda rol oynar. Grup olarak, C2-bölgesi bulunan proteinler Ca2+, fosfolipitler, inozitol polifosfatlar gibi hücreiçi farklı birçok liganda bağlanabilme özelliği gösterirler.

“Calmyrin”, dört EF-el yapısı içeren mebrana bağlı bir proteindir.

 “Calbindin”, Ca2+’ya yüksek afinitesi olan EF-el motifine sahip, nöronal fonksiyonlar ve böbrek ile ince bağırsak epitel hücrelerinde Ca2+ taşınımı için gerekli önemli bir proteindir .

“Aralar 1” ve “citrin” mitokondride kalsiyum bağlayan aspartat/glutamate taşıyıcısıdır. Kalsiyum bağlayıcı bu proteinlerin ekstramitokondriyel matriksde bulunması organele Ca2+ girişi olmadan mitokondriyel Ca2+ sinyal iletimini sağlamaktadır .

Kalneksin, protein sentezi, katlanma ve posttranslasyonel modifikasyonlar sırasında proteinlerin kalite kontrolünde önemli rol oynar.

“Centrin” EF-el yapısı içeren kalmodulinin prototipi olarak kabul edilebilen CaBP’dir.

Öncelikle kısaca apopozis’i hatırlayalım !

  

Apoptozis hem fizyolojik hem de patolojik olarak istenmeyen, hasar görmüş ya da potansiyel olarak neoplastik hücrelerin uzaklaştırılmasında başvurulan bir hücre intihar mekanizmasıdır. Bu içsel intihar formunun temelinde genetik mekanizma vardır. Apoptozis tipik morfolojik ve biyokimyasal özelliklere sahiptir. Göze çarpan morfolojik değişimler hücre küçülmesi, nuklear kromatinin yoğunlaşması, nukleusun fragmantasyonu ve DNA’nın internukleozomal alandan ayrılmasıdır.

Apoptozis ilk kez 1885’de Flemming tarafından gözlenmiş ve bu durum kromatolizis (chromatolizis) olarak isimlendirilmiştir. Flemming memelilerin ovaryum folikülleri üzerinde çalışmış ve foliküllerin epitelyal hattındaki hücrelerde nukleusun yıkıma uğradığını ve sonuç ta ortadan kaybolduğunu gözlemiştir. O yıllarda kromatolizis (chromatolizis) kavramı farklı araştırıcılar tarafından farklı şekillerde kullanılmıştır. Örneğin nöropatologlar aksona geçişten sonra nissle taneciklerinin yıkımı için bu terimi kullanırlarken; Flemming vb. embriyolojistler bu terimi gerçek anlamında benimsemişlerdir. Glücksman (1950), embriyodaki fizyolojik hücre ölü münü kromatolizise dayandırmıştır. Hücre nukleusunun ve sitoplazmanın sıvı kaybıyla küçüldüğünü , nuklear boyalariçin affinitenin yitirildiğini, feulgen negatif hale geldiğini, nukleusun indirgenip ortadan kaybolduğunu ve daha sonra ise dejenere olan hücre komşusu tarafından fagosite edildiğini belirtmiştir.

1950’lerin sonlarına doğru DeDuve lizozomlardan kaynaklanan hücre intiharı fikrini ortaya atmıştır. Hücrelerin kendi içlerinde intihar çantaları gibi rol oynayan lizozomların patlamasıyla ölebileceklerini önermiştir. Ancak bugün bilinen gerçek bunun ancak özel durumlarda gerçekleşebileceğidir. 1960’larda serbest radikal patolojisi terimi ortaya çıkmış ve hücresel organellere zarar verebilen serbest radikallerin intrasellüler salınımının hücre intiharının belirmesinde rol oynadığını belirtmiştir.

1984’de Wyllie ilk kez apoptozis terimini kullanmıştır. Spesifik biyokimyasal markerlar ekleyerek apoptotik hücrelerin farklı morfolojik değişişimlerini gözlemiştir. Bu buluşla birlikte apoptozisle ilgili araştırmalar oldukça fazla artmıştır.

Genomik DNA’nın (deoksiribonükleik asit) internukleozomal fragmantasyonu son yıllarda apoptozisin en belirgin biyokimyasal işareti olarak düşünülmektedir. Tüm bu özelliklerin oluşumu enerjiye bağımlıdır. Bundan dolayı apoptozis enerjiye bağımlı işlemlerle hücreyi ölüme sürükler. Caspase ailesi proteazları, BCL-2 ailesi proteinleri ve p53 gen ürünü apoptozisin düzenlenmesinde merkezi rol oynar.

Hücre içi Ca2+ konsantrasyonu apoptozisde çok önemli bir rol oynar. Hücre ölümü ile ilişkili kalsiyum bağımlı moleküller hakkında yapısal bilginin sınırlı olması, Ca2+ ve apoptozis arasındaki ilişkinin detaylı olarak bilinememesine neden olmaktadır. Hücreiçi Ca2+’nın geçici olarak yükselmesi kasılma, sekresyon, fertilizasyon,

proliferasyon, metabolizma, kalp atışı ve hafıza gibi birçok durumda sinyal rolü oynamaktadır. Ancak, Ca2+ konsantrasyonunun uzun süreli yükselmesi (10μM’ın üzerine çıkması) apoptozisi uyarır ve hücre için tehlikelidir .

“Calpain” merkezi sinir sistemi ile ilgili hastalıklarla ilişkili Ca2+-bağımlı proteolitik bir enzimdir. Hücreiçi Ca2+ düzeyinin artışı “calpain” in aşırı aktivasyonuna neden olur. Böylece hücre iskeleti ve membran proteinlerinin parçalanması artar ve sinir hücrelerinin bütünlüğünün bozulması ile hücre ölümü gerçekleşir.

“Calpain” aktivitesinin hücrede hangi mekanizmalarla düzenlendiği kesin olarak bilinmemekle birlikte, membran kaynaşması, sinyal iletim mekanizmaları ve apoptosis ile ilgili çeşitli fonksiyonlarda görev alır .

ALG-2 (apoptosis-linked gene 2 product) apoptosis ile doğrudan ilişkisi ortaya çıkarılmış ilk CaBP’dir ve T hücresi reseptörü uyarılması, Fas ve glukokortikoid bağımlı hücre ölümünde etkilidir . ALG- 2, kanserli dokularda yüksek aktiviteye sahiptir ve bu özelliği ile ileride klinikte kanser belirteci olarak kullanılabilir.

“Calbindin-D28k” sinir hücrelerinde bulunan CaBP’dir ve kalsiyum tamponlama özelliği ile sinir hücrelerini artmış kalsiyumun zararlı etkilerinden korur. “Calbindin” in Ca2+ tamponlama özelliği, mitokondriye Ca2+ girişinin ve depolarizasyonun sınırlandırılmasını sağlar, bu şekilde hücrenin apoptozise girmesini engeller.

Aynı şekilde ER’nin lümenindeki kalretisulin ile sitoplazmadaki “calcineurin” arasındaki sinyalizasyon, kalsiyum bağımlı apoptotik yolun uyarılmasında önemli bir rol oynamaktadır .

Organizmanın gelişimi sırasında hücre proliferasyonu, farklılaşması ve ölümü çok sayıda düzenleyici molekül ile kontrol edilir . Özellikle kasta, Ca2+ dengesinin bozukluğu birçok hastalığa neden olur . İnguinal hernia, hidrosel ve inmemiş testis dokularında farklı kalsiyum konsantrasyonları saptanmıştır .

Çeşitli patolojik durumlarla ilgili keselerdeki Ca2+ oranları, çocukluğun farklı evrelerinde çeşitli nedenlere bağlı olarak inguinal hernia veya hidrosel oluşmasına neden olur.

Miyokardiyal enfaktüs, felç ve beyin travması gibi birçok hastalığın, “calpain” aktivitesinde meydana gelen değişiklikler sonucunda ortaya çıktığı ileri sürülmektedir .

Kalp hastalıkları, nörodejeneratif ve inflamatuar hastalıklar, sedef hastalığı, yara iyileşmesi ve özellikle melanoma gibi kanser hastalıklarında, S100 proteinlerinin aşırı ekspresyonu gözlenmektedir .

S100 A4 klinikte metastatik tümörlerle ilişkili moleküler belirteç olarak kullanılmaktadır.

S100B konsantrasyonu tümör kütlesini ve tedavinin etkisini belirlemektedir. S100B konsantrasyonunun azalması tedaviye cevap verildiğini, artan S100B düzeyi ise tümörün geliştiğini gösterir. Dolaşımdaki S100B de melanoma gibi kanserlerde tedavinin yönünü tayin etmede belirleyici olmaktadır.

“Calprotectin”, S100 ailesinde yer alan ve nötrofillerde sık rastlanan bir CaBP’dir. Romatoid artrit, kistik fibrosis gibi çeşitli inflamatuar durumlarda hücre dışı sıvılarda yüksek düzeyde “Calprotectin” bulunur.

Nötrofiller, tümor hücreleri ve normal fibroblastlar gibi çeşitli hücrelere karşı büyüme-engelleyici ve apoptozisi uyarıcı aktiviteye sahiptir, ve bu fonksiyonunun “calprotectin” den kaynaklandığı düşünülmektedir.

Kalsiyum bağlayıcı proteinlerle apoptozisin görüntülenmesi sağlanmaktadır. Örneğin, anneksin A5 apoptozis sırasında hücreye bağlanır, bu protein radyoaktif olarak işaretlenerek apoptozis görüntülenebilir .

Radyoaktif işaretli anneksin ile apoptozisin görüntülenmesi tekniği Avrupa ve Amerika’da miyokardiyal hasarların ve çeşitli kardiyovasküler bozuklukların [48], apoptotik sinyallerin ve kemoterapide tümor cevabının [49,50] belirlenmesinde sık kullanılan bir yöntemdir.

Kalsiyum bağlayıcı protein olan plazma gelsolinindeki mutasyon Alzhemier gibi amiloid hastalıklara yol açmaktadır. Kalretisulin eksikliği ise kardiyak gelişim engellediği için öldürücüdür. Ayrıca proteinin aşırı eksprese edilmesi bradikardi ve ani ölüme neden olur

Çok sayıda hücresel fonksiyon Ca2+ iyonunun hücre içi konsantrasyonu ile kontrol edilmektedir. Ca2+ hücre bölünmesi, farklılaşması ve apoptozis gibi önemli fonksiyonlarda önemli bir sinyal molekülü olarak etki gösterir. Ancak Ca2+ konsantrasyonunun uzun süreli yükselmesi hücre için tehlikelidir. Kalsiyum bağlayıcı proteinlerin tamponlama etkisi ile hücrede yüksek kalsiyuma bağlı olarak ortaya çıkacak zararlı etkiler ortadan kaldırılır.

Özetlemek gerekirse bu moleküllerin hücredeki konsantrasyonunun artışı yada azalışı canlılarda kanser ve kalp hastalıkları gibi önemli patolojik durumlara yol açar. CaBP’ lerin ileri laboratuvar teknikleri ile incelenmesi ile önümüzdeki yıllarda yapılacak araştırmalar, bu protein ailesinin öneminin daha iyi anlaşılmasını sağlayacaktır.

CaBP üzerine etki ederek hücrede kalsiyum konsantrasyonunun belirli düzeyde tutulmasını sağlayan çeşitli ilaçların araştırılması ve bu ilaçların bazı hastalıkların tedavisindeki rollerinin belirlenmesi araştırılmayı bekleyen konular arasındadır ve kanımızca çok önemli bir araştırma alanıdır.