Τα κύτταρα σε πολυκύτταρους οργανισμούς πρέπει να αναλάβουν εξειδικευμένους ρόλους και πρέπει να γνωρίζουν πότε να εκτελούν συγκεκριμένες δραστηριότητες. Τα κύτταρα συντονίζουν τις ενέργειές τους μέσω διαφορετικών τύπων κυψελοειδούς επικοινωνίας, που ονομάζεται επίσης κυτταρική σηματοδότηση. Τα τυπικά κυτταρικά σήματα είναι χημικής φύσης και μπορούν να στοχεύονται τοπικά ή γενικά για τον οργανισμό.
Η κυτταρική επικοινωνία είναι μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων που περιλαμβάνει τα εξής:
- Αποστολή του χημικού σήματος.
- Λήψη του σήματος στον υποδοχέα εξωτερικής μεμβράνης του στοχευόμενου κυττάρου.
- Μεταφορά του σήματος στο εσωτερικό του κελιού στόχου.
- Αλλαγή της συμπεριφοράς του κελιού στόχου.
Οι διαφορετικοί τύποι κυψελοειδούς επικοινωνίας ακολουθούν όλα τα ίδια βήματα αλλά διακρίνονται από την ταχύτητα της διαδικασίας σηματοδότησης και την απόσταση στην οποία ενεργεί. Τα νευρικά κύτταρα σηματοδοτούν γρήγορα αλλά τοπικά, ενώ οι αδένες που απελευθερώνουν ορμόνες λειτουργούν πιο αργά αλλά σε ολόκληρο τον οργανισμό.
Οι διαφορετικοί τύποι κυτταρικής σηματοδότησης έχουν εξελιχθεί για να ληφθούν υπόψη οι απαιτήσεις ταχύτητας και απόστασης για διάφορες λειτουργίες κυψέλης.
Τα κύτταρα επικοινωνούν με τέσσερις τύπους σημάτων
Τα κελιά χρησιμοποιούν διαφορετικούς τύπους σηματοδότησης ανάλογα με τα άλλα κελιά που θέλουν να προσεγγίσουν. Οι τέσσερις τύποι κυτταρικής επικοινωνίας είναι:
-
Παρακρίνη: Το κύτταρο σηματοδότησης εκκρίνει μια χημική ουσία που διαχέεται τοπικά σε κύτταρα στόχους.
- Autocrine: Παρόμοια με την σηματοδότηση παρακρίνης, αλλά το κελί στόχος είναι το κελί σηματοδότησης. Το κελί στέλνει σήματα από μια περιοχή κυτταρικής μεμβράνης στην άλλη.
- Ενδοκρινικό: Η ενδοκρινική σηματοδότηση παράγει μια ορμόνη που ταξιδεύει σε ολόκληρο τον οργανισμό μέσω του κυκλοφορικού συστήματος.
- Συνοπτικό: Τα κελιά αποστολής και λήψης έχουν δημιουργήσει μια συναπτική δομή φέρνοντας τις κυτταρικές τους μεμβράνες σε στενή επαφή για εύκολη ανταλλαγή σημάτων.
Τα κύτταρα απελευθερώνουν χημικά σήματα για να ενημερώσουν τα άλλα κύτταρα ποιες ενέργειες κάνουν και λαμβάνουν σήματα που τους ενημερώνουν για τις δραστηριότητες άλλων κυττάρων του οργανισμού. Δράσεις όπως κυτταρική διαίρεση, η ανάπτυξη των κυττάρων, ο κυτταρικός θάνατος και η παραγωγή πρωτεϊνών συντονίζεται μέσω των διαφόρων τύπων κυτταρικής σηματοδότησης.
Τα σήματα Paracrine διατηρούν την τάξη στη γειτονιά των κυττάρων
Κατά τη σηματοδότηση παρακρινών, ένα κύτταρο εκκρίνει μια χημική ουσία που τελικά προκαλεί συγκεκριμένες αλλαγές στη συμπεριφορά των γειτονικών κυττάρων. Το αρχικό κύτταρο παράγει το χημικό σήμα που διαχέεται σε ολόκληρο τον ιστό. Η χημική ουσία δεν είναι σταθερή και υποβαθμίζεται εάν πρέπει να διανύσει μεγάλες αποστάσεις.
Ως αποτέλεσμα, το σήμα παρακραρίνης χρησιμοποιείται για τοπική επικοινωνία κυττάρων.
Η χημική ουσία που παράγει το κύτταρο απευθύνεται σε άλλα συγκεκριμένα κύτταρα. Τα στοχευόμενα κύτταρα έχουν υποδοχείς στις κυτταρικές μεμβράνες τους για την εκκρινόμενη χημική ουσία. Τα μη στοχευόμενα κύτταρα δεν έχουν τους απαιτούμενους υποδοχείς και δεν επηρεάζονται. Η εκκρινόμενη χημική ουσία προσκολλάται στους υποδοχείς στοχευμένων κυττάρων και προκαλεί αντίδραση μέσα στο κύτταρο. Η αντίδραση με τη σειρά της επηρεάζει τη στοχευμένη κυτταρική συμπεριφορά.
Για παράδειγμα, κύτταρα του δέρματος μεγαλώνουν σε στρώματα με το πάνω στρώμα που αποτελείται από νεκρά κύτταρα. Κύτταρα διαφορετικού ιστού βρίσκονται κάτω από το κάτω στρώμα των κυττάρων του δέρματος. Η τοπική κυτταρική σηματοδότηση διασφαλίζει ότι τα κύτταρα του δέρματος γνωρίζουν σε ποιο στρώμα βρίσκονται και αν πρέπει να διαιρεθούν για να αντικαταστήσουν τα νεκρά κύτταρα.
Η σηματοδότηση Paracrine χρησιμοποιείται επίσης για επικοινωνία στο εσωτερικό μυϊκός ιστός. Ένα παρακρινικό χημικό σήμα από τα νευρικά κύτταρα του μυός προκαλεί τη σύσπαση των μυϊκών κυττάρων, επιτρέποντας την κίνηση των μυών στον μεγαλύτερο οργανισμό.
Η αυτόματη σηματοδότηση μπορεί να προωθήσει την ανάπτυξη
Η αυτόματη σηματοδότηση είναι παρόμοια με τη σηματοδότηση παρακρίνης αλλά δρα στο κελί που εκκρίνει αρχικά το σήμα. Το αρχικό κελί παράγει ένα χημικό σήμα, αλλά οι υποδοχείς του σήματος βρίσκονται στο ίδιο κελί. Ως αποτέλεσμα, το κύτταρο διεγείρεται για να αλλάξει τη συμπεριφορά του.
Για παράδειγμα, ένα κύτταρο θα μπορούσε να εκκρίνει μια χημική ουσία που προάγει την ανάπτυξη των κυττάρων. Το σήμα διαχέεται σε όλο τον τοπικό ιστό αλλά συλλαμβάνεται από υποδοχείς στο αρχικό κύτταρο. Το κελί που εκκρίνει το σήμα στη συνέχεια διεγείρεται για να εμπλακεί σε μεγαλύτερη ανάπτυξη.
Αυτό το χαρακτηριστικό είναι χρήσιμο σε έμβρυα όπου η ανάπτυξη είναι σημαντική, και προάγει επίσης αποτελεσματική διαφοροποίηση των κυττάρων, όταν η αυτοκρινή σηματοδότηση ενισχύει την ταυτότητα ενός κυττάρου. Η αυτο-διέγερση της αυτοκρινής είναι σπάνια σε υγιείς ιστούς ενηλίκων αλλά μπορεί να βρεθεί σε ορισμένους καρκίνους.
Η ενδοκρινική σηματοδότηση επηρεάζει ολόκληρο τον οργανισμό
Στην ενδοκρινική σηματοδότηση, το αρχικό κύτταρο εκκρίνει μια ορμόνη που είναι σταθερή σε μεγάλες αποστάσεις. Η ορμόνη διαχέεται μέσω του κυτταρικού ιστού στα τριχοειδή και ταξιδεύει μέσω του κυκλοφορικού συστήματος του οργανισμού.
Οι ενδοκρινικές ορμόνες εξαπλώνονται σε όλο το σώμα και στοχεύουν τα κύτταρα σε περιοχές που είναι απομακρυσμένες από το κύτταρο σηματοδότησης. Τα στοχευόμενα κύτταρα έχουν υποδοχείς για την ορμόνη και αλλάζουν τη συμπεριφορά τους όταν ενεργοποιούνται οι υποδοχείς.
Για παράδειγμα, τα κύτταρα του επινεφριδίου παράγουν την ορμόνη αδρεναλίνη, η οποία αναγκάζει το σώμα να εισέλθει στη λειτουργία «μάχης ή πτήσης». Η ορμόνη εξαπλώνεται σε όλο το σώμα στο αίμα και προκαλεί αντιδράσεις στα στοχευμένα κύτταρα. Αιμοφόρα αγγεία περιορισμός για την αύξηση της αρτηριακής πίεσης για τους μυς, η καρδιά αντλεί πιο γρήγορα και ενεργοποιούνται ορισμένοι αδένες ιδρώτα. Ολόκληρος ο οργανισμός τίθεται σε κατάσταση ετοιμότητας για επιπλέον άσκηση.
Η ορμόνη είναι η ίδια παντού, αλλά όταν ενεργοποιεί τους υποδοχείς στα κύτταρα, τα κύτταρα αλλάζουν τη συμπεριφορά τους με διαφορετικούς τρόπους.
Το Synaptic Signaling Links Two Cells
Όταν δύο κυψέλες πρέπει συνεχώς να ανταλλάσσουν εκτεταμένη σηματοδότηση, είναι λογικό να κατασκευάζονται ειδικές δομές επικοινωνίας για να διευκολύνεται η ανταλλαγή χημικών σημάτων. ο σύναψη είναι μια επέκταση κυττάρων που φέρνει τις εξωτερικές κυτταρικές μεμβράνες δύο κυττάρων σε κοντινή απόσταση. Η σηματοδότηση σε μια σύναψη συνδέει πάντα μόνο δύο κελιά, αλλά ένα κελί μπορεί να έχει τόσο στενούς συσχετισμούς με πολλά κελιά ταυτόχρονα.
Χημικά σήματα που απελευθερώνονται στο συναπτικό κενό λαμβάνονται αμέσως από τους εταίρους κυτταρικούς υποδοχείς Για ορισμένα κελιά, το κενό είναι τόσο μικρό που τα κύτταρα αγγίζουν αποτελεσματικά. Σε αυτήν την περίπτωση, τα χημικά σήματα στην μεμβράνη εξωτερικού κυττάρου ενός κυττάρου μπορούν να εμπλέκουν άμεσα υποδοχείς στη μεμβράνη του άλλου κυττάρου και η επικοινωνία είναι ιδιαίτερα γρήγορη.
Τυπική συναπτική επικοινωνία πραγματοποιείται μεταξύ νευρώνες στον εγκέφαλο. Τα εγκεφαλικά κύτταρα κατασκευάζουν συνάψεις για τη δημιουργία προτιμώμενων καναλιών επικοινωνίας με ορισμένα γειτονικά κύτταρα. Τα κύτταρα μπορούν στη συνέχεια να επικοινωνούν πολύ καλά με τους συναπτικούς συνεργάτες τους, ανταλλάσσοντας χημικά σήματα γρήγορα και συχνά.
Η διαδικασία λήψης σήματος είναι παρόμοια για όλους τους τύπους κινητής επικοινωνίας
Η αποστολή ενός σήματος κυψελοειδούς επικοινωνίας είναι σχετικά ευθεία προς τα εμπρός καθώς το κύτταρο εκκρίνει τη χημική ουσία και το σήμα κατανέμεται ανάλογα με τον τύπο του. Η λήψη σήματος είναι πιο περίπλοκη επειδή η χημική ουσία σήματος παραμένει έξω από το κελί στόχου. Προτού το σήμα μπορεί να αλλάξει τη συμπεριφορά των κυττάρων, πρέπει να εισέλθει στο κελί και να προκαλέσει την αλλαγή.
Πρώτον, το κύτταρο στόχος πρέπει να έχει υποδοχείς που να αντιστοιχούν στο χημικό σήμα. Οι υποδοχείς είναι χημικές ουσίες στην επιφάνεια του κυττάρου που μπορούν να συνδεθούν με ορισμένα χημικά σήματα. Όταν ένας υποδοχέας συνδέεται με ένα χημικό σήμα, απελευθερώνει μια σκανδάλη στο εσωτερικό της κυτταρικής μεμβράνης.
Στη συνέχεια, η σκανδάλη ξεκινά μια διαδικασία μεταγωγή σήματος στο οποίο η ενεργοποιημένη χημική ουσία στοχεύει ένα μέρος του κυττάρου όπου η συμπεριφορά του κυττάρου πρέπει να αλλάξει.
Η έκφραση του γονιδίου είναι ένας μηχανισμός για αλλαγές στη συμπεριφορά των κυττάρων
Τα κύτταρα αναπτύσσονται και διαιρούνται ως αποτέλεσμα της σηματοδότησης από άλλα κύτταρα. Ένα τέτοιο σήμα ανάπτυξης συνδέεται με τους υποδοχείς κυττάρων στόχου και ενεργοποιεί μεταγωγή σήματος εντός του κυττάρου. Η χημική μεταγωγή εισέρχεται στον πυρήνα του κυττάρου και προκαλεί το κύτταρο να ξεκινήσει την ανάπτυξη και την επακόλουθη κυτταρική διαίρεση.
Η χημική μεταγωγή επιτυγχάνει αυτό επηρεάζοντας γονιδιακή έκφραση. Ενεργοποιεί τα γονίδια που είναι υπεύθυνα για την παραγωγή επιπλέον κυτταρικών πρωτεϊνών που κάνουν το κύτταρο να αναπτύσσεται και να διαιρείται. Το κελί εκφράζει ένα νέο σύνολο γονιδίων και αλλάζει τη συμπεριφορά του σύμφωνα με το σήμα που ελήφθη.
Τα κύτταρα μπορούν επίσης να αλλάξουν τη συμπεριφορά τους σύμφωνα με τα σήματα των κυττάρων αλλάζοντας την ποσότητα ενέργειας που παράγουν, αλλάζοντας τις ποσότητες χημικών που εκκρίνουν ή εμπλέκονται σε κύτταρα απόπτωση ή ελεγχόμενο κυτταρικό θάνατο. Ο κυτταρικός κύκλος επικοινωνίας παραμένει ο ίδιος, με τα κύτταρα που προέρχονται από σήματα, τα κύτταρα-στόχους να τα λαμβάνουν και τα στοχευόμενα κύτταρα και μετά να αλλάζουν τη συμπεριφορά τους σύμφωνα με το λαμβανόμενο σήμα.