تحويل الإشارة: التعريف والوظيفة والأمثلة

الكائنات وحيدة الخلية ، مثل جميع الكائنات الحية تقريبًا بدائيات النوى (البكتيريا والعتائق) ، وفيرة في الطبيعة. حقيقيات النوى الكائنات الحية ، مع ذلك ، يمكن أن تحتوي على بلايين الخلايا.

نظرًا لأنه من المفيد للكائن الحي أن يكون لديه الكثير من الكيانات الصغيرة التي تعمل بمعزل عن أحدها آخر ، يجب أن يكون للخلايا وسيلة للتواصل مع بعضها البعض - أي الإرسال والاستقبال إشارات. وفي ظل غياب الراديو والتلفزيون والإنترنت ، تنخرط الخلايا في العمل نقل الإشارة، باستخدام مواد كيميائية قديمة.

كما أن خربشة الحروف أو الكلمات على الصفحة لا تفيد إلا إذا كانت هذه الأحرف والكيانات تشكل كلمات ، الجمل ورسالة متماسكة لا لبس فيها ، الإشارات الكيميائية لا فائدة منها إلا إذا كانت تحتوي على محددة تعليمات.

لهذا السبب ، تم تجهيز الخلايا بجميع أنواع الآليات الذكية للجيل و التوضيح (أي ، الإرسال عبر وسيط فيزيائي) للرسائل البيوكيميائية. الهدف النهائي من إشارات الخلية هو التأثير على إنشاء أو تعديل منتجات الجينات ، أو البروتينات المصنوعة على ريبوسومات الخلايا وفقًا للمعلومات المشفرة في الحمض النووي عبر الحمض النووي الريبي.

إذا كنت واحدًا من بين عشرات السائقين في شركة سيارات الأجرة ، فستحتاج إلى المهارات اللازمة لقيادة السيارة والتنقل في شوارع مدينتك أو بلدتك بمعرفة ومهارة من أجل مقابلة ركابك في الوقت المحدد في المكان المناسب وإيصالهم إلى وجهاتهم عندما يريدون ذلك هناك. ومع ذلك ، لن يكون هذا كافياً من تلقاء نفسه إذا كانت الشركة تأمل في العمل بأقصى قدر من الكفاءة.

سيحتاج السائقون في سيارات الأجرة المختلفة إلى التواصل مع بعضهم البعض ومع المرسل المركزي لتحديد ماذا يجب أن يتم اصطحاب الركاب من قبل من ، عندما تكون بعض السيارات ممتلئة أو غير متوفرة بطريقة أخرى ، عالقون في حركة المرور وما إلى ذلك وهلم جرا.

في غياب القدرة على التواصل مع أي شخص آخر غير الركاب المحتملين عبر الهاتف أو التطبيق عبر الإنترنت ، سيكون العمل فوضويًا.

وبنفس الروح ، لا يمكن للخلايا البيولوجية أن تعمل باستقلالية تامة عن الخلايا المحيطة بها. في كثير من الأحيان ، تحتاج المجموعات المحلية من الخلايا أو الأنسجة بأكملها إلى تنسيق نشاط ما ، مثل a انكماش العضلات أو الشفاء بعد الجرح. وبالتالي يجب على الخلايا أن تتواصل مع بعضها البعض للحفاظ على أنشطتها متوافقة مع احتياجات الكائن الحي ككل. في غياب هذه القدرة ، لا تستطيع الخلايا إدارة النمو والحركة والوظائف الأخرى بشكل صحيح.

يمكن أن يؤدي العجز في هذا المجال إلى عواقب وخيمة ، بما في ذلك الأمراض مثل السرطان ، وهو بشكل أساسي تكاثر الخلايا غير الخاضع للرقابة في نسيج معين بسبب عدم قدرة الخلايا على تعديل النمو الخاص. لذلك فإن إرسال الإشارات الخلوية ونقل الإشارات أمر حيوي لصحة الكائن الحي ككل وكذلك الخلايا المصابة.

يمكن تقسيم الإشارات الخلوية إلى ثلاث مراحل أساسية:

1. استقبال: تكتشف الهياكل المتخصصة على سطح الخلية وجود جزيء إشارة ، أو يجند.
2. التوضيح: يؤدي ارتباط الليجند بالمستقبل إلى بدء إشارة أو سلسلة متتالية من الإشارات على الجزء الداخلي للخلية.
3. إجابة: يتم تفسير الرسالة التي يتم الإشارة إليها بواسطة ligand والبروتينات والعناصر الأخرى التي تؤثر عليها ، ووضعها موضع التنفيذ ، على سبيل المثال عبر التعبير الجيني أو لائحة.

مثل الكائنات الحية نفسها ، يمكن أن يكون مسار تحويل إشارة الخلية بسيطًا بشكل رائع أو معقدًا نسبيًا ، باستخدام بعض السيناريوهات التي تتضمن مدخلاً أو إشارة واحدة فقط ، أو تتضمن سيناريوهات أخرى سلسلة كاملة من الخطوات المتسلسلة والمنسقة.

البكتيريا ، على سبيل المثال ، تفتقر إلى القدرة على التداول حول طبيعة تهديدات السلامة فيها البيئة ، ولكن يمكن أن تشعر بوجود الجلوكوز ، وهي المادة التي تستخدمها جميع الخلايا بدائية النواة غذاء.

ترسل الكائنات الحية الأكثر تعقيدًا إشارات باستخدام عوامل النمو, الهرمونات, الناقلات العصبية ومكونات المصفوفة بين الخلايا. يمكن أن تعمل هذه المواد على الخلايا القريبة أو على مسافة من خلال السفر عبر الدم والقنوات الأخرى. الناقلات العصبية مثل الدوبامين و السيروتونين اجتياز الفراغات الصغيرة بين الخلايا العصبية المجاورة (الخلايا العصبية) أو بين الخلايا العصبية وخلايا العضلات أو الغدد المستهدفة.

غالبًا ما تعمل الهرمونات على مسافات طويلة بشكل خاص ، مع إفراز جزيئات الهرمون في الدماغ مما يؤثر على الغدد التناسلية والغدد الكظرية والأنسجة الأخرى "البعيدة".

نحن فقط الانزيمات، المحفزات للتفاعل الكيميائي الحيوي الخلوي ، خاصة بجزيئات ركيزة معينة ، المستقبلات الموجودة على أسطح الخلايا محددة لجزيء إشارة معين. يمكن أن يختلف مستوى الخصوصية ، ويمكن لبعض الجزيئات أن تنشط بشكل ضعيف المستقبلات التي يمكن للجزيئات الأخرى أن تنشطها بقوة.

على سبيل المثال ، تعمل مسكنات الألم الأفيونية على تنشيط مستقبلات معينة في الجسم تسميها المواد الطبيعية يحفز الإندورفين أيضًا ، ولكن هذه الأدوية عادة ما يكون لها تأثير أقوى بكثير بسبب خصائصها الدوائية الخياطة.

المستقبلات عبارة عن بروتينات ، ويتم استقبالها على السطح. فكر في المستقبلات على أنها جرس باب خلوي ، مثل جرس الباب. أجراس الباب خارج منزلك وتفعيلها هو ما يدفع الناس في منزلك للرد على الباب. ولكن لكي يعمل جرس الباب ، يجب على شخص ما استخدام إصبعه للضغط على الجرس.

الليجند مشابه للإصبع. بمجرد ارتباطه بالمستقبل ، الذي يشبه جرس الباب ، سيبدأ العملية الداخلية العمل / تحويل الإشارة تمامًا كما يدفع جرس الباب أولئك داخل المنزل للتحرك والإجابة على باب.

في حين أن ربط الترابط (وضغط الإصبع على جرس الباب) ضروري للعملية ، فهو مجرد البداية. الارتباط الترابطي بمستقبل الخلية هو مجرد بداية لعملية يجب تعديل إشاراتها القوة والاتجاه والتأثير النهائي من أجل أن تكون مفيدة للخلية والكائن الذي تعيش فيه يقيم.

تشمل مستقبلات غشاء الخلية ثلاثة أنواع رئيسية:

1. مستقبلات البروتين G
2. المستقبلات المرتبطة بالإنزيم
3. مستقبلات القناة الأيونية

في جميع الحالات ، يؤدي تنشيط المستقبل إلى بدء سلسلة كيميائية ترسل إشارة من الخارج الخلية ، أو على غشاء داخل الخلية ، إلى النواة ، وهي "دماغ" الخلية الفعلي وموضع انها المادة الوراثية (DNA ، أو حمض ديوكسي ريبونوكلييك).

تنتقل الإشارات إلى النواة لأن هدفها هو بطريقة ما التأثير على التعبير الجيني - ترجمة الرموز الموجودة في الجينات إلى منتج البروتين الذي الجينات رمز ل.

قبل أن تصل الإشارة إلى أي مكان بالقرب من النواة ، يتم تفسيرها وتعديلها بالقرب من موقع أصلها ، عند المستقبل. قد يشمل هذا التعديل التضخيم من خلال الرسل الثاني، أو قد يعني انخفاض طفيف في قوة الإشارة إذا تطلب الموقف ذلك.

بروتينات G هي polypedtides مع تسلسل الأحماض الأمينية الفريدة. في مسار نقل إشارة الخلية الذي يشاركون فيه ، عادة ما يربطون المستقبل نفسه بإنزيم ينفذ التعليمات ذات الصلة بالمستقبل.

هؤلاء يستفيدون من رسول ثانٍ ، في هذه الحالة أحادي فوسفات الأدينوزين الدوري (دوري AMP ، أو cAMP) لتضخيم وتوجيه الإشارة. تشمل الرسل الثانية الشائعة أكسيد النيتريك (NO) وأيون الكالسيوم (Ca2 +).

على سبيل المثال ، مستقبلات الجزيء ادرينالين، الذي تتعرف عليه بسهولة أكبر باعتباره جزيء الأدرينالين من النوع المنشط ، يسبب تغيرات فيزيائية لـ a بروتين G المجاور لمركب مستقبلات ligand في غشاء الخلية عندما ينشط الأدرينالين مستقبل.

وهذا بدوره يتسبب في قيام بروتين G بتحفيز الإنزيم adenylyl cyclase، مما يؤدي إلى إنتاج cAMP. ثم "يأمر" cAMP بزيادة الإنزيم الذي يكسر الجليكوجين ، وهو شكل تخزين الخلية للكربوهيدرات ، إلى الجلوكوز.

غالبًا ما يرسل الرسل الثانيون إشارات مميزة ولكنها متسقة إلى جينات مختلفة في الحمض النووي للخلية. عندما يدعو cAMP إلى تدهور الجليكوجين ، فإنه يشير في نفس الوقت إلى تراجع في إنتاج الجليكوجين عبر إنزيم مختلف ، وبالتالي تقليل احتمالية الدورات غير المجدية (الانكشاف المتزامن للعمليات المتعارضة ، مثل المياه الجارية في أحد طرفي البركة أثناء محاولة تصريف الطرف الآخر نهاية).

كيناز هي الإنزيمات التي تأخذ فسفوريلات الجزيئات. يحققون ذلك عن طريق نقل مجموعة فوسفات من ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، وهو جزيء مكافئ لـ AMP مع اثنين من الفوسفات الملحق به بالفعل AMP) إلى جزيء مختلف. فسفوريلاز متشابهة ، لكن هذه الإنزيمات تلتقط الفوسفات الحر بدلاً من الاستيلاء عليها من ATP.

في فسيولوجيا إشارة الخلية ، تعد RTK ، على عكس بروتينات G ، مستقبلات تمتلك أيضًا خصائص إنزيمية. باختصار ، تواجه نهاية المستقبل للجزيء الجزء الخارجي من الغشاء ، في حين أن الطرف الذيل ، المصنوع من الحمض الأميني التيروزين ، لديه القدرة على فسفرة الجزيئات داخل الخلية.

يؤدي هذا إلى سلسلة من التفاعلات التي توجه الحمض النووي في نواة الخلية لزيادة تنظيم (زيادة) أو تقليل (تقليل) إنتاج منتج أو منتجات بروتينية. ولعل أفضل سلسلة من التفاعلات تمت دراستها هي سلسلة كيناز البروتين المنشط بالميتوجين (MAP).

يعتقد أن الطفرات في PTKs هي المسؤولة عن نشوء أنواع معينة من السرطان. أيضًا ، تجدر الإشارة إلى أن الفسفرة يمكن أن تعطل وكذلك تنشيط الجزيئات المستهدفة ، اعتمادًا على السياق المحدد.

تتكون هذه القنوات من "المسام المائية" في غشاء الخلية وهي مصنوعة من بروتينات مغروسة في الغشاء. مستقبل الناقل العصبي المشترك أستيل مثال على هذا المستقبل.

بدلاً من توليد إشارة متتالية في حد ذاتها داخل الخلية ، يؤدي ارتباط الأسيتيل كولين بمستقبلاته إلى اتساع المسام في المعقد ، مما يسمح الأيونات (الجسيمات المشحونة) للتدفق إلى الخلية وممارسة تأثيرها في اتجاه مجرى النهر على تخليق البروتين.

من الأهمية بمكان أن ندرك أن الإجراءات التي تحدث كجزء من نقل إشارة مستقبل الخلية ليست ظاهرة "تشغيل / إيقاف". هذا هو الفسفرة أو لا تحدد عملية إزالة الفسفرة من الجزيء نطاق الاستجابات المحتملة ، سواء في الجزيء نفسه أو من حيث إشارة المصب.

بعض الجزيئات ، على سبيل المثال ، يمكن فسفرتها في أكثر من مكان واحد. يوفر هذا تعديلًا أكثر إحكامًا لعمل الجزيء ، بنفس الطريقة العامة التي تتمتع بها المكنسة الكهربائية أو يمكن للخلاط متعدد الإعدادات أن يسمح بتنظيف أكثر استهدافًا أو صنع عصير أكثر من خيار "تشغيل / إيقاف" ثنائي تحول.

بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي كل خلية على مستقبلات متعددة من كل نوع ، يجب أن تتكامل استجابة كل منها عند النواة أو قبلها لتحديد الحجم الإجمالي للاستجابة. بشكل عام ، يتناسب تنشيط المستقبل مع الاستجابة ، مما يعني أنه كلما زاد ارتباط الترابط بالمستقبل ، من المرجح أن تكون التغييرات داخل الخلية أكثر وضوحًا.

هذا هو السبب في أنه عندما تأخذ جرعة عالية من الدواء ، فإنها عادة ما يكون لها تأثير أقوى من جرعة أصغر. يتم تنشيط المزيد من المستقبلات ، وينتج المزيد من البروتينات داخل الخلايا cAMP أو الفسفرة ، والمزيد من كل ما هو مطلوب في النواة يحدث (وغالبًا ما يحدث بشكل أسرع بالإضافة إلى أكبر مدى).

تصنع البروتينات بعد أن يصنع الحمض النووي نسخة مشفرة من معلوماته المشفرة بالفعل في شكل رسول RNA ، والذي يتحرك خارج النواة إلى الريبوسومات ، حيث تصنع البروتينات فعليًا من الأحماض الأمينية وفقًا للتعليمات المقدمة بواسطة مرنا.

تسمى عملية صنع mRNA من قالب DNA النسخ. تسمى البروتينات عوامل النسخ يمكن تنظيمها أو خفضها نتيجة لإدخال إشارات تحويل مختلفة مستقلة أو متزامنة. كمية مختلفة من البروتين يتم تصنيعها نتيجة تسلسل الجينات (طول الحمض النووي).