Transdukce signálu: definice, funkce, příklady

Jednobuněčné organismy, jako téměř všechny prokaryoty (bakterie a archaea), jsou v přírodě bohaté. Eukaryotický organismy však mohou obsahovat miliardy buněk.

Vzhledem k tomu, že by bylo málo prospěšné pro organismus mít tolik drobných entit, které dřou izolovaně od jedné jiné musí mít buňky prostředky pro vzájemnou komunikaci - to znamená jak odesílání, tak přijímání signály. Buňky postrádají rádio, televizi a internet signální transdukcepomocí staromódních chemikálií.

Stejně jako není užitečné čmárat písmena nebo slova na stránce, pokud tyto znaky a entity netvoří slova, věty a koherentní, jednoznačná zpráva, chemické signály jsou nepoužitelné, pokud neobsahují konkrétní instrukce.

Z tohoto důvodu jsou buňky vybaveny všemi druhy chytrých mechanismů pro generování a transdukce (tj. přenos fyzickým médiem) biochemických zpráv. Konečným cílem buněčné signalizace je ovlivnit tvorbu nebo modifikaci genových produktů nebo proteinů vytvořených na ribozomech buněk v souladu s informacemi kódovanými v DNA pomocí RNA.

Pokud jste byli jedním z desítek řidičů pro společnost taxislužby, potřebujete dovednosti řídit auto a navigovat v ulicích vašeho města. vědomě a obratně, abyste se mohli včas setkat s vašimi cestujícími na správném místě a dostat je do cíle, kdykoli chtějí tam. To by však samo o sobě nestačilo, pokud by společnost doufala, že bude pracovat s maximální efektivitou.

Řidiči v různých kabinách by museli komunikovat mezi sebou a s centrálním dispečerem, aby zjistili, co cestující by měli být vyzvednuti, kdo, když byla některá auta plná nebo jinak nedostupná pro kouzlo, uvázla v provozu a tak dále.

Pokud by nebylo možné komunikovat s kýmkoli jiným než s potenciálními cestujícími prostřednictvím telefonu nebo online aplikace, podnikání by bylo chaotické.

Ve stejném duchu nemohou biologické buňky fungovat zcela nezávisle na buňkách kolem nich. Místní shluky buněk nebo celých tkání často potřebují koordinovat činnost, například a svalová kontrakce nebo hojení po ráně. Buňky tedy musí navzájem komunikovat, aby udržovaly své činnosti v souladu s potřebami organismu jako celku. Pokud tato schopnost chybí, buňky nemohou správně řídit růst, pohyb a další funkce.

Deficity v této oblasti mohou vést k vážným následkům, včetně nemocí, jako je rakovina v podstatě nekontrolovaná replikace buněk v dané tkáni kvůli neschopnosti buněk modulovat jejich vlastní růst. Buněčná signalizace a přenos signálů je proto zásadní pro zdraví organismu jako celku i postižených buněk.

Buněčnou signalizaci lze rozdělit do tří základních fází:

1. Recepce: Specializované struktury na povrchu buňky detekují přítomnost signální molekuly, nebo ligand.
2. Transdukce: Vazba ligandu na receptor iniciuje signál nebo kaskádovou sérii signálů na vnitřní straně buňky.
3. Odezva: Zpráva signalizovaná ligandem a proteiny a dalšími prvky, které ovlivňuje, je interpretována a uvedena do procesu, například prostřednictvím genová exprese nebo nařízení.

Stejně jako samotné organismy může být dráha přenosu signálu buňky velmi jednoduchá nebo poměrně složitá některé scénáře zahrnující pouze jeden vstup nebo signál, nebo jiné, které zahrnují celou řadu postupných koordinovaných kroků.

Například bakterie postrádá schopnost uvažovat o povaze bezpečnostních hrozeb prostředí, ale může cítit přítomnost glukózy, látky, kterou všechny prokaryotické buňky používají jídlo.

Složitější organismy vysílají signály pomocí růstové faktory, hormony, neurotransmitery a komponenty matice mezi buňkami. Tyto látky mohou působit na okolní buňky nebo na dálku cestováním krví a jinými kanály. Neurotransmitery jako dopamin a serotonin procházet malými mezerami mezi sousedními nervovými buňkami (neurony) nebo mezi nimi neurony a svalové buňky nebo cílové žlázy.

Hormony často působí na obzvláště dlouhé vzdálenosti, přičemž molekuly hormonů vylučované v mozku mají účinky na pohlavní žlázy, nadledviny a další „vzdálené“ tkáně.

Stejně jako enzymyKatalyzátory buněčné biochemické reakce jsou specifické pro určité molekuly substrátu, receptory na povrchu buněk jsou specifické pro konkrétní signální molekulu. Úroveň specificity se může lišit a některé molekuly mohou slabě aktivovat receptory, které jiné molekuly mohou aktivovat silně.

Například opioidní léky proti bolesti aktivují určité receptory v těle, které nazývají přírodní látky endorfiny také spouštějí, ale tyto léky mají obvykle díky farmakologickému účinku mnohem silnější účinek krejčovství.

Receptory jsou proteiny a příjem probíhá na povrchu. Představte si receptory jako mobilní zvonky. Jako zvonek. Zvonky jsou mimo váš dům a jejich aktivace je to, co přiměje lidi ve vašem domě odpovědět na dveře. Aby však zvonek fungoval, musí někdo stisknout zvonek prstem.

Ligand je analogický s prstem. Jakmile se naváže na receptor, který je jako zvonek u dveří, zahájí proces vnitřního fungování / transdukce signálu, stejně jako zvonek u dveří spouští osoby v domě, aby se pohybovaly a odpovídaly dveře.

I když je vazba ligandu (a prst tlačící na zvonek u dveří) nezbytná pro tento proces, je to jen začátek. Vazba ligandu na buněčný receptor je pouze začátkem procesu, jehož signál musí být upraven sílu, směr a konečný účinek, aby byly užitečné buňce a organismu, ve kterém jsou bydlí.

Receptory buněčné membrány zahrnují tři hlavní typy:

1. Receptory spojené s G-proteinem
2. Receptory spojené s enzymy
3. Receptory iontových kanálů

Ve všech případech aktivace receptoru iniciuje chemickou kaskádu, která vysílá signál z vnějšku buňka, nebo na membráně uvnitř buňky, do jádra, což je de facto „mozek“ buňky a místo své genetický materiál (DNA nebo deoxyribonukleová kyselina).

Signály putují do jádra, protože jejich cílem je nějakým způsobem ovlivnit genovou expresi - překlad kódů obsažených v genech na proteinový produkt, který geny kód pro.

Předtím, než se signál dostane kamkoli poblíž jádra, je interpretován a upraven v blízkosti místa svého původu, na receptoru. Tato modifikace může zahrnovat zesílení prostřednictvím druhí poslové, nebo to může znamenat mírné snížení síly signálu, pokud to situace vyžaduje.

G proteiny jsou polypedidy s jedinečnými aminokyselinovými sekvencemi. V buněčné signální transdukční cestě, na které se podílejí, obvykle spojují samotný receptor s enzymem, který provádí pokyny týkající se tohoto receptoru.

V tomto případě využívají druhého posla cyklický adenosinmonofosfát (cyklický AMP nebo cAMP) pro zesílení a směrování signálu. Mezi další běžné posly patří oxid dusnatý (NO) a iont vápníku (Ca2 +).

Například receptor pro molekulu epinefrin, které poznáte snadněji jako adrenalinovou molekulu stimulačního typu, způsobí fyzické změny a G-protein sousedící s komplexem ligand-receptor v buněčné membráně, když epinefrin aktivuje receptor.

To zase způsobuje, že G-protein spouští enzym adenylyl cykláza, což vede k produkci cAMP. cAMP poté „objedná“ zvýšení enzymu, který štěpí glykogen, formu ukládání sacharidů v buňce, na glukózu.

Druhý posel často vysílá odlišné, ale konzistentní signály do různých genů v buněčné DNA. Když cAMP požaduje degradaci glykogenu, současně signalizuje vrácení produkce glykogenu prostřednictvím jiného enzymu, čímž snižuje potenciál pro marné cykly (souběžný vývoj protichůdných procesů, jako je tekoucí voda na jednom konci bazénu, zatímco se snažíte vypustit druhý konec).

Kinázy jsou enzymy, které berou fosforylát molekuly. Dosahují toho přesunem fosfátové skupiny z ATP (adenosintrifosfát, molekula ekvivalentní AMP se dvěma fosfáty připojenými k jednomu, který AMP již má) na jinou molekulu. Fosforylázy jsou podobné, ale tyto enzymy zachycují volné fosfáty, spíše než je zachycují z ATP.

Ve fyziologii buněčných signálů jsou RTK, na rozdíl od G-proteinů, receptory, které také mají enzymatické vlastnosti. Stručně řečeno, receptorový konec molekuly směřuje k vnější straně membrány, zatímco zadní konec, vyrobený z aminokyseliny tyrosinu, má schopnost fosforylovat molekuly uvnitř buňky.

To vede k kaskádě reakcí, které směřují DNA v buněčném jádru ke zvýšení (zvýšení) nebo snížení (snížení) produkce bílkovinného produktu nebo produktů. Snad nejlépe studovaným takovým řetězcem reakcí je kaskáda kinázy mitogenem aktivovaného proteinu (MAP).

Předpokládá se, že mutace v PTK jsou zodpovědné za vznik určitých forem rakoviny. Rovněž je třeba poznamenat, že fosforylace může inaktivovat a aktivovat cílové molekuly v závislosti na konkrétním kontextu.

Tyto kanály sestávají z "vodného póru" v buněčná membrána a jsou vyrobeny z proteinů zabudovaných do membrány. Receptor pro společný neurotransmiter acetylcholin je příkladem takového receptoru.

Spíše než generování kaskádového signálu jako takového v buňce, navázání acetylcholinu na jeho receptor způsobí rozšíření pórů v komplexu, což umožní ionty (nabité částice), aby proudily do buňky a uplatňovaly své účinky po proudu na syntézu bílkovin.

Je důležité si uvědomit, že akce, ke kterým dochází jako součást přenosu signálu buněčného receptoru, nejsou typickými jevy „zapnuto / vypnuto“. Toto je fosforylace nebo defosforylace molekuly neurčuje rozsah možných odpovědí, ať už na samotné molekule, nebo z hlediska jejího následného signálu.

Některé molekuly mohou být například fosforylovány na více než jednom místě. To poskytuje přísnější modulaci působení molekuly stejným obecným způsobem jako vysavač nebo mixér s více nastaveními umožňuje cílenější čištění nebo přípravu smoothie než binární „zapnutí / vypnutí“ přepínač.

Kromě toho má každá buňka více receptorů každého typu, přičemž odpověď každé z nich musí být integrována v jádře nebo před ním, aby se určila celková velikost odpovědi. Obecně je aktivace receptoru úměrná odezvě, což znamená, že čím více ligandu, který se váže na receptor, tím výraznější změny v buňce pravděpodobně budou.

To je důvod, proč když užíváte vysokou dávku léku, obvykle má silnější účinek než menší dávka. Aktivuje se více receptorů, vzniká více cAMP nebo fosforylovaných intracelulárních proteinů a další odehrává se vše, co je v jádru požadováno (a často se děje rychleji i větší rozsah).

Proteiny se vytvářejí poté, co DNA vytvoří kódovanou kopii své již zakódované informace ve formě messengerové RNA, která se pohybuje mimo jádro do ribozomů, kde se proteiny ve skutečnosti vyrábějí z aminokyselin v souladu s dodanými pokyny podle mRNA.

Proces výroby mRNA z templátu DNA se nazývá transkripce. Volaly proteiny transkripční faktory mohou být regulovány nahoru nebo dolů v důsledku vstupu různých nezávislých nebo současných transdukčních signálů. Výsledkem je syntéza jiného množství proteinu, které kóduje genová sekvence (délka DNA).