Предаване на сигнала: Определение, функция, примери

Едноклетъчни организми, като почти всички прокариоти (бактерии и археи), са в изобилие в природата. Еукариот организмите обаче могат да съдържат милиарди клетки.

Тъй като би било полезно за организма да има толкова много малки същества, които да се трудят изолирано от едно друга, клетките трябва да разполагат със средства за комуникация помежду си - т.е. както изпращане, така и получаване сигнали. Липсвайки радио, телевизия и интернет, клетките участват предаване на сигнала, използвайки старомодни химикали.

Точно както чертането на букви или думи на страница не е полезно, освен ако тези знаци и образувания образуват думи, изречения и последователно, недвусмислено съобщение, химическите сигнали не са от полза, освен ако не съдържат конкретни инструкции.

Поради тази причина клетките са снабдени с всякакви хитри механизми за генериране и трансдукция (т.е. предаване чрез физическа среда) на биохимични съобщения. Крайната цел на клетъчната сигнализация е да повлияе на създаването или модификацията на генни продукти или протеини, направени върху рибозомите на клетките в съответствие с информация, кодирана в ДНК чрез РНК.

Ако бяхте един от десетките шофьори на таксиметрова компания, ще ви трябват умения за шофиране на кола и навигация по улиците на вашия град или град знаещо и умело, за да срещнете пътниците си навреме на точното място и да ги отведете до техните дестинации, когато те искат да бъдат там. Това обаче не би било достатъчно само по себе си, ако компанията се надява да работи с максимална ефективност.

Шофьорите в различни кабини трябва да комуникират помежду си и с централен диспечер, за да определят какво пътниците трябва да бъдат качвани от когото, когато някои коли са били пълни или по друг начин не са били достъпни за заклинание, останали в движението и така нататък.

При липса на възможност за комуникация с никой, освен с потенциални пътници, чрез телефон или онлайн приложение, бизнесът би бил хаотичен.

В същия дух биологичните клетки не могат да работят при пълна независимост на клетките около тях. Често локалните клъстери от клетки или цели тъкани трябва да координират дейност, като например мускулна контракция или заздравяване след рана. По този начин клетките трябва да комуникират помежду си, за да поддържат дейностите си съобразени с нуждите на организма като цяло. При липса на тази способност клетките не могат да управляват правилно растежа, движението и други функции.

Дефицитът в тази област може да доведе до тежки последици, включително заболявания като рак, който е по същество непроверена репликация на клетки в дадена тъкан поради неспособност на клетките да модулират своята собствен растеж. Следователно клетъчната сигнализация и предаването на сигнали са жизненоважни за здравето на организма като цяло, както и на засегнатите клетки.

Клетъчната сигнализация може да бъде разделена на три основни фази:

1. Рецепция: Специализирани структури на клетъчната повърхност откриват наличието на сигнална молекула, или лиганд.
2. Трансдукция: Свързването на лиганда с рецептора инициира сигнал или каскадна поредица от сигнали във вътрешността на клетката.
3. Отговор: Съобщението, сигнализирано от лиганда и протеините и други елементи, върху които влияе, се интерпретира и въвежда в процес, като например чрез генната експресия или регламент.

Подобно на самите организми, пътят на трансдукция на клетъчния сигнал може да бъде изключително прост или сравнително сложен някои сценарии, включващи само един вход или сигнал, или други, включващи цяла поредица от последователни, координирани стъпки.

Например, бактерията няма способността да обсъжда естеството на заплахите за безопасността в тях околната среда, но може да усети присъствието на глюкоза, веществото, за което се използват всички прокариотни клетки храна.

По-сложните организми изпращат сигнали, използвайки фактори на растежа, хормони, невротрансмитери и компоненти на матрицата между клетките. Тези вещества могат да действат върху близките клетки или на разстояние, като пътуват през кръвта и други канали. Невротрансмитери като допамин и серотонин пресичат малките пространства между съседни нервни клетки (неврони) или между неврони и мускулни клетки или целеви жлези.

Хормоните често действат на особено големи разстояния, като хормоналните молекули, секретирани в мозъка, оказват въздействие върху половите жлези, надбъбречните жлези и други "далечни" тъкани.

Точно като ензими, катализаторите на клетъчната биохимична реакция, са специфични за определени субстратни молекули, рецепторите на повърхностите на клетките са специфични за определена сигнална молекула. Нивото на специфичност може да варира и някои молекули могат слабо да активират рецептори, които други молекули могат да активират силно.

Например, опиоидните болкоуспокояващи лекарства активират определени рецептори в тялото, които естествените вещества наричат ендорфините също отключват, но тези лекарства обикновено имат далеч по-силен ефект поради фармакологичния си ефект шивашки.

Рецепторите са протеини и приемането става на повърхността. Мислете за рецепторите като за клетъчни звънци. Това е като звънец на вратата. Звънчетата на вратите са извън къщата ви и активирането им е това, което кара хората в къщата ви да отворят вратата. Но за да задейства звънецът на вратата, някой трябва да използва пръста си, за да натисне камбаната.

Лигандът е аналог на пръста. След като се свърже с рецептора, който е като камбаната на вратата, той ще стартира процеса на вътрешния работа / предаване на сигнала, точно когато звънецът на вратата задейства тези в къщата да се преместят и да отговорят на врата.

Докато свързването на лиганда (и натискането на пръста на звънеца) е от съществено значение за процеса, то е само началото. Свързването на лиганд с клетъчен рецептор е само началото на процес, чийто сигнал трябва да бъде модифициран сила, посока и краен ефект, за да бъдат полезни за клетката и организма, в който тя пребивава.

Клетъчните мембранни рецептори включват три основни типа:

1. Рецептори, свързани с G-протеин
2. Ензимно-свързани рецептори
3. Рецептори на йонни канали

Във всички случаи активирането на рецептора инициира химическа каскада, която изпраща сигнал от външната страна на клетката или върху мембрана в клетката, към ядрото, което е де факто „мозъкът“ на клетката и локусът на си генетичен материал (ДНК или дезоксирибонуклеинова киселина).

Сигналите пътуват до ядрото, тъй като целта им е по някакъв начин да повлияе на генната експресия - транслацията на кодовете, съдържащи се в гените, към протеиновия продукт, който гени код за.

Преди сигналът да се доближи до ядрото, той се интерпретира и модифицира близо до мястото на неговия произход, в рецептора. Тази модификация може да включва усилване чрез втори пратеници, или може да означава леко намаляване на силата на сигнала, ако ситуацията го изисква.

G протеините са полипедиди с уникални аминокиселинни последователности. В пътя на клетъчната трансдукция на сигнала, в който те участват, те обикновено свързват самия рецептор с ензим, който изпълнява указанията, свързани с рецептора.

В този случай те използват втори пратеник цикличен аденозин монофосфат (цикличен AMP или cAMP) за усилване и насочване на сигнала. Други често срещани вторични пратеници включват азотен оксид (NO) и калциев йон (Ca2 +).

Например рецепторът за молекулата епинефрин, който разпознавате по-лесно като стимулант молекула адреналин, причинява физически промени в а G-протеин, съседен на лиганд-рецепторния комплекс в клетъчната мембрана, когато епинефринът активира рецептор.

Това от своя страна кара G-протеин да задейства ензима аденилил циклаза, което води до производство на лагер. След това cAMP "нарежда" увеличаване на ензим, който разгражда гликогена, запазващата клетка форма на въглехидрати, до глюкоза.

Вторите пратеници често изпращат различни, но последователни сигнали към различни гени в клетъчната ДНК. Когато сАМР призовава за разграждането на гликогена, той едновременно сигнализира за откат в производството на гликоген чрез различен ензим, като по този начин намалява потенциалът за безполезни цикли (едновременното разгръщане на противоположни процеси, като течаща вода в единия край на басейна, докато се опитва да източи другия край).

Кинази са ензими, които приемат фосфорилат молекули. Те постигат това чрез преместване на фосфатна група от АТФ (аденозин трифосфат, молекула, еквивалентна на АМР с два фосфата, прикрепени към този, който АМФ вече има) към различна молекула. Фосфорилази са подобни, но тези ензими улавят свободни фосфати, вместо да ги грабват от АТФ.

Във физиологията на клетъчните сигнали RTKs, за разлика от G-протеините, са рецептори, които притежават и ензимни свойства. Накратко, рецепторният край на молекулата е обърнат към външната страна на мембраната, докато крайът на опашката, направен от аминокиселината тирозин, има способността да фосфорилира молекулите вътре в клетката.

Това води до каскада от реакции, които насочват ДНК в клетъчното ядро ​​да регулира нагоре (увеличава) или намалява (намалява) производството на протеинов продукт или продукти. Може би най-добре проучената такава верига от реакции е каскадата на митоген-активиран протеин (MAP) киназа.

Смята се, че мутациите в PTKs са отговорни за генезиса на някои форми на рак. Също така трябва да се отбележи, че фосфорилирането може да инактивира, както и да активира целевите молекули, в зависимост от конкретния контекст.

Тези канали се състоят от "водна пора" в клетъчната мембрана и са направени от протеини, вградени в мембраната. Рецепторът за обикновения невротрансмитер ацетилхолин е пример за такъв рецептор.

Вместо да генерира каскаден сигнал сам по себе си в клетката, свързването на ацетилхолин към неговия рецептор води до разширяване на порите в комплекса, което позволява йони (заредени частици) да текат в клетката и да оказват своето въздействие надолу по протежение върху синтеза на протеин.

Жизненоважно е да се признае, че действията, които се случват като част от трансдукцията на сигнала на клетъчните рецептори, обикновено не са явления „включване / изключване“. Това е фосфорилиране или дефосфорилирането на молекула не определя обхвата на възможните отговори, нито на самата молекула, нито по отношение на нейния сигнал надолу по веригата.

Някои молекули например могат да бъдат фосфорилирани на повече от едно място. Това осигурява по-строга модулация на действието на молекулата, по същия общ начин, както прахосмукачката или блендер с множество настройки може да позволи по-целенасочено почистване или приготвяне на смути, отколкото двоично "включване / изключване" превключвател.

В допълнение, всяка клетка има множество рецептори от всеки тип, отговорът на всеки от които трябва да бъде интегриран в или преди ядрото, за да се определи общата величина на отговора. Като цяло, рецепторното активиране е пропорционално на отговора, което означава, че колкото повече лиганд се свързва с рецептор, толкова по-изразени са промените в клетката.

Ето защо, когато приемате висока доза лекарство, то обикновено оказва по-силен ефект от по-малка доза. Активират се повече рецептори, получават се повече сАМР или фосфорилирани вътреклетъчни протеини и още каквото е необходимо в ядрото се осъществява (и често се случва по-бързо, както и при по-голямо степен).

Протеините се получават, след като ДНК прави кодирано копие на своята вече кодирана информация под формата на пратеник РНК, която се движи извън ядрото към рибозомите, където протеините всъщност се произвеждат от аминокиселини в съответствие с предоставените инструкции от иРНК.

Извиква се процесът на получаване на иРНК от ДНК шаблон транскрипция. Призовани протеини транскрипционни фактори могат да бъдат регулирани нагоре или надолу в резултат на въвеждането на различни независими или едновременни трансдукционни сигнали. В резултат се синтезира различно количество протеин, за което кодира генната последователност (дължината на ДНК).