Μεταγωγή σήματος: Ορισμός, Λειτουργία, Παραδείγματα

Μονοκύτταροι οργανισμοί, όπως σχεδόν όλοι προκαρυώτες (βακτήρια και αρχαία), είναι άφθονα στη φύση. Ευκαρυωτικός Ωστόσο, οι οργανισμοί μπορούν να περιέχουν δισεκατομμύρια κύτταρα.

Δεδομένου ότι θα έκανε έναν οργανισμό λίγο καλό να έχει τόσες πολλές μικροσκοπικές οντότητες να δουλεύουν απομονωμένα από ένα Ένα άλλο, τα κελιά πρέπει να έχουν ένα μέσο επικοινωνίας μεταξύ τους - δηλαδή, τόσο την αποστολή όσο και τη λήψη σήματα. Έλλειψη ραδιοφώνου, τηλεόρασης και Διαδικτύου, τα κελιά συμμετέχουν μεταγωγή σήματος, χρησιμοποιώντας παλιομοδίτικες χημικές ουσίες.

Ακριβώς όπως η ανίχνευση γραμμάτων ή λέξεων σε μια σελίδα δεν είναι χρήσιμη εκτός εάν αυτοί οι χαρακτήρες και οι οντότητες σχηματίζουν λέξεις, προτάσεις και ένα συνεκτικό, ξεκάθαρο μήνυμα, χημικά σήματα δεν χρησιμεύουν εκτός εάν περιέχουν συγκεκριμένα οδηγίες.

Για το λόγο αυτό, τα κύτταρα είναι εξοπλισμένα με κάθε είδους έξυπνους μηχανισμούς για την παραγωγή και μεταγωγή (δηλαδή, μετάδοση μέσω φυσικού μέσου) βιοχημικών μηνυμάτων. Ο απώτερος στόχος της κυτταρικής σηματοδότησης είναι να επηρεάσει τη δημιουργία ή την τροποποίηση γονιδιακών προϊόντων ή πρωτεϊνών που παράγονται στα ριβοσώματα των κυττάρων σύμφωνα με τις πληροφορίες που κωδικοποιούνται στο DNA μέσω RNA.

Εάν ήσασταν ένας από τους δεκάδες οδηγούς μιας εταιρείας ταξί, θα χρειαζόταν τις δεξιότητες για να οδηγήσεις αυτοκίνητο και να περιηγηθείς στους δρόμους της πόλης με γνώση και επιδεξιότητα, προκειμένου να συναντήσετε τους επιβάτες σας εγκαίρως στο σωστό σημείο και να τους φτάσετε στους προορισμούς τους όταν θέλουν να είναι εκεί. Αυτό, ωστόσο, δεν θα ήταν αρκετό από μόνο του εάν η εταιρεία ελπίζει να λειτουργεί με τη μέγιστη απόδοση.

Οι οδηγοί σε διαφορετικές καμπίνες θα πρέπει να επικοινωνούν μεταξύ τους και με έναν κεντρικό αποστολέα για να καθορίσουν τι Οι επιβάτες πρέπει να παραληφθούν από ποιον, όταν ορισμένα αυτοκίνητα ήταν γεμάτα ή διαφορετικά δεν ήταν διαθέσιμα για ένα ξόρκι, κολλημένα στην κίνηση και ούτω καθεξής.

Ελλείψει της δυνατότητας επικοινωνίας με οποιονδήποτε άλλο εκτός από πιθανούς επιβάτες μέσω τηλεφώνου ή διαδικτυακής εφαρμογής, η επιχείρηση θα ήταν χαοτική.

Με το ίδιο πνεύμα, τα βιολογικά κύτταρα δεν μπορούν να λειτουργήσουν με απόλυτη ανεξαρτησία των κυττάρων γύρω τους. Συχνά, οι τοπικές συστάδες κυττάρων ή ολόκληρων ιστών πρέπει να συντονίζουν μια δραστηριότητα, όπως a μυϊκή συστολή ή επούλωση μετά από μια πληγή. Έτσι τα κύτταρα πρέπει να επικοινωνούν μεταξύ τους για να διατηρούν τις δραστηριότητές τους ευθυγραμμισμένες με τις ανάγκες του οργανισμού στο σύνολό του. Αν δεν υπάρχει αυτή η ικανότητα, τα κύτταρα δεν μπορούν να διαχειριστούν σωστά την ανάπτυξη, την κίνηση και άλλες λειτουργίες.

Τα ελλείμματα σε αυτόν τον τομέα μπορούν να οδηγήσουν σε σοβαρές συνέπειες, συμπεριλαμβανομένων ασθενειών όπως ο καρκίνος, που είναι ουσιαστικά μη ελεγμένη αναπαραγωγή κυττάρων σε δεδομένο ιστό λόγω της αδυναμίας των κυττάρων να διαμορφώσουν αυτά δική σας ανάπτυξη. Η κυτταρική σηματοδότηση και η μεταγωγή σημάτων είναι επομένως ζωτικής σημασίας για την υγεία του οργανισμού στο σύνολό του καθώς και για τα προσβεβλημένα κύτταρα.

Η κυτταρική σηματοδότηση μπορεί να χωριστεί σε τρεις βασικές φάσεις:

1. Ρεσεψιόν: Οι εξειδικευμένες δομές στην κυτταρική επιφάνεια ανιχνεύουν την παρουσία ενός μορίου σηματοδότησης, ή πρόσδεμα.
2. Μεταγωγή: Η δέσμευση του συνδέτη στον υποδοχέα ξεκινά ένα σήμα ή σειρά αλληλουχιών σημάτων στο εσωτερικό του κυττάρου.
3. Απάντηση: Το μήνυμα που σηματοδοτείται από τον συνδετήρα και τις πρωτεΐνες και άλλα στοιχεία που επηρεάζει ερμηνεύεται και τίθεται σε διαδικασία, όπως μέσω γονιδιακή έκφραση ή κανονισμός.

Όπως και οι ίδιοι οι οργανισμοί, η οδός μεταγωγής σήματος κυττάρων μπορεί να είναι εξαιρετικά απλή ή συγκριτικά περίπλοκη, με ορισμένα σενάρια που περιλαμβάνουν μόνο μία είσοδο ή σήμα, ή άλλα που συνεπάγονται μια ολόκληρη σειρά διαδοχικών, συντονισμένων βημάτων.

Ένα βακτήριο, για παράδειγμα, δεν έχει την ικανότητα να συζητά για τη φύση των απειλών για την ασφάλεια περιβάλλον, αλλά μπορεί να αισθανθεί την παρουσία γλυκόζης, την ουσία για την οποία χρησιμοποιούνται όλα τα προκαρυωτικά κύτταρα τροφή.

Οι πιο σύνθετοι οργανισμοί στέλνουν σήματα χρησιμοποιώντας αυξητικοί παράγοντες, ορμόνες, νευροδιαβιβαστές και συστατικά της μήτρας μεταξύ των κυττάρων. Αυτές οι ουσίες μπορούν να δράσουν σε κοντινά κύτταρα ή σε απόσταση ταξιδεύοντας μέσω του αίματος και άλλων καναλιών. Νευροδιαβιβαστές όπως ντοπαμίνη και σεροτονίνη διασχίζουν τους μικρούς χώρους μεταξύ γειτονικών νευρικών κυττάρων (νευρώνων) ή μεταξύ νευρώνες και μυϊκά κύτταρα ή αδένες στόχους.

Οι ορμόνες δρουν συχνά σε μεγάλες αποστάσεις, με τα μόρια ορμονών που εκκρίνονται στον εγκέφαλο να ασκούν επιπτώσεις στις γονάδες, στα επινεφρίδια και σε άλλους "μακρινούς" ιστούς.

Απλα οπως ένζυμα, οι καταλύτες της κυτταρικής βιοχημικής αντίδρασης, είναι ειδικοί για ορισμένα μόρια υποστρώματος, οι υποδοχείς στις επιφάνειες των κυττάρων είναι ειδικοί για ένα συγκεκριμένο μόριο σήματος. Το επίπεδο εξειδίκευσης μπορεί να ποικίλει και μερικά μόρια μπορούν να ενεργοποιήσουν ασθενώς τους υποδοχείς που άλλα μόρια μπορούν να ενεργοποιήσουν έντονα.

Για παράδειγμα, τα φάρμακα παυσίπονων οπιοειδών ενεργοποιούν ορισμένους υποδοχείς στο σώμα που οι φυσικές ουσίες κάλεσαν Οι ενδορφίνες προκαλούν επίσης, αλλά αυτά τα φάρμακα έχουν συνήθως πολύ ισχυρότερο αποτέλεσμα λόγω της φαρμακολογικής τους ραπτική.

Οι υποδοχείς είναι πρωτεΐνες και η λήψη λαμβάνει χώρα στην επιφάνεια. Σκεφτείτε τους υποδοχείς ως κυψελοειδή κουδούνια. Είναι σαν κουδούνι. Οι πόρτες είναι έξω από το σπίτι σας και η ενεργοποίηση είναι αυτό που κάνει τους ανθρώπους στο σπίτι σας να απαντήσουν στην πόρτα. Αλλά για να λειτουργήσει το κουδούνι της πόρτας, κάποιος πρέπει να χρησιμοποιήσει το δάχτυλό του για να πατήσει το κουδούνι.

Το πρόσδεμα είναι ανάλογο με το δάχτυλο. Μόλις συνδεθεί με τον υποδοχέα, που είναι σαν το κουδούνι, θα ξεκινήσει η διαδικασία του εσωτερικού Λειτουργίες / μεταγωγή σήματος όπως ακριβώς το κουδούνι της πόρτας ωθεί εκείνους που βρίσκονται μέσα στο σπίτι να κινηθούν και να απαντήσουν στο πόρτα.

Ενώ η δέσμευση του συνδέσμου (και το δάχτυλο που πιέζει το κουδούνι) είναι απαραίτητη για τη διαδικασία, είναι μόνο η αρχή. Η σύνδεση προσδέματος σε έναν κυτταρικό υποδοχέα είναι μόνο η αρχή μιας διαδικασίας της οποίας το σήμα πρέπει να τροποποιηθεί δύναμη, κατεύθυνση και τελικό αποτέλεσμα για να είναι χρήσιμα για το κύτταρο και τον οργανισμό στον οποίο βρίσκεται κατοικεί.

Οι υποδοχείς κυτταρικής μεμβράνης περιλαμβάνουν τρεις βασικούς τύπους:

1. Υποδοχείς συζευγμένοι με G-πρωτεΐνες
2. Ενζυματικοί υποδοχείς
3. Δέκτες ιόντων καναλιών

Σε όλες τις περιπτώσεις, η ενεργοποίηση του υποδοχέα ξεκινά ένα χημικό καταρράκτη που αποστέλλει ένα σήμα από το εξωτερικό του το κύτταρο, ή σε μια μεμβράνη εντός του κυττάρου, στον πυρήνα, ο οποίος είναι ο de facto "εγκέφαλος" του κυττάρου και ο τόπος του του γενετικό υλικό (DNA, ή δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ).

Τα σήματα ταξιδεύουν στον πυρήνα επειδή ο στόχος τους είναι να επηρεάσουν κατά κάποιο τρόπο την έκφραση του γονιδίου - τη μετάφραση των κωδικών που περιέχονται στα γονίδια στο πρωτεϊνικό προϊόν που γονίδια κωδικός για.

Πριν το σήμα φτάσει οπουδήποτε κοντά στον πυρήνα, ερμηνεύεται και τροποποιείται κοντά στη θέση προέλευσής του, στον υποδοχέα. Αυτή η τροποποίηση μπορεί να περιλαμβάνει ενίσχυση μέσω δεύτεροι αγγελιοφόροιή μπορεί να σημαίνει ελαφρά μείωση της έντασης του σήματος εάν το απαιτεί η κατάσταση.

Οι πρωτεΐνες G είναι πολυπεπτίδια με μοναδικές αλληλουχίες αμινοξέων. Στην οδό μεταγωγής σήματος κυττάρου στην οποία συμμετέχουν, συνήθως συνδέουν τον ίδιο τον υποδοχέα με ένα ένζυμο που εκτελεί τις οδηγίες που σχετίζονται με τον υποδοχέα.

Αυτά χρησιμοποιούν έναν δεύτερο αγγελιοφόρο, σε αυτήν την περίπτωση μονοφωσφορική κυκλική αδενοσίνη (κυκλικό AMP, ή cAMP) για ενίσχυση και διεύθυνση του σήματος. Άλλοι συνηθισμένοι δεύτεροι αγγελιοφόροι περιλαμβάνουν το νιτρικό οξείδιο (ΝΟ) και το ιόν ασβεστίου (Ca2 +).

Για παράδειγμα, ο υποδοχέας του μορίου επινεφρίνη, το οποίο αναγνωρίζετε πιο εύκολα ως διεγερτικό μόριο τύπου αδρεναλίνης, προκαλεί φυσικές αλλαγές στο α Η πρωτεΐνη G παρακείμενη στο σύμπλοκο συνδέτη-υποδοχέα στην κυτταρική μεμβράνη όταν η επινεφρίνη ενεργοποιεί το αισθητήριο νεύρο.

Αυτό, με τη σειρά του, προκαλεί μια πρωτεΐνη G να προκαλέσει το ένζυμο αδενυλυλ κυκλάση, που οδηγεί στην παραγωγή cAMP. Στη συνέχεια, η cAMP «διατάζει» μια αύξηση σε ένα ένζυμο που διασπά το γλυκογόνο, τη μορφή αποθήκευσης υδατανθράκων του κυττάρου, σε γλυκόζη.

Οι δεύτεροι αγγελιοφόροι στέλνουν συχνά διαφορετικά αλλά σταθερά σήματα σε διαφορετικά γονίδια στο DNA των κυττάρων. Όταν το cAMP ζητά την αποδόμηση του γλυκογόνου, ταυτόχρονα σηματοδοτεί την ανατροπή στην παραγωγή γλυκογόνου μέσω ενός διαφορετικού ενζύμου, μειώνοντας έτσι το δυναμικό για μάταιους κύκλους (το ταυτόχρονο ξετύλιγμα των αντίθετων διαδικασιών, όπως το τρεχούμενο νερό στο ένα άκρο μιας δεξαμενής, ενώ προσπαθείτε να αποστραγγίσετε το άλλο τέλος).

Κινάσες είναι ένζυμα που παίρνουν φωσφορυλικό μόρια. Αυτό το επιτυγχάνει μετακινώντας μια ομάδα φωσφορικών από την ΑΤΡ (τριφωσφορική αδενοσίνη, ένα μόριο ισοδύναμο με ΑΜΡ με δύο φωσφορικά προσαρτημένα στο ένα που έχει ήδη η ΑΜΡ) σε ένα διαφορετικό μόριο. Φωσφορυλάσες είναι παρόμοια, αλλά αυτά τα ένζυμα παίρνουν ελεύθερα φωσφορικά άλατα αντί να τα αρπάζουν από το ATP.

Στη φυσιολογία κυτταρικού σήματος, τα RTKs, σε αντίθεση με τις πρωτεΐνες G, είναι υποδοχείς που έχουν επίσης ενζυματικές ιδιότητες. Εν ολίγοις, το άκρο του υποδοχέα του μορίου βλέπει στο εξωτερικό της μεμβράνης, ενώ το άκρο της ουράς, φτιαγμένο από το αμινοξύ τυροσίνη, έχει την ικανότητα να φωσφορυλιώνει μόρια μέσα στο κύτταρο.

Αυτό οδηγεί σε μια αλληλουχία αντιδράσεων που κατευθύνουν το DNA στον πυρήνα των κυττάρων να ρυθμίζουν προς τα πάνω (αύξηση) ή να ρυθμίζουν προς τα κάτω (μείωση) την παραγωγή ενός πρωτεϊνικού προϊόντος ή προϊόντων. Ίσως η πιο μελετημένη τέτοια αλυσίδα αντιδράσεων είναι ο καταρράκτης κινάσης με ενεργοποιημένη μιτογόνο πρωτεΐνη (MAP).

Οι μεταλλάξεις στα PTK πιστεύεται ότι ευθύνονται για τη γένεση ορισμένων μορφών καρκίνου. Επίσης, πρέπει να σημειωθεί ότι η φωσφορυλίωση μπορεί να απενεργοποιήσει και να ενεργοποιήσει μόρια-στόχους, ανάλογα με το συγκεκριμένο πλαίσιο.

Αυτά τα κανάλια αποτελούνται από έναν "υδατικό πόρο" στο κυτταρική μεμβράνη και παράγονται από πρωτεΐνες που είναι ενσωματωμένες στη μεμβράνη. Ο υποδοχέας για τον κοινό νευροδιαβιβαστή ακετυλοχολίνη είναι ένα παράδειγμα ενός τέτοιου υποδοχέα.

Αντί να δημιουργεί ένα ενδιάμεσο σήμα καθαυτό εντός του κυττάρου, η ακετυλοχολίνη που συνδέεται με τον υποδοχέα της προκαλεί τη διεύρυνση του πόρου στο σύμπλεγμα, επιτρέποντας ιόντα (φορτισμένα σωματίδια) για να ρέουν στο κύτταρο και να ασκήσουν τα αποτελέσματά τους κατάντη στη σύνθεση πρωτεϊνών.

Είναι ζωτικής σημασίας να αναγνωρίσουμε ότι οι ενέργειες που συμβαίνουν ως μέρος της μεταγωγής σήματος κυτταρικού υποδοχέα δεν είναι συνήθως φαινόμενα "on / off". Αυτό είναι το φωσφορυλίωση ή αποφωσφορυλίωση ενός μορίου δεν καθορίζει το εύρος των πιθανών αποκρίσεων, είτε στο ίδιο το μόριο είτε ως προς το κατάντη σήμα του.

Ορισμένα μόρια, για παράδειγμα, μπορούν να φωσφορυλιωθούν σε περισσότερες από μία θέσεις. Αυτό παρέχει αυστηρότερη ρύθμιση της δράσης του μορίου, με τον ίδιο γενικό τρόπο που η ηλεκτρική σκούπα ή Το μπλέντερ με πολλές ρυθμίσεις μπορεί να επιτρέψει πιο στοχευμένο καθαρισμό ή παραγωγή smoothie από ένα δυαδικό "on / off" διακόπτης.

Επιπλέον, κάθε κύτταρο έχει πολλαπλούς υποδοχείς κάθε τύπου, η απόκριση εκάστου των οποίων πρέπει να ενσωματωθεί στον πυρήνα ή πριν από τον προσδιορισμό του συνολικού μεγέθους της απόκρισης. Γενικά, η ενεργοποίηση του υποδοχέα είναι ανάλογη με την απόκριση, που σημαίνει ότι όσο περισσότερο συνδέτης συνδέεται με έναν υποδοχέα, τόσο πιο έντονες είναι οι πιθανότητες να γίνουν οι μεταβολές εντός του κυττάρου.

Γι 'αυτό όταν παίρνετε μια υψηλή δόση ενός φαρμάκου, συνήθως ασκεί ισχυρότερο αποτέλεσμα από μια μικρότερη δόση. Ενεργοποιούνται περισσότεροι υποδοχείς, προκύπτουν περισσότερες cAMP ή φωσφορυλιωμένες ενδοκυτταρικές πρωτεΐνες και περισσότεροι ό, τι απαιτείται στον πυρήνα λαμβάνει χώρα (και συμβαίνει συχνά γρηγορότερα καθώς και σε μεγαλύτερο έκταση).

Οι πρωτεΐνες παράγονται αφού το DNA κάνει ένα κωδικοποιημένο αντίγραφο των ήδη κωδικοποιημένων πληροφοριών του με τη μορφή messenger RNA, το οποίο κινείται έξω από τον πυρήνα προς τα ριβοσώματα, όπου οι πρωτεΐνες παράγονται στην πραγματικότητα από αμινοξέα σύμφωνα με τις οδηγίες που παρέχονται με mRNA.

Η διαδικασία δημιουργίας mRNA από πρότυπο DNA ονομάζεται μεταγραφή. Οι πρωτεΐνες κάλεσαν παράγοντες μεταγραφής μπορεί να ρυθμιστεί προς τα πάνω ή προς τα κάτω, ως αποτέλεσμα της εισαγωγής διαφόρων ανεξάρτητων ή ταυτόχρονων σημάτων μεταγωγής. Μια διαφορετική ποσότητα της πρωτεΐνης για την οποία κωδικοποιεί η γονιδιακή αλληλουχία (μήκος DNA) συντίθεται.