Η καλμοδουλίνη είναι μια μικρή πρωτεΐνη που δεσμεύει το ασβέστιο στα κύτταρα. Είναι σημαντικό για τη ρύθμιση πολλών διαφορετικών κυτταρικών διεργασιών, καθώς η σηματοδότηση ασβεστίου είναι ένας κοινός τρόπος μετάδοσης σημάτων τόσο μεταξύ όσο και εντός των κυττάρων. Συντομογραφία αυτής της πρωτεΐνης είναι CaM.
Τα ευκαρυωτικά κύτταρα, όπως αυτά των ανθρώπων, περιβάλλονται από μια μεμβράνη που ονομάζεται μεμβράνη πλάσματος και έχουν δομές που είναι συνδεδεμένες με μεμβράνη, όπως το ενδοπλασματικό δίκτυο (ER) και το σαρκοπλασματικό δίκτυο (SR). Αυτές οι δομές έχουν αποθήκες ασβεστίου μέσα τους, αλλά το κυτταρόλυμα του κυττάρου-το περιεχόμενο που μοιάζει με γέλη μεταξύ των μεμβρανών-έχει 10,000 φορές λιγότερο ασβέστιο από το υγρό έξω από τα κύτταρα.
Η μεγάλη διαφορά στα επίπεδα ασβεστίου μεταξύ της κυτοσόλης και του εξωτερικού του κυττάρου επιτρέπει στο κύτταρο να χρησιμοποιήσει αυτή τη διαφορική κλίση, για να εισαγάγει το ασβέστιο ως έναν τρόπο σηματοδότησης των αποκρίσεων. Υπάρχουν πολλές πρωτεΐνες που δεσμεύουν το ασβέστιο, αλλά η καλμοδουλίνη είναι η πιο κοινή πρωτεΐνη με διαμόρφωση ασβεστίου. Πολλές από τις πρωτεΐνες που το συνδέουν δεν είναι σε θέση να ανταποκριθούν άμεσα στο ασβέστιο και πρέπει να βασίζονται σε αυτή την πρωτεΐνη που δεσμεύει το ασβέστιο ως αισθητήρα ασβεστίου. Ενώ πολλές πρωτεΐνες ενεργοποιούνται από το ασβέστιο, άλλες υπόκεινται σε αναστολή. Οι απαντήσεις που μεσολαβεί από το CaM κυμαίνονται από την ανάπτυξη και τη μνήμη των νεύρων έως τη φλεγμονή και το μεταβολισμό.
Ένα κλασικό παράδειγμα του ρόλου της καλμοδουλίνης στο μεταβολισμό είναι η ρύθμιση της υποβάθμισης των αποθεμάτων γλυκογόνου του σώματος για ενέργεια. Το γλυκογόνο είναι ένα πολυμερές αποθήκευσης της γλυκόζης και η αποικοδόμησή του ξεκινά από ορμόνες. Η δέσμευση αυτών των ορμονών στους κυτταρικούς υποδοχείς στη μεμβράνη του πλάσματος έχει ως αποτέλεσμα ένας μεταφορέας ασβεστίου να αυξάνει τα επίπεδα ασβεστίου στο κύτταρο.
Καθώς τα επίπεδα ασβεστίου αυξάνονται στο κυτταρόλυμα, το ασβέστιο δεσμεύει την καλμοδουλίνη και αλλάζει τη διαμόρφωση της πρωτεΐνης. Το σύμπλοκο ασβεστίου-καλμοδουλίνης συνδέεται με τον μεταφορέα ασβεστίου, αρχικά αυξάνοντας και στη συνέχεια μειώνοντας τη μεταφορά ασβεστίου στο κύτταρο. Μόλις τα επίπεδα ασβεστίου επανέλθουν στο φυσιολογικό, το CaM διαχωρίζεται από το ασβέστιο.
Αυτό είναι ένα παράδειγμα χρήσης ενός δευτερεύοντος αγγελιοφόρου, στο οποίο το πρώτο σήμα είναι μια ορμόνη που μεταδίδει το εξωκυττάριο μήνυμά της στην κυτταρική επιφάνεια. Η μετάδοση του σήματος στο εσωτερικό του κυττάρου πραγματοποιείται από μια δευτερογενή ένωση, στην περίπτωση αυτή ασβέστιο. Αυτή η διαδικασία δύο βημάτων μπορεί να ενισχύσει σημαντικά μια κυτταρική απόκριση.
Υπάρχει ένα άλλο επίπεδο ρύθμισης του μεταβολισμού του γλυκογόνου που αντιπροσωπεύει έναν επιπλέον τρόπο με τον οποίο το CaM μπορεί να ασκήσει τον έλεγχο των αντιδράσεων. Μπορεί να δράσει πάνω σε μια κινάση καλμοδουλίνης – μια υποομάδα κινασών που ειδικεύεται στην απόκριση στην καλμοδουλίνη. Οι κινάσες προσθέτουν μια φωσφορική ομάδα στις πρωτεΐνες και η αποικοδόμηση του γλυκαγόνου πραγματοποιείται από ένα ένζυμο που ονομάζεται φωσφορυλάση κινάση, το οποίο έχει πολλές υπο-μονάδες. Ένα από αυτά είναι μια ρυθμιστική μονάδα και απαιτεί δέσμευση από το CaM για δραστηριότητα.
Το Calmodulin βρίσκεται σε πολλά σημεία μέσα στο κύτταρο, συμπεριλαμβανομένων των μεμβρανών ER και SR. Δρα επίσης στη σηματοδότηση μέσα στο κελί. Αυτό το μόριο έχει παρόμοιες δομές μεταξύ διαφορετικών οργανισμών, υποδεικνύοντας ότι η δομή του είναι πολύ σημαντική για τη λειτουργία του. Η ποικιλία των διαδικασιών που προκαλούνται από τη σύνδεση της καλμοδουλίνης είναι ένας δείκτης της σημασίας του ασβεστίου στη ρύθμιση των κυτταρικών αποκρίσεων.