As vidas de muitos cientistas experimentais são dedicadas à investigação da natureza, viva ou morta, para descobrir as leis intrínsecas que a rege. Programas de TV como “Testemunha Silenciosa” ou “Médicos Detetives” ilustram o uso de instrumentação científica para resolução de mistérios, em típicos laboratórios de química, extraindo informação registrada em ossos, dentes, cabelo, etc.- e obviamente em armas. Muitos anos de pesquisa científica têm demonstrado que o íon cálcio é muito mais versátil do que sugere seu papel familiar como o material básico dos ossos e dentes. Este longo esforço de pesquisa tem demonstrado que o íon cálcio é um mensageiro intracelular quase universal.1 O íon participa na transcrição genética, contração muscular, proliferação celular e muitos outros processos onde é crucial o controle da quantidade de cálcio no compartimento intracelular.2
Em três histórias verdadeiras do papel do íon cálcio, nos mundos animal e vegetal, discutiremos questões para ilustrar seu impacto na vida animal: 1) Como é controlada a quantidade de cálcio dentro de uma célula humana? 2) Qual é o papel e a estrutura química do cálcio dentro dos ossos? 3) Está o cálcio armazenado em alguma estrutura particular e, é importante para o funcionamento do cérebro?
Este primeiro ensaio abordará brevemente a questão: Como é controlada a quantidade de cálcio na célula humana?
O transporte de cálcio celular tem sido assunto de estudos científicos muito cuidadosos, já que tem grande importância em nossas vidas. O cálcio é encontrado na matéria viva em duas formas minerais: i) em solução, na forma de íons dissociados, que possuem um importante papel para a função celular, e ii) na forma de estruturas fixas muito pouco solúveis ou insolúveis no esqueleto e em secreções do compartimento celular. As secreções celulares podem estar na forma de carbonatos, fosfatos (nos ossos de vertebrados) ou oxalatos. Quando os sais nessas secreções são demasiado abundantes, as mesmas têm uma tendência a sedimentar e criam problemas de fisiologia celular (pedras e cristais em diferentes órgãos).
Para evitar tais situações, os sais de cálcio na forma dissolvida são dissociados em íons e, o controle da concentração desses íons dentro da célula envolve um trabalho fisiológico específico, e assim consumo energético. Desta forma, nas células da musculatura lisa de animais, existem canais de cálcio nos quais uma enzima chamada ATPase de cálcio (ver figura abaixo) expulsa o excesso de íons cálcio para fora do interior líquido da célula (chamado de citosol) para o compartimento extracelular, trasformando ATP em ADP (isto é, gastando energia).
Variações menores no equilíbrio iônico de íons aparentemente simples tais como sódio, potássio e cálcio podem ter efeitos desastrosos e modificar a permeabilidade, irritabilidade, contractilidade e viscosidade celular. O cálcio, em conjunto com os cátions sódio, potássio e magnésio, constitui o conjunto mais significativo dos sais minerais em solução, controlando a pressão, a condução dos sinais dos impulsos nervosos e a comunicação no coração e cérebro. Este é um alvo estratégico para drogas que bloqueiam canais de cálcio, isto é, aquelas que especificamente ativam ou inibem o fluxo do cálcio através das membranas.
Muitos dos efeitos desastrosos causados pelo desequilíbrio iônico são devidos ao fato de que íons como sódio, potássio e cálcio exercem efeitos antagônicos. Por exemplo, o potássio baixa a viscosidade do citoplasma, enquanto que o cálcio a eleva. Usando micelas (veja figura abaixo)3, as quais servem como modelos simplificados de uma membrana celular, os químicos tentam compreender como estes cátions se ligam seletivamente na parece celular.
Necessitaremos muitos anos de pesquisa na química e bioquímica destes processos para compreender totalmente as razões pelas quais o cálcio foi selecionado pela natureza para ser um mensageiro químico de alto impacto. O próximo ensaio abordará aspectos da rastreabilidade deste íon em organismos animais.
Referências bibliográficas
1) Clapham, D.E. “Calcium Signaling.”Cell (2007)131,14, p.1047.
2) Caso você deseje assistir um video que mostra a vida no interior de uma célula, recomendamos: “Inner Life of the Cell” por Alain Viel, Robert A. Lue (conception and scientific content, Harvard) e John Liebler (animation, XVIVO): http://multimedia.mcb.harvard.edu/anim_innerlife_hi.html. Source:http://multimedia.mcb.harvard.edu/
3)Dreyer, J.P.; Pedro, J.A.;Fiedler, H.D.; Nome, F. “Incorporation of Sodium and Potassium Ions in Micelles of Dipolar Ionic Surfactants.” 12th Latin American Conference on Physical Organic Chemistry, Abstract Book (2013) P.87; p.135.
Em três histórias verdadeiras do papel do íon cálcio, nos mundos animal e vegetal, discutiremos questões para ilustrar seu impacto na vida animal: 1) Como é controlada a quantidade de cálcio dentro de uma célula humana? 2) Qual é o papel e a estrutura química do cálcio dentro dos ossos? 3) Está o cálcio armazenado em alguma estrutura particular e, é importante para o funcionamento do cérebro?
Este primeiro ensaio abordará brevemente a questão: Como é controlada a quantidade de cálcio na célula humana?
O transporte de cálcio celular tem sido assunto de estudos científicos muito cuidadosos, já que tem grande importância em nossas vidas. O cálcio é encontrado na matéria viva em duas formas minerais: i) em solução, na forma de íons dissociados, que possuem um importante papel para a função celular, e ii) na forma de estruturas fixas muito pouco solúveis ou insolúveis no esqueleto e em secreções do compartimento celular. As secreções celulares podem estar na forma de carbonatos, fosfatos (nos ossos de vertebrados) ou oxalatos. Quando os sais nessas secreções são demasiado abundantes, as mesmas têm uma tendência a sedimentar e criam problemas de fisiologia celular (pedras e cristais em diferentes órgãos).
Para evitar tais situações, os sais de cálcio na forma dissolvida são dissociados em íons e, o controle da concentração desses íons dentro da célula envolve um trabalho fisiológico específico, e assim consumo energético. Desta forma, nas células da musculatura lisa de animais, existem canais de cálcio nos quais uma enzima chamada ATPase de cálcio (ver figura abaixo) expulsa o excesso de íons cálcio para fora do interior líquido da célula (chamado de citosol) para o compartimento extracelular, trasformando ATP em ADP (isto é, gastando energia).
Membrana celular com ATPase de cálcio (bomba de cálcio) que expulsa o excesso deste íon
Variações menores no equilíbrio iônico de íons aparentemente simples tais como sódio, potássio e cálcio podem ter efeitos desastrosos e modificar a permeabilidade, irritabilidade, contractilidade e viscosidade celular. O cálcio, em conjunto com os cátions sódio, potássio e magnésio, constitui o conjunto mais significativo dos sais minerais em solução, controlando a pressão, a condução dos sinais dos impulsos nervosos e a comunicação no coração e cérebro. Este é um alvo estratégico para drogas que bloqueiam canais de cálcio, isto é, aquelas que especificamente ativam ou inibem o fluxo do cálcio através das membranas.
Muitos dos efeitos desastrosos causados pelo desequilíbrio iônico são devidos ao fato de que íons como sódio, potássio e cálcio exercem efeitos antagônicos. Por exemplo, o potássio baixa a viscosidade do citoplasma, enquanto que o cálcio a eleva. Usando micelas (veja figura abaixo)3, as quais servem como modelos simplificados de uma membrana celular, os químicos tentam compreender como estes cátions se ligam seletivamente na parece celular.
Micela de um surfactante dipolar iônico
Necessitaremos muitos anos de pesquisa na química e bioquímica destes processos para compreender totalmente as razões pelas quais o cálcio foi selecionado pela natureza para ser um mensageiro químico de alto impacto. O próximo ensaio abordará aspectos da rastreabilidade deste íon em organismos animais.
Referências bibliográficas
1) Clapham, D.E. “Calcium Signaling.”Cell (2007)131,14, p.1047.
2) Caso você deseje assistir um video que mostra a vida no interior de uma célula, recomendamos: “Inner Life of the Cell” por Alain Viel, Robert A. Lue (conception and scientific content, Harvard) e John Liebler (animation, XVIVO): http://multimedia.mcb.harvard.edu/anim_innerlife_hi.html. Source:http://multimedia.mcb.harvard.edu/
3)Dreyer, J.P.; Pedro, J.A.;Fiedler, H.D.; Nome, F. “Incorporation of Sodium and Potassium Ions in Micelles of Dipolar Ionic Surfactants.” 12th Latin American Conference on Physical Organic Chemistry, Abstract Book (2013) P.87; p.135.
Calcium ion: A chemical messenger with high impact by Haidi Fiedler, INCT-Catalysis, UFSC, Brazil
English version revised by Professor Anthony J. Kirby, Cambridge University, UK.
The lives of many experimental scientists are devoted to investigating nature, death or life, to discover the intrinsic laws that govern them. TV shows like "Silent Witness" and "Medical Detectives" illustrate the use of scientific instrumentation to solve mysteries, in typical chemical laboratories, extracting the information recorded in bones, teeth, hair, etc. – and of course guns. Many years of scientific research have shown that calcium ion is far more versatile than its familiar role as the basic material of bones and teeth would suggest. These long research efforts have shown that the calcium ion is an almost universal intracellular messenger.1 The ion participates in the transcription of genes, muscle contraction, cell proliferation, and many other processes where it is crucial to control the amount of calcium in an intracellular compartment.2
In three true stories of the roles of the calcium ion in the plant and animal worlds we discuss questions to illustrate its impact on animal life: 1) How is the amount of calcium inside a human cell controlled? 2) What is the role and chemical structure of calcium in bones? 3) Is calcium stored in a particular structure, and it is important for the functioning of the brain?
This first essay briefly addresses the question: How is the amount of calcium in a human cell controlled?
Cellular calcium transport has been the subject of very careful scientific studies, since it has great importance in our lives. Calcium is found in living matter in two mineral forms: i) in solution, in the form of dissociated ions which play important roles for cellular function, and ii) in the form of fixed structures with little or no solubility in cell compartment secretions and in the skeleton. The cell secretions can be in the form of carbonates, phosphates (in the bones of vertebrates) or oxalates. When the salts in these secretions are too abundant, they have the tendency to sediment and create problems of cellular physiology (stones and crystals in different organs).
To avoid such situations, calcium salts in dissolved form are dissociated into ions, and the control of the concentration of these ions inside the cell involves specific physiological work, and thus energy consumption. Thus, in the smooth muscle cells of animals, there are calcium channels in which an enzyme called calcium ATPase (see figure below) expels the excess of calcium ions from the liquid interior of the cell (the cytosol) to the extracellular compartment, transforming ATP into ADP (i.e. expending energy).
Minor variations in the ionic balance of seemingly simple ions such as sodium, potassium and calcium can have disastrous effects and modify the permeability, irritability, contractility and cell viscosity. Calcium, together with sodium, potassium and magnesium cations, makes up the main set of mineral salts in solution, controlling the pressure, the signals of nerve impulse conduction and communication in the brain and heart. This is the target area for drugs that block calcium channels, i.e., that specifically inhibit or activate the flow of calcium ions across membranes.
Many of the disastrous effects caused by ionic imbalance are due to the fact that ions such as sodium, potassium and calcium exert antagonistic effects: for example, potassium lowers the viscosity of the cytoplasm, while calcium increases it. Using micelles (see figure below)3, which serve as simple models of the cell membrane, chemists try to understand how these cations bind selectively in the cell wall.
We will need many years of research into the chemistry and biochemistry of these processes to fully understand why calcium ion was selected by nature to be a chemical messenger of such high impact. The next essay will say more about the traceability of this ion in animal organisms.
References
1) Clapham, D.E. “Calcium Signaling.”Cell (2007)131,14, p.1047.
2) If you would like to watch an award winning video about the life inside a cell, we recommend the “inner Life of the Cell” by Alain Viel, Robert A. Lue (conception and scientific content, Harvard) and John Liebler (animation, XVIVO): http://multimedia.mcb.harvard.edu/anim_innerlife_hi.html. Source: http://multimedia.mcb.harvard.edu/
3)Dreyer, J.P.; Pedro, J.A.;Fiedler, H.D.; Nome, F. “Incorporation of Sodium and Potassium Ions in Micelles of Dipolar Ionic Surfactants.” 12th Latin American Conference on Physical Organic Chemistry, Abstract Book (2013) P.87; p.135.
In three true stories of the roles of the calcium ion in the plant and animal worlds we discuss questions to illustrate its impact on animal life: 1) How is the amount of calcium inside a human cell controlled? 2) What is the role and chemical structure of calcium in bones? 3) Is calcium stored in a particular structure, and it is important for the functioning of the brain?
This first essay briefly addresses the question: How is the amount of calcium in a human cell controlled?
Cellular calcium transport has been the subject of very careful scientific studies, since it has great importance in our lives. Calcium is found in living matter in two mineral forms: i) in solution, in the form of dissociated ions which play important roles for cellular function, and ii) in the form of fixed structures with little or no solubility in cell compartment secretions and in the skeleton. The cell secretions can be in the form of carbonates, phosphates (in the bones of vertebrates) or oxalates. When the salts in these secretions are too abundant, they have the tendency to sediment and create problems of cellular physiology (stones and crystals in different organs).
To avoid such situations, calcium salts in dissolved form are dissociated into ions, and the control of the concentration of these ions inside the cell involves specific physiological work, and thus energy consumption. Thus, in the smooth muscle cells of animals, there are calcium channels in which an enzyme called calcium ATPase (see figure below) expels the excess of calcium ions from the liquid interior of the cell (the cytosol) to the extracellular compartment, transforming ATP into ADP (i.e. expending energy).
Cell Membrane and the Calcium ATPase pump, which ejects calcium from the cell
Minor variations in the ionic balance of seemingly simple ions such as sodium, potassium and calcium can have disastrous effects and modify the permeability, irritability, contractility and cell viscosity. Calcium, together with sodium, potassium and magnesium cations, makes up the main set of mineral salts in solution, controlling the pressure, the signals of nerve impulse conduction and communication in the brain and heart. This is the target area for drugs that block calcium channels, i.e., that specifically inhibit or activate the flow of calcium ions across membranes.
Many of the disastrous effects caused by ionic imbalance are due to the fact that ions such as sodium, potassium and calcium exert antagonistic effects: for example, potassium lowers the viscosity of the cytoplasm, while calcium increases it. Using micelles (see figure below)3, which serve as simple models of the cell membrane, chemists try to understand how these cations bind selectively in the cell wall.
Micelle of a dipolar ionic surfactant
We will need many years of research into the chemistry and biochemistry of these processes to fully understand why calcium ion was selected by nature to be a chemical messenger of such high impact. The next essay will say more about the traceability of this ion in animal organisms.
References
1) Clapham, D.E. “Calcium Signaling.”Cell (2007)131,14, p.1047.
2) If you would like to watch an award winning video about the life inside a cell, we recommend the “inner Life of the Cell” by Alain Viel, Robert A. Lue (conception and scientific content, Harvard) and John Liebler (animation, XVIVO): http://multimedia.mcb.harvard.edu/anim_innerlife_hi.html. Source: http://multimedia.mcb.harvard.edu/
3)Dreyer, J.P.; Pedro, J.A.;Fiedler, H.D.; Nome, F. “Incorporation of Sodium and Potassium Ions in Micelles of Dipolar Ionic Surfactants.” 12th Latin American Conference on Physical Organic Chemistry, Abstract Book (2013) P.87; p.135.
Calcium ionen: Chemische Botenstoffe mit grosser Wirkung. Von Haidi Fiedler, INCT-Catalysis, UFSC, Brazil
Übersetzt von Peter Lachman, Universität Stockholm
Viele experimentelle Wissenschaftler widmen ihr Leben der Untersuchung von Natur, Tod oder Leben und den Gesetzen, die sie beeinflussen. Fernsehprogramme wie "Silent Witness" und "Medical Detectives" veranschaulichen die Verwendung von wissenschaftlichen Instrumenten und Vorgehensweisen, die typischerweise in Chemielaboren eingesetzt werden, um verschiedene Rätsel zu loesen. Dabei wird die in Knochen, Zähnen, Haaren, etc und natuerlich auch Waffen gespeicherte information extrahiert.
In viele Jahre der wissenschaftlichen Forschung hat sich gezeigt, dass Calcium-Ionen weitaus vielseitiger sind als ihre vertraute Rolle als Material in Knochen und Zähnen vorschlagen würde. Diese langen Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass das Calcium-Ion ein nahezu universeller intrazellulärer Botenstoff ist.1 Die Ionen beteiligen sich an der Transkription von Genen, Muskelkontraktion, Zellproliferation und vielen anderen Prozessen. Bei diesen Prozessen ist es wichtig, dass die Calciumkonzentration im Inneren der Zelle geregelt wird.2
Hier beschreiben wir in drei wahren Geschichten die Rolle der Calcium-Ionen in Pflanzen- und Tierwelt: 1) Wie wird die Calciumkonzentration in menschlichen Zellen kontrolliert und geregelt? 2) Was ist die Funktion und die chemische Struktur von Calcium in Knochen? 3) Ist Calcium in einer bestimmten Struktur gespeichert, und ist es für die Funktion des Gehirns wichtig?
Dieser erste Artikel befasst sich kurz mit der Frage: Wie wird die Calciumkonzentration in menschlichen Zellen kontrolliert und geregelt?
Zellulärer Calciumtransport wurde in wissenschaftlichen Studien genau untersucht, da er große Bedeutung in unserem Leben hat. Calcium findet sich in lebender Materie in zwei mineralischen Formen: i) in Lösung, in Form von dissoziierten Ionen, die eine wichtige Rolle für die zelluläre Funktion und spielen, ii) in Form von Strukturen, die Festigkeit verleihen und wenig bis keine Löslichkeit in Zellsekreten haben.
Zellsekrete, die Calcium enthalten, koennen in Form von Carbonaten, Phosphaten (in den Knochen der Wirbeltiere) oder Oxalaten auftreten.
Wenn die Salze in diesen Sekreten zu reichlich vorhanden sind, haben sie die Tendenz zu sedimentieren und Probleme mit der zellulären Physiologie zu verursachen (Steine und Kristalle in verschiedenen Organen).
Um solche Situationen zu vermeiden, sind Calcium-Salze in gelöster Form in Ionen dissoziiert. Die Steuerung der Konzentration dieser Ionen in der Zelle ist mit spezifischer physiologischer Arbeit und damit mit Energieverbrauch verbunden. So gibt es in den glatten Muskelzellen der Tiere Calcium-Kanäle: Ein Enzym namens Calcium ATPase (siehe Abbildung unten) pumpt überschüssige Calcium-Ionen aus der Flüssigkeit im Inneren der Zelle (Zytosol) gegen den Konzentrationsgradienten ueber die Zellmembran nach aussen und wandelt dabei ATP in ADP um (verbraucht also Energie).
Zellmembran und Calcium ATPase, welche Calcium aus der Zelle nach aussen pumpt.
Geringfügige Abweichungen im ionischen Gleichgewicht von scheinbar einfachen Ionen wie Natrium, Kalium und Calcium können gravierende Auswirkungen haben und die Durchlässigkeit, Reizbarkeit, Kontraktilität und Zellviskosität beeinflussen. Calcium zusammen mit Natrium-, Kalium- und Magnesiumkationen bilden den Hauptteil der Mineralsalze in Lösung, kontrollieren den Zelldruck, die Signale von Nervenimpulsen und die Kommunikation im Gehirn und Herz. Hierauf zielen Medikamente, die Einfluss auf Calcium-Kanäle haben. Diese Medikamente hemmen oder aktivieren spezifisch den Fluss von Kalzium-Ionen ueber Membranen.
Viele der Auswirkungen die durch ionisches Ungleichgewicht verursacht werden sind begruendet in der Tatsache, dass Ionen wie Natrium, Kalium und Calcium antagonistische Effekte haben: z. B. Kalium senkt die Viskosität des Zellplasmas, während Calcium sie erhöht. Mizellen (siehe Abbildung unten)3 dienen als vereinfachtes Modell der Zellmembran. Chemiker versuchen anhand dieses Modells zu verstehen, wie diese Kationen selektiv an die Zellwand binden.
Viele Jahre der Forschung in der Chemie und Biochemie dieser Prozesse müssen noch investiert werden, um in vollem Umfang zu verstehen, warum Calcium-Ionen von der Natur als ein chemischer Botenstoff von so hoher Wirkung ausgewählt wurden. Der nächste Aufsatz wird sich mit der Rückverfolgbarkeit dieser Ionen in tierischen Organismen befassen.
Literatur
1) Clapham, D.E. “Calcium Signaling.”Cell (2007)131,14, p.1047.
2) Falls Sie eine preisgekroente Animation ueber das Leben innerhalb der Zelle sehen moechten, koennen wir “inner Life of the Cell” von Alain Viel, Robert A. Lue (conception and scientific content, Harvard) and John Liebler (animation) empfehlen: http://multimedia.mcb.harvard.edu/anim_innerlife_hi.html. Source: http://multimedia.mcb.harvard.edu/
3)Dreyer, J.P.; Pedro, J.A.;Fiedler, H.D.; Nome, F. “Incorporation of Sodium and Potassium Ions in Micelles of Dipolar Ionic Surfactants.” 12th Latin American Conference on Physical Organic Chemistry, Abstract Book (2013) P.87; p.135.
In viele Jahre der wissenschaftlichen Forschung hat sich gezeigt, dass Calcium-Ionen weitaus vielseitiger sind als ihre vertraute Rolle als Material in Knochen und Zähnen vorschlagen würde. Diese langen Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass das Calcium-Ion ein nahezu universeller intrazellulärer Botenstoff ist.1 Die Ionen beteiligen sich an der Transkription von Genen, Muskelkontraktion, Zellproliferation und vielen anderen Prozessen. Bei diesen Prozessen ist es wichtig, dass die Calciumkonzentration im Inneren der Zelle geregelt wird.2
Hier beschreiben wir in drei wahren Geschichten die Rolle der Calcium-Ionen in Pflanzen- und Tierwelt: 1) Wie wird die Calciumkonzentration in menschlichen Zellen kontrolliert und geregelt? 2) Was ist die Funktion und die chemische Struktur von Calcium in Knochen? 3) Ist Calcium in einer bestimmten Struktur gespeichert, und ist es für die Funktion des Gehirns wichtig?
Dieser erste Artikel befasst sich kurz mit der Frage: Wie wird die Calciumkonzentration in menschlichen Zellen kontrolliert und geregelt?
Zellulärer Calciumtransport wurde in wissenschaftlichen Studien genau untersucht, da er große Bedeutung in unserem Leben hat. Calcium findet sich in lebender Materie in zwei mineralischen Formen: i) in Lösung, in Form von dissoziierten Ionen, die eine wichtige Rolle für die zelluläre Funktion und spielen, ii) in Form von Strukturen, die Festigkeit verleihen und wenig bis keine Löslichkeit in Zellsekreten haben.
Zellsekrete, die Calcium enthalten, koennen in Form von Carbonaten, Phosphaten (in den Knochen der Wirbeltiere) oder Oxalaten auftreten.
Wenn die Salze in diesen Sekreten zu reichlich vorhanden sind, haben sie die Tendenz zu sedimentieren und Probleme mit der zellulären Physiologie zu verursachen (Steine und Kristalle in verschiedenen Organen).
Um solche Situationen zu vermeiden, sind Calcium-Salze in gelöster Form in Ionen dissoziiert. Die Steuerung der Konzentration dieser Ionen in der Zelle ist mit spezifischer physiologischer Arbeit und damit mit Energieverbrauch verbunden. So gibt es in den glatten Muskelzellen der Tiere Calcium-Kanäle: Ein Enzym namens Calcium ATPase (siehe Abbildung unten) pumpt überschüssige Calcium-Ionen aus der Flüssigkeit im Inneren der Zelle (Zytosol) gegen den Konzentrationsgradienten ueber die Zellmembran nach aussen und wandelt dabei ATP in ADP um (verbraucht also Energie).
Geringfügige Abweichungen im ionischen Gleichgewicht von scheinbar einfachen Ionen wie Natrium, Kalium und Calcium können gravierende Auswirkungen haben und die Durchlässigkeit, Reizbarkeit, Kontraktilität und Zellviskosität beeinflussen. Calcium zusammen mit Natrium-, Kalium- und Magnesiumkationen bilden den Hauptteil der Mineralsalze in Lösung, kontrollieren den Zelldruck, die Signale von Nervenimpulsen und die Kommunikation im Gehirn und Herz. Hierauf zielen Medikamente, die Einfluss auf Calcium-Kanäle haben. Diese Medikamente hemmen oder aktivieren spezifisch den Fluss von Kalzium-Ionen ueber Membranen.
Viele der Auswirkungen die durch ionisches Ungleichgewicht verursacht werden sind begruendet in der Tatsache, dass Ionen wie Natrium, Kalium und Calcium antagonistische Effekte haben: z. B. Kalium senkt die Viskosität des Zellplasmas, während Calcium sie erhöht. Mizellen (siehe Abbildung unten)3 dienen als vereinfachtes Modell der Zellmembran. Chemiker versuchen anhand dieses Modells zu verstehen, wie diese Kationen selektiv an die Zellwand binden.
Ionisches Loesungsmittel organisiert zur Mizelle
Viele Jahre der Forschung in der Chemie und Biochemie dieser Prozesse müssen noch investiert werden, um in vollem Umfang zu verstehen, warum Calcium-Ionen von der Natur als ein chemischer Botenstoff von so hoher Wirkung ausgewählt wurden. Der nächste Aufsatz wird sich mit der Rückverfolgbarkeit dieser Ionen in tierischen Organismen befassen.
Literatur
1) Clapham, D.E. “Calcium Signaling.”Cell (2007)131,14, p.1047.
2) Falls Sie eine preisgekroente Animation ueber das Leben innerhalb der Zelle sehen moechten, koennen wir “inner Life of the Cell” von Alain Viel, Robert A. Lue (conception and scientific content, Harvard) and John Liebler (animation) empfehlen: http://multimedia.mcb.harvard.edu/anim_innerlife_hi.html. Source: http://multimedia.mcb.harvard.edu/
3)Dreyer, J.P.; Pedro, J.A.;Fiedler, H.D.; Nome, F. “Incorporation of Sodium and Potassium Ions in Micelles of Dipolar Ionic Surfactants.” 12th Latin American Conference on Physical Organic Chemistry, Abstract Book (2013) P.87; p.135.
EL ION CALCIO: UN MENSAJERO QUÍMICO DE ALTO IMPACTO por Haidi Fiedler, INCT-Catalysis, UFSC, Brasil
Traducción de Natanael F. França Rocha, Florianópolis, Brasil y revisión de Carlos Bravo Díaz, Universidad de Vigo, España
Las vidas de muchos científicos experimentales están dedicadas a la investigación de la naturaleza, viva o muerta, para descubrir las leyes intrínsecas que las rigen. Programas de televisión como "Silent Witness" y "Medical Detectives" ilustran el uso de instrumentación científica para resolver misterios, en típicos laboratorios químicos, extrayendo la información registrada en los huesos, dientes, cabello, etc. - y, obviamente, en las armas. Muchos años de investigación científica han demostrado que el ion calcio es mucho más versátil que su conocido papel como material básico de los huesos y dientes. Estos largos esfuerzos de investigación han demostrado que el ion calcio es un mensajero intracelular casi universal.1 El ion participa en la transcripción de genes, la contracción muscular, la proliferación celular, y muchos otros procesos en los que es crucial el control de la cantidad de calcio en el compartimiento intracelular.2
Mediante tres historias reales sobre el papel del ion calcio, en los mundos vegetal y animal, discutiremos tres preguntas para ilustrar su impacto en la vida animal: 1) ¿Cómo es controlada la cantidad de calcio en el interior de una célula humana? 2) ¿Cual es el papel y la estructura química del calcio en los huesos? 3) ¿Es el calcio almacenado en una estructura particular, y es importante para el funcionamiento del cerebro?
Este ensayo abordará brevemente la primera pregunta: ¿Cómo es controlada la cantidad de calcio en el interior de una célula humana?
El transporte de calcio celular ha sido objeto de estudios científicos muy cuidadosos, ya que tiene gran importancia en nuestras vidas. El calcio se encuentra en la materia viva en dos formas minerales: i) en disolución, en forma de iones disociados que juegan un papel importante para la función celular, y ii) en la forma de estructuras fijas poco solubles o insolubles en el esqueleto y en las secreciones del compartimento celular. Las secreciones celulares pueden presentrarse en forma de carbonatos, fosfatos (en los huesos de los vertebrados) u oxalatos. Cuando la concentración de sales de estas secreciones es demasiado elevado, éstas tienden a sedimentarse, y crean problemas de fisiología celular (piedras y cristales en diferentes órganos).
Para evitar tales situaciones, las sales solubles de calcio se disocian en forma de iones, y el control de la concentración de estos iones dentro de la célula implica un trabajo fisiológico específico, y por lo tanto el consumo de energía. En las células musculares de los animales, hay canales de calcio en los que una enzima llamada ATPasa de calcio (ver figura de abajo) expulsa el exceso de iones calcio desde el interior líquido de la célula (el citosol) al compartimento extracelular, trasformando ATP en ADP (es decir, gastando energía).
Zellsekrete, die Calcium enthalten, koennen in Form von Carbonaten, Phosphaten (in den Knochen der Wirbeltiere) oder Oxalaten auftreten.
Wenn die Salze in diesen Sekreten zu reichlich vorhanden sind, haben sie die Tendenz zu sedimentieren und Probleme mit der zellulären Physiologie zu verursachen (Steine und Kristalle in verschiedenen Organen).
Um solche Situationen zu vermeiden, sind Calcium-Salze in gelöster Form in Ionen dissoziiert. Die Steuerung der Konzentration dieser Ionen in der Zelle ist mit spezifischer physiologischer Arbeit und damit mit Energieverbrauch verbunden. So gibt es in den glatten Muskelzellen der Tiere Calcium-Kanäle: Ein Enzym namens Calcium ATPase (siehe Abbildung unten) pumpt überschüssige Calcium-Ionen aus der Flüssigkeit im Inneren der Zelle (Zytosol) gegen den Konzentrationsgradienten ueber die Zellmembran nach aussen und wandelt dabei ATP in ADP um (verbraucht also Energie).
Pequeñas variaciones en el equilibrio iónico de iones aparentemente simples, tales como sodio, potasio y calcio, pueden tener efectos desastrosos y modificar la permeabilidad, la irritabilidad, la contractilidad y la viscosidad de la célula. El calcio, junto con los cationes sodio, potasio y magnesio, constituye el conjunto más significativo de sales minerales en disolución, controlando la presión, la conducción de las señales de los impulsos nerviosos y la comunicación en el corazón y el cerebro. Este es un objetivo estratégico para los fármacos que bloquean los canales de calcio, es decir, aquellos que específicamente activan o inhiben el flujo de calcio a través de las membranas celulares.
Muchos de los efectos desastrosos causados por el desequilibrio iónico son debidos al hecho de que los iones tales como sodio, potasio y calcio ejercen efectos antagónicos. Por ejemplo, el potasio disminuye la viscosidad del citoplasma, mientras que el calcio la aumenta. Usando micelas (ver figura de abajo)3, las cuales sirven como modelos simplificados de una membrana celular, los químicos tratan de comprender cómo estos cationes se unen selectivamente en la pared celular.
Vamos a necesitar muchos años de investigación en la química y la bioquímica de estos procesos para comprender plenamente por qué el calcio fue elegido por la naturaleza para ser un mensajero químico de tan alto impacto. El ensayo siguiente discutirá aspectos de la trazabilidad de este ión en los organismos animales.
Literatur
1) Clapham, D.E. “Calcium Signaling.”Cell (2007)131,14, p.1047.
2) Si desea ver un video premiado sobre la vida en el interior de una célula, le recomendamos el siguiente: “inner Life of the Cell” by Alain Viel, Robert A. Lue (conception and scientific content, Harvard) and John Liebler (animation) empfehlen: http://multimedia.mcb.harvard.edu/anim_innerlife_hi.html. Source: http://multimedia.mcb.harvard.edu/
3)Dreyer, J.P.; Pedro, J.A.;Fiedler, H.D.; Nome, F. “Incorporation of Sodium and Potassium Ions in Micelles of Dipolar Ionic Surfactants.” 12th Latin American Conference on Physical Organic Chemistry, Abstract Book (2013) P.87; p.135.
Mediante tres historias reales sobre el papel del ion calcio, en los mundos vegetal y animal, discutiremos tres preguntas para ilustrar su impacto en la vida animal: 1) ¿Cómo es controlada la cantidad de calcio en el interior de una célula humana? 2) ¿Cual es el papel y la estructura química del calcio en los huesos? 3) ¿Es el calcio almacenado en una estructura particular, y es importante para el funcionamiento del cerebro?
Este ensayo abordará brevemente la primera pregunta: ¿Cómo es controlada la cantidad de calcio en el interior de una célula humana?
El transporte de calcio celular ha sido objeto de estudios científicos muy cuidadosos, ya que tiene gran importancia en nuestras vidas. El calcio se encuentra en la materia viva en dos formas minerales: i) en disolución, en forma de iones disociados que juegan un papel importante para la función celular, y ii) en la forma de estructuras fijas poco solubles o insolubles en el esqueleto y en las secreciones del compartimento celular. Las secreciones celulares pueden presentrarse en forma de carbonatos, fosfatos (en los huesos de los vertebrados) u oxalatos. Cuando la concentración de sales de estas secreciones es demasiado elevado, éstas tienden a sedimentarse, y crean problemas de fisiología celular (piedras y cristales en diferentes órganos).
Para evitar tales situaciones, las sales solubles de calcio se disocian en forma de iones, y el control de la concentración de estos iones dentro de la célula implica un trabajo fisiológico específico, y por lo tanto el consumo de energía. En las células musculares de los animales, hay canales de calcio en los que una enzima llamada ATPasa de calcio (ver figura de abajo) expulsa el exceso de iones calcio desde el interior líquido de la célula (el citosol) al compartimento extracelular, trasformando ATP en ADP (es decir, gastando energía).
Zellsekrete, die Calcium enthalten, koennen in Form von Carbonaten, Phosphaten (in den Knochen der Wirbeltiere) oder Oxalaten auftreten.
Wenn die Salze in diesen Sekreten zu reichlich vorhanden sind, haben sie die Tendenz zu sedimentieren und Probleme mit der zellulären Physiologie zu verursachen (Steine und Kristalle in verschiedenen Organen).
Um solche Situationen zu vermeiden, sind Calcium-Salze in gelöster Form in Ionen dissoziiert. Die Steuerung der Konzentration dieser Ionen in der Zelle ist mit spezifischer physiologischer Arbeit und damit mit Energieverbrauch verbunden. So gibt es in den glatten Muskelzellen der Tiere Calcium-Kanäle: Ein Enzym namens Calcium ATPase (siehe Abbildung unten) pumpt überschüssige Calcium-Ionen aus der Flüssigkeit im Inneren der Zelle (Zytosol) gegen den Konzentrationsgradienten ueber die Zellmembran nach aussen und wandelt dabei ATP in ADP um (verbraucht also Energie).
Membrana celular con ATPasa de calcio (bomba de calcio) que expulsa el exceso de este ión
Pequeñas variaciones en el equilibrio iónico de iones aparentemente simples, tales como sodio, potasio y calcio, pueden tener efectos desastrosos y modificar la permeabilidad, la irritabilidad, la contractilidad y la viscosidad de la célula. El calcio, junto con los cationes sodio, potasio y magnesio, constituye el conjunto más significativo de sales minerales en disolución, controlando la presión, la conducción de las señales de los impulsos nerviosos y la comunicación en el corazón y el cerebro. Este es un objetivo estratégico para los fármacos que bloquean los canales de calcio, es decir, aquellos que específicamente activan o inhiben el flujo de calcio a través de las membranas celulares.
Muchos de los efectos desastrosos causados por el desequilibrio iónico son debidos al hecho de que los iones tales como sodio, potasio y calcio ejercen efectos antagónicos. Por ejemplo, el potasio disminuye la viscosidad del citoplasma, mientras que el calcio la aumenta. Usando micelas (ver figura de abajo)3, las cuales sirven como modelos simplificados de una membrana celular, los químicos tratan de comprender cómo estos cationes se unen selectivamente en la pared celular.
Micela de un surfactante iónico dipolar
Vamos a necesitar muchos años de investigación en la química y la bioquímica de estos procesos para comprender plenamente por qué el calcio fue elegido por la naturaleza para ser un mensajero químico de tan alto impacto. El ensayo siguiente discutirá aspectos de la trazabilidad de este ión en los organismos animales.
Literatur
1) Clapham, D.E. “Calcium Signaling.”Cell (2007)131,14, p.1047.
2) Si desea ver un video premiado sobre la vida en el interior de una célula, le recomendamos el siguiente: “inner Life of the Cell” by Alain Viel, Robert A. Lue (conception and scientific content, Harvard) and John Liebler (animation) empfehlen: http://multimedia.mcb.harvard.edu/anim_innerlife_hi.html. Source: http://multimedia.mcb.harvard.edu/
3)Dreyer, J.P.; Pedro, J.A.;Fiedler, H.D.; Nome, F. “Incorporation of Sodium and Potassium Ions in Micelles of Dipolar Ionic Surfactants.” 12th Latin American Conference on Physical Organic Chemistry, Abstract Book (2013) P.87; p.135.
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