Codificación de calcio - Calcium encoding
La codificación de calcio (también denominada codificación de Ca 2+ o procesamiento de información de calcio ) es una vía de señalización intracelular utilizada por muchas células para transferir , procesar y codificar información externa detectada por la célula. En fisiología celular , la información externa a menudo se convierte en dinámica de calcio intracelular . El concepto de codificación del calcio explica cómo los iones Ca 2+ actúan como mensajeros intracelulares , transmitiendo información dentro de las células para regular su actividad. Dada la ubicuidad de los iones Ca 2+ en la fisiología celular , la codificación del Ca 2+ también se ha sugerido como una herramienta potencial para caracterizar la fisiología celular en la salud y la enfermedad. Las bases matemáticas de la codificación de Ca 2+ han sido pioneras en el trabajo de Joel Keizer y Hans G. Othmer sobre el modelado de calcio en la década de 1990 y, más recientemente, han sido revisadas por Eshel Ben-Jacob , Herbert Levine y sus colaboradores.
Codificación de calcio AM, FM y AFM
Aunque las elevaciones de Ca 2+ son necesarias para que actúe como señal, los aumentos prolongados de la concentración de Ca 2+ en el citoplasma pueden ser letales para la célula. Por tanto, las células evitan la muerte entregando señales de Ca 2+ como breves transitorios , es decir, elevaciones de Ca 2+ seguidas de una rápida desintegración , o en forma de oscilaciones . En analogía con la teoría de la información , la amplitud o la frecuencia o ambas características de estas oscilaciones de Ca2 + definen el modo de codificación de Ca 2+ . Por lo tanto, se pueden distinguir tres clases de señales de Ca 2+ sobre la base de su modo de codificación:
- AM que codifica señales de Ca 2+ : cuando la fuerza de los estímulos está codificada por modulaciones de amplitud de las oscilaciones de Ca 2+ . En otras palabras, los estímulos de la misma naturaleza pero de diferente fuerza están asociados con diferentes amplitudes de las oscilaciones de Ca 2+ pero las frecuencias de estas oscilaciones son similares;
- FM que codifica señales de Ca 2+ : cuando la fuerza de los estímulos está codificada por modulaciones de frecuencia de oscilaciones de Ca 2+ . En otras palabras, los estímulos de la misma naturaleza pero de diferente fuerza están asociados con diferentes frecuencias de oscilaciones de Ca 2+ pero las amplitudes de estas oscilaciones son similares;
- AFM codifica Ca 2+ señales: cuando ambos AM y FM que codifica modos coexisten.
Los experimentos y el modelado biofísico muestran que el modo de codificación del calcio varía de una célula a otra, y que una célula determinada podría incluso mostrar diferentes tipos de calcio que codifican diferentes condiciones fisiopatológicas. En última instancia, esto podría proporcionar una herramienta crucial en el diagnóstico médico para caracterizar, reconocer y prevenir enfermedades .
Aspectos matemáticos de la codificación del calcio.
La codificación del calcio se puede caracterizar matemáticamente mediante modelos biofísicos de señalización del calcio . El análisis de plano de fase y bifurcación de estos modelos puede revelar de hecho cómo la frecuencia y amplitud de las oscilaciones de calcio varían en función de cualquier parámetro del modelo. La ocurrencia de codificación AM, FM o AFM se puede evaluar en la extensión del rango mínimo-máximo de amplitud y frecuencia de las oscilaciones de Ca 2+ y la estructura de bifurcación del sistema en estudio.
Un aspecto crítico de la codificación de Ca 2+ revelado por el modelado es cómo depende de la dinámica de la compleja red de reacciones de las señales subyacentes de movilización de Ca 2+ . Este aspecto puede abordarse considerando Ca 2+ modelos que incluyen tanto Ca 2+ dinámica y la dinámica de Ca 2+ , movilizando a señales. Una simple y modelo biofísico realista de este tipo es el modelo ChI , desarrollado originalmente por Eshel Ben-Jacob y compañeros de trabajo, por GPCR mediada por inositol 1,4,5 trisphospate (IP 3 ) -Accionados Ca 2 + inducida por Ca 2 + -liberación . La principal conclusión de este estudio fue que la dinámica de la señal IP 3 de movilización de Ca 2+ es esencialmente una codificación AFM con respecto al estímulo, mientras que las oscilaciones de Ca 2+ pueden ser FM o AFM, pero no únicamente AM. Se argumentó que la naturaleza AFM de la señal IP 3 de movilización de Ca 2+ podría representar la solución ideal para traducir de manera óptima señales extracelulares discontinuas o pulsadas en oscilaciones intracelulares continuas de Ca 2+ .
Aspectos computacionales
La codificación del calcio puede estar confinada dentro de una sola célula o involucrar conjuntos de células y desplegar tareas computacionales esenciales, como la integración de estímulos o la activación regulada de la transcripción de genes . Además, las células a menudo se organizan en redes , lo que permite la propagación intercelular de la señalización del calcio . En este sentido, el mismo modo de codificación de calcio podría ser compartido por diferentes células, proporcionando sincronización o la base funcional para implementar tareas computacionales más complejas.
Michael Forrest ha demostrado que la dinámica del calcio intracelular puede permitir que una neurona de Purkinje realice cálculos de alternancia y ganancia sobre sus entradas. Entonces, muestra cómo una concentración de iones se puede usar como una variable computacional, en particular, como un elemento de memoria: registrando un historial de disparos y entradas, para dictar cómo responde la neurona a las entradas futuras. Por lo tanto, este trabajo plantea la hipótesis de que el potencial de membrana (V) no es la única variable de codificación de la célula de Purkinje, sino que funciona junto con un sistema de memoria de calcio. Estos dos interactúan, con la memoria de calcio codificada y decodificada por el potencial de membrana. Es probable que los cálculos de alternancia y ganancia sean importantes para los cálculos de red en el cerebelo , en el cerebro . Por lo tanto, los cálculos de iones pueden ser más importantes a nivel mundial que una sola celda. Forrest denomina esta hipótesis: "cálculo de iones a redes".