Signaltransduktion: Definition, Funktion, Eksempler

Enkeltcellede organismer, som næsten alle prokaryoter (bakterier og arkæer), er rigelige i naturen. Eukaryotisk organismer kan dog indeholde milliarder celler.

Da det ville gøre en organisme lidt godt at have så mange små enheder, der slider isoleret fra en en anden skal celler have et middel til at kommunikere med hinanden - det vil sige både sende og modtage signaler. Mangler radio, fjernsyn og internettet, celler deltager i signaltransduktionved hjælp af gammeldags kemikalier.

Ligesom skrabende bogstaver eller ord på en side ikke er nyttigt, medmindre disse tegn og enheder danner ord, sætninger og en sammenhængende, utvetydig besked, kemiske signaler er til ingen nytte, medmindre de indeholder specifikke instruktioner.

Af denne grund er celler udstyret med alle mulige smarte mekanismer til generation og transduktion (det vil sige transmission gennem et fysisk medium) af biokemiske meddelelser. Det ultimative mål med cellesignalering er at påvirke skabelsen eller modifikationen af ​​genprodukter eller proteiner fremstillet på cellernes ribosomer i overensstemmelse med information kodet i DNA via RNA.

Hvis du var en af ​​snesevis af chauffører for en taxicab-virksomhed, har du brug for færdighederne til at køre bil og navigere i gaderne i din by eller by kyndigt og dygtigt for at møde dine passagerer til tiden på det rigtige sted og få dem til deres destinationer, når de vil være der. Dette ville imidlertid ikke være nok alene, hvis virksomheden håbede på at fungere med maksimal effektivitet.

Chauffører i forskellige førerhuse skulle kommunikere med hinanden og med en central afsender for at bestemme hvad passagerer skal afhentes af hvem, når bestemte biler var fulde eller på anden måde utilgængelige for en besværgelse, sidder fast i trafikken og så videre.

Fravær af evnen til at kommunikere med andre end potentielle passagerer via telefon eller online-app, ville virksomheden være kaotisk.

I samme ånd kan biologiske celler ikke fungere i fuldstændig uafhængighed af cellerne omkring dem. Ofte har lokale klynger af celler eller hele væv brug for at koordinere en aktivitet, såsom en muskelsammentrækning eller helbredelse efter et sår. Således er celler nødt til at kommunikere med hinanden for at holde deres aktiviteter i overensstemmelse med organismenes behov som helhed. Uden denne evne kan celler ikke styre vækst, bevægelse og andre funktioner korrekt.

Underskud på dette område kan føre til alvorlige konsekvenser, herunder sygdomme som kræft, hvilket er i det væsentlige ukontrolleret cellereplikation i et givet væv på grund af manglende evne hos celler til at modulere deres egen vækst. Cellesignalering og transduktion af signaler er derfor afgørende for sundheden for organismen som helhed såvel som for de berørte celler.

Cellesignalering kan opdeles i tre grundlæggende faser:

1. Reception: Specialiserede strukturer på celleoverfladen detekterer tilstedeværelsen af ​​et signalmolekyle, eller ligand.
2. Transduktion: Bindingen af ​​liganden til receptoren initierer et signal eller en kaskaderække af signaler på det indre af cellen.
3. Respons: Meddelelsen signaliseret af liganden og proteinerne og andre elementer, den påvirker, fortolkes og sættes i proces, f.eks. Via genekspression eller regulering.

Ligesom organismer selv kan en cellesignaltransduktionsvej være udsøgt enkel eller forholdsvis kompleks med nogle scenarier, der kun involverer et input eller signal, eller andre medfører en hel række sekventielle, koordinerede trin.

En bakterie mangler for eksempel evnen til at drøfte arten af ​​sikkerhedstrusler i dens miljø, men det kan mærke tilstedeværelsen af ​​glukose, det stof, som alle prokaryote celler bruger til mad.

Mere komplekse organismer sender signaler ved hjælp af vækstfaktorer, hormoner, neurotransmittere og komponenter i matrixen mellem celler. Disse stoffer kan virke på nærliggende celler eller på afstand ved at rejse gennem blodet og andre kanaler. Neurotransmittere såsom dopamin og serotonin krydse de små rum mellem tilstødende nerveceller (neuroner) eller imellem neuroner og muskelceller eller målkirtler.

Hormoner virker ofte på særligt lange afstande, hvor hormonmolekyler udskilles i hjernen, der påvirker gonaderne, binyrerne og andre "fjerne" væv.

Ligesom enzymer, katalysatorerne til cellulær biokemisk reaktion, er specifikke for visse substratmolekyler, receptorer på overfladerne af celler er specifikke for et bestemt signalmolekyle. Specificitetsniveauet kan variere, og nogle molekyler kan svagt aktivere receptorer, som andre molekyler kan aktivere stærkt.

For eksempel aktiverer opioide smertestillende stoffer visse receptorer i kroppen, som naturlige stoffer kaldes endorfiner udløser også, men disse lægemidler har normalt en langt stærkere effekt på grund af deres farmakologiske skræddersy.

Receptorer er proteiner, og modtagelse finder sted på overfladen. Tænk på receptorer som cellulære dørklokker. Det er som en dørklokke. Dørklokker er uden for dit hus, og det er det, der får folk i dit hus til at svare på døren ved at aktivere det. Men for at dørklokken skal fungere, skal nogen bruge deres finger til at trykke på klokken.

Liganden er analog med fingeren. Når den først binder sig til receptoren, som er som dørklokken, starter den processen med det indre arbejde / signaltransduktion ligesom dørklokken udløser dem inde i huset til at bevæge sig og besvare dør.

Mens ligandbinding (og fingeren, der trykker på dørklokken) er afgørende for processen, er det kun starten. En ligandbinding til en cellereceptor er kun starten på en proces, hvis signal skal modificeres i styrke, retning og ultimativ effekt for at være nyttigt for cellen og organismen, hvori den bor.

Cellemembranreceptorer inkluderer tre hovedtyper:

1. G-proteinkoblede receptorer
2. Enzymbundne receptorer
3. Ion-kanalreceptorer

I alle tilfælde initierer aktivering af receptoren en kemisk kaskade, der sender et signal udefra cellen eller på en membran inden i cellen til kernen, som er de facto "hjerne" i cellen og locus af dens genetisk materiale (DNA eller deoxyribonukleinsyre).

Signalerne bevæger sig til kernen, fordi deres mål er på en eller anden måde at påvirke genekspression - oversættelsen af ​​koderne indeholdt i generne til det proteinprodukt, som gener kode til.

Før signalet kommer overalt i nærheden af ​​kernen, fortolkes og modificeres det nær sit oprindelsessted ved receptoren. Denne modifikation kan involvere forstærkning gennem anden budbringere, eller det kan betyde en mindre formindskelse af signalstyrken, hvis situationen kræver det.

G-proteiner er polypedtider med unikke aminosyresekvenser. I cellesignaltransduktionsvejen, hvor de deltager, forbinder de normalt selve receptoren med et enzym, der udfører de instruktioner, der er relevante for receptoren.

Disse gør brug af en anden messenger, i dette tilfælde cyklisk adenosinmonophosphat (cyklisk AMP eller cAMP) for at forstærke og dirigere signalet. Andre almindelige anden budbringere inkluderer nitrogenoxid (NO) og calciumion (Ca2 +).

For eksempel receptoren til molekylet adrenalin, som du lettere genkender som det stimulerende type molekyle adrenalin, forårsager fysiske ændringer i a G-protein støder op til ligand-receptorkomplekset i cellemembranen, når adrenalin aktiverer receptor.

Dette får igen et G-protein til at udløse enzymet adenylyl cyclase, hvilket fører til cAMP-produktion. cAMP "ordrer" derefter en stigning i et enzym, der nedbryder glykogen, cellens opbevaringsform af kulhydrat, til glukose.

Anden budbringere sender ofte forskellige, men konsistente signaler til forskellige gener i celle-DNA'et. Når cAMP kræver nedbrydning af glykogen, signalerer det samtidig for en tilbagevenden i produktionen af ​​glykogen via et andet enzym, hvilket reducerer potentialet for nytteløse cyklusser (den samtidige udfoldelse af modsatte processer, såsom rindende vand i den ene ende af en pool, mens du prøver at dræne den anden ende).

Kinases er enzymer, der tager phosphorylat molekyler. De opnår dette ved at flytte en fosfatgruppe fra ATP (adenosintriphosphat, et molekyle svarende til AMP med to fosfater knyttet til det, som AMP allerede har) til et andet molekyle. Phosphorylases er ens, men disse enzymer opfanger frie fosfater i stedet for at få fat i dem fra ATP.

I cellesignalfysiologi er RTK'er i modsætning til G-proteiner receptorer, der også har enzymatiske egenskaber. Kort sagt vender receptorenden af ​​molekylet ud mod membranen, mens haleenden, fremstillet af aminosyren tyrosin, har evnen til at phosphorylere molekyler inde i cellen.

Dette fører til en kaskade af reaktioner, der leder DNA'et i cellekernen til at opregulere (øge) eller nedregulere (mindske) produktionen af ​​et proteinprodukt eller produkter. Måske er den bedst studerede sådan kæde af reaktioner den mitogenaktiverede protein (MAP) kinasekaskade.

Mutationer i PTK antages at være ansvarlige for dannelsen af ​​visse former for kræft. Det skal også bemærkes, at phosphorylering kan inaktivere såvel som aktivere målmolekyler afhængigt af den specifikke kontekst.

Disse kanaler består af en "vandig pore" i celle membran og er fremstillet af proteiner indlejret i membranen. Receptoren for den fælles neurotransmitter acetylcholin er et eksempel på en sådan receptor.

I stedet for at generere et kaskadesignal i sig selv inden i cellen, forårsager acetylcholinbinding til dens receptor, at porerne i komplekset udvides, hvilket tillader ioner (ladede partikler) til at strømme ind i cellen og udøve deres virkning nedstrøms på proteinsyntese.

Det er vigtigt at erkende, at de handlinger, der forekommer som en del af celle-receptorsignaltransduktion, ikke typisk er "til / fra" fænomener. Det vil sige fosforylering eller dephosphorylering af et molekyle bestemmer ikke rækkevidden af ​​mulige reaktioner, hverken ved selve molekylet eller i form af dets nedstrøms signal.

Nogle molekyler kan for eksempel fosforyleres på mere end et sted. Dette tilvejebringer strammere modulering af molekylets virkning på samme generelle måde som en støvsuger eller blender med flere indstillinger kan give mulighed for mere målrettet rengøring eller smoothiefremstilling end en binær "on / off" kontakt.

Derudover har hver celle flere receptorer af hver type, hvor hver respons skal integreres ved eller før kernen for at bestemme den samlede størrelse af responsen. Generelt er receptoraktivering proportional med responsen, hvilket betyder, at jo mere ligand der binder til en receptor, jo mere markant er sandsynligvis ændringer inden i cellen.

Det er derfor, når du tager en høj dosis af en medicin, udøver den normalt en stærkere effekt end en mindre dosis. Flere receptorer aktiveres, mere cAMP eller phosphorylerede intracellulære proteiner resulterer, og mere af hvad der kræves i kernen finder sted (og sker ofte hurtigere såvel som med en større grad).

Proteiner fremstilles, efter at DNA fremstiller en kodet kopi af dets allerede kodede information i form af messenger-RNA, som bevæger sig uden for kernen til ribosomer, hvor proteiner faktisk er fremstillet af aminosyrer i overensstemmelse med de medfølgende instruktioner ved mRNA.

Processen med at fremstille mRNA fra en DNA-skabelon kaldes transkription. Proteiner kaldes transkriptionsfaktorer kan være opreguleret eller nedreguleret som et resultat af input af forskellige uafhængige eller samtidige transduktionssignaler. En anden mængde af det protein, som gensekvensen (længden af ​​DNA) koder for, syntetiseres som et resultat.