Kalziumdynamik

Kalziumdynamik bezeichnet die zeitliche Veränderung der Kalziumionenkonzentration in Zellen oder Geweben und ist ein zentrales Element zellulärer Signalwege. Kalzium fungiert als zweiter Botenstoff und vermittelt Informationen zwischen Membranen, Organellen und dem Zellkern. Typische Signale entstehen durch Freisetzung aus intrazellulären Speichern oder durch Einstrom aus dem Extrazellulärraum.

Freisetzung erfolgt über IP3-Rezeptoren oder Ryanodin-Rezeptoren; Rückführung in Speicherräume geschieht durch SERCA-Pumpen im endoplasmatischen Retikulum. Extrusion aus der Zelle erfolgt über Ca2+-ATPasen oder Na+/Ca2+-Austauscher. Mitochondrien tragen ebenfalls zur Aufnahme und Freisetzung bei und beeinflussen die Signaldynamik.

Die Dynamik umfasst Oszillationen, Wellen und Funken, bedingt durch Diffusion, Puffersysteme und Membranströme. Mikroskopische Kalziumdomänen ermöglichen schnelle, lokalisierte Signale. Kalziumpuffer wie calciumbindende Proteine beeinflussen Signalformen und dienen in Experimenten als Indikatoren.

Messmethoden umfassen fluoreszenzbasierte Indikatoren (Fura-2, Fluo-4) und genetisch kodierte Sensoren (GCaMP). Mathematische Modelle beschreiben Reaktions-Diffusionsprozesse, Pufferspeicherung und Pumpen. Anwendungen reichen von Muskelkontraktion über Neurotransmission bis zur Regulation von Genexpression.

Störungen der Kalziumdynamik stehen im Zusammenhang mit Herzrhythmusstörungen, Neurodegeneration, Entzündungen und Entwicklungsstörungen. Forschung zielt darauf ab, die beteiligten Kanäle, Pumpen und Bindeproteine zu verstehen und als Zielstrukturen für Therapien zu nutzen.