Signaali ülekanne: määratlus, funktsioon, näited

Üherakulised organismid, nagu peaaegu kõik prokarüootid (bakterid ja arheed), on looduses rikkalikud. Eukarüoot organismid võivad aga sisaldada miljardeid rakke.

Kuna organismile oleks vähe kasu, kui nii palju pisikesi üksusi vaevleks üksikult eraldatuna teine, rakkudel peavad olema vahendid omavahel suhtlemiseks - see tähendab nii saatmiseks kui ka vastuvõtmiseks signaale. Raadio, televisiooni ja Interneti puudumisel osalevad rakud signaali ülekanne, kasutades vanaaegseid kemikaale.

Nii nagu tähtede või sõnade sirvimine lehel pole kasulik, kui need märgid ja üksused ei moodusta sõnu lausetest ja sidusast, üheselt mõistetavast sõnumist, pole keemilistest signaalidest kasu, kui need ei sisalda spetsiifilisi juhiseid.

Sel põhjusel on rakud varustatud igasuguste nutikate mehhanismidega genereerimiseks ja transduktsioon (see tähendab füüsilise keskkonna kaudu edastamine) biokeemilisi sõnumeid. Rakusignaalide lõppeesmärk on mõjutada geeniproduktide või rakkude ribosoomidele tehtud valkude loomist või modifitseerimist vastavalt RNA kaudu DNA-sse kodeeritud teabele.

Kui oleksite üks taksoettevõtte kümnetest juhtidest, vajaksite oskusi auto juhtimiseks ja oma linna tänavatel liikumiseks. asjatundlikult ja oskuslikult, et kohtuda reisijatega õigel ajal õigel ajal ja viia nad sihtkohta, kui nad tahavad olla seal. Sellest aga ei piisa üksi, kui ettevõte loodaks töötada maksimaalse efektiivsusega.

Erinevates kabiinides olevad juhid peaksid omavahel ja keskdispetšeriga suhtlema, et mida teha kui teatud autod olid täis või olid loitsu jaoks muul viisil kättesaamatud, peaksid nad sõitjaid peale tooma ja nii edasi.

Kui puudub võimalus suhelda kellegi muu kui potentsiaalsete reisijatega telefoni või veebirakenduse kaudu, oleks see äri kaootiline.

Samas vaimus ei saa bioloogilised rakud toimida neid ümbritsevate rakkude täielikus iseseisvuses. Sageli peavad kohalikud rakkude või tervete kudede klastrid tegevust kooskõlastama, näiteks a lihaste kokkutõmbumine või haava järel paranemine. Seega peavad rakud üksteisega suhtlema, et hoida oma tegevust joondatuna organismi kui terviku vajadustega. Selle võime puudumisel ei suuda rakud kasvu, liikumist ja muid funktsioone korralikult juhtida.

Selle piirkonna puudujäägid võivad põhjustada tõsiseid tagajärgi, sealhulgas selliseid haigusi nagu vähk, mis on sisuliselt kontrollimatu raku replikatsioon antud koes, kuna rakud ei suuda oma rakke moduleerida enda kasv. Rakusignaalide edastamine ja signaalide edastamine on seetõttu elutähtis nii kogu organismi kui ka mõjutatud rakkude tervisele.

Rakusignaali saab jagada kolmeks põhifaasiks:

1. Vastuvõtt: Spetsiaalsed struktuurid raku pinnal tuvastavad signaalmolekuli olemasolu või ligand.
2. Ülekanne: Ligandi seondumine retseptoriga käivitab raku sisemuses signaali või kaskaadseeria signaale.
3. Vastus: Ligandi ning valkude ja muude elementide poolt signaalitud signaal tõlgendatakse ja viiakse protsessi läbi, näiteks kaudu geeniekspressioon või määrus.

Nagu organismid ise, võib ka rakusignaali ülekandetee olla väga lihtne või suhteliselt keeruline mõned stsenaariumid, mis hõlmavad ainult ühte sisendit või signaali, või teised, mis hõlmavad tervet järjestikust kooskõlastatud etappi.

Näiteks bakteril puudub võime oma ohutusalaste ohtude olemuse üle järele mõelda keskkonnas, kuid see võib tajuda glükoosi olemasolu - ainet, mida kõik prokarüootsed rakud kasutavad toit.

Keerukamad organismid saadavad signaale kasutades kasvufaktorid, hormoonid, neurotransmitterid ja maatriksi komponendid rakkude vahel. Need ained võivad toimida lähedal asuvatele rakkudele või kaugele, liikudes vere ja muude kanalite kaudu. Neurotransmitterid nagu näiteks dopamiin ja serotoniin läbida väikesed ruumid külgnevate närvirakkude (neuronite) või nende vahel neuronid ja lihasrakud või sihtnäärmed.

Hormoonid toimivad sageli eriti pikkade vahemaade korral, kusjuures ajus erituvad hormoonimolekulid avaldavad mõju sugunäärmetele, neerupealistele ja muudele "kaugetele" kudedele.

Just nagu ensüümid, rakulise biokeemilise reaktsiooni katalüsaatorid, on spetsiifilised teatud substraatmolekulide jaoks, rakkude pindade retseptorid on spetsiifilised konkreetse signaalmolekuli jaoks. Spetsiifilisuse tase võib olla erinev ja mõned molekulid võivad nõrgalt aktiveerida retseptoreid, mida teised molekulid võivad tugevalt aktiveerida.

Näiteks opioidsed valuvaigistid aktiveerivad kehas teatud retseptorid, mida looduslikud ained kutsusid käivitavad ka endorfiinid, kuid neil ravimitel on nende farmakoloogilise toime tõttu tavaliselt palju tugevam toime rätsepatöö.

Retseptorid on valgud ja vastuvõtt toimub pinnal. Mõelge retseptoritest kui mobiilsetest uksekelladest. See on nagu uksekell. Uksekellad asuvad väljaspool teie maja ja selle aktiveerimine paneb teie majas olevad inimesed uksele vastama. Kuid selleks, et see uksekell tööle hakkaks, peab keegi kella vajutama sõrmega.

Ligand on analoogne sõrmega. Kui see seondub retseptoriga, mis on nagu uksekell, alustab see sisemise protsessi töö / signaaliülekanne just siis, kui uksekell paneb maja sees olijad liikuma ja neile vastama uks.

Kuigi ligandi sidumine (ja uksekella vajutav sõrm) on protsessi jaoks hädavajalik, on see alles algus. Rakuretseptoriga seonduv ligand on alles protsessi algus, mille signaali tuleb modifitseerida tugevus, suund ja ülim mõju, et olla abiks rakule ja organismile, milles see on elab.

Rakumembraani retseptorid hõlmavad kolme peamist tüüpi:

1. G-valguga seotud retseptorid
2. Ensüümiga seotud retseptorid
3. Ioonkanali retseptorid

Kõigil juhtudel käivitab retseptori aktiveerimine keemilise kaskaadi, mis saadab signaali väljastpoolt rakust või rakusiseselt membraanilt kuni tuumani, mis on raku de facto "aju" ja selle geneetiline materjal (DNA või desoksüribonukleiinhape).

Signaalid liiguvad tuuma, kuna nende eesmärk on mingil viisil mõjutada geeniekspressiooni - geenides sisalduvate koodide tõlkimist valguproduktiks, mille geenid kood.

Enne signaali jõudmist tuuma lähedale tõlgendatakse ja modifitseeritakse seda selle päritolukoha lähedal, retseptori juures. See modifikatsioon võib hõlmata amplifikatsiooni läbi teine ​​käskjaladvõi see võib tähendada signaali tugevuse vähest vähenemist, kui olukord seda nõuab.

G-valgud on polüpeptiidid ainulaadsete aminohapete järjestustega. Rakusignaali transduktsioonirajal, milles nad osalevad, seovad nad tavaliselt retseptori ise ensüümiga, mis täidab retseptorile olulisi juhiseid.

Need kasutavad sel juhul teist sõnumitoojat tsükliline adenosiinmonofosfaat (tsükliline AMP või cAMP) signaali võimendamiseks ja suunamiseks. Teiste levinud sõnumite hulka kuuluvad lämmastikoksiid (NO) ja kaltsiumioon (Ca2 +).

Näiteks molekuli retseptor epinefriin, mille tunnete kergemini kui stimulandi tüüpi molekuli adrenaliini, põhjustab a G-valk, mis külgneb rakumembraanis ligandi-retseptori kompleksiga, kui epinefriin aktiveerib retseptor.

See omakorda põhjustab G-valgu ensüümi käivitamise adenülüültsüklaas, mis viib cAMP tootmiseni. Seejärel "tellib" cAMP ensüümi suurenemise, mis lagundab glükogeeni, raku süsivesikute varumisvormi glükoosiks.

Teised käskjalad saadavad sageli erinevaid, kuid järjepidevaid signaale raku DNA erinevatele geenidele. Kui cAMP nõuab glükogeeni lagundamist, annab see samaaegselt märku glükogeeni tootmise tagasilöögist teise ensüümi kaudu, vähendades seeläbi kasutute tsüklite potentsiaal (vastandlike protsesside samaaegne avanemine, näiteks vee voolamine basseini ühte otsa, samal ajal kui teine ​​üritab tühjendada lõpp).

Kinaasid on ensüümid, mis võtavad fosforülaat molekulid. Nad saavutavad selle, liigutades fosfaatrühma ATP-st (adenosiinitrifosfaat, AMP-ga samaväärne molekul koos kahe fosfaadiga, mis on ühendatud ühe AMP-ga) teise molekuli. Fosforülaasid on sarnased, kuid need ensüümid võtavad pigem vabu fosfaate, mitte haaravad neid ATP-st.

Rakusignaalfüsioloogias on RTK-d erinevalt G-valkudest retseptorid, millel on ka ensümaatilised omadused. Lühidalt, molekuli retseptori ots on suunatud membraani välisküljele, samas kui aminohappest türosiinist valmistatud sabaots on võimeline rakus olevaid molekule fosforüülima.

See viib reaktsioonide kaskaadini, mis suunavad rakutuumas olevat DNA-d valgusaaduse või -produktide tootmist üles või alla reguleerima (vähendama). Võib-olla on kõige paremini uuritud selline reaktsiooniahel mitogeenaktiveeritud valgu (MAP) kinaasi kaskaad.

Arvatakse, et PTK mutatsioonid vastutavad teatud vähivormide tekke eest. Samuti tuleb märkida, et fosforüülimine võib sihtmolekule nii inaktiveerida kui ka aktiveerida, sõltuvalt konkreetsest kontekstist.

Need kanalid koosnevad veepoorist rakumembraan ja on valmistatud membraani sisse pandud valkudest. Tavalise neurotransmitteri retseptor atsetüülkoliin on sellise retseptori näide.

Selle asemel, et rakus kaskaadse signaali tekitada, põhjustab atsetüülkoliini retseptoriga seondumine kompleksi pooride laienemist, mis võimaldab ioonid (laetud osakesed) rakku voolama ja avaldama oma mõju valgusünteesile allavoolu.

On ülitähtis teadvustada, et rakuretseptori signaaliülekande osana toimuvad toimingud ei ole tavaliselt "sisse / välja" nähtused. See tähendab, et fosforüülimine või molekuli defosforüülimine ei määra võimalike reaktsioonide vahemikku ei molekuli enda juures ega selle allavoolu signaali osas.

Näiteks võib mõningaid molekule fosforüülida rohkem kui ühes kohas. See võimaldab molekuli toimet tihedamalt moduleerida samal viisil nagu tolmuimeja või mitme seadistusega segisti võimaldab täpsemat puhastamist või smuuti valmistamist kui binaarne "sisse / välja" lüliti.

Lisaks on igal rakul igat tüüpi mitu retseptorit, mille vastuse üldise suuruse määramiseks tuleb iga reaktsioon integreerida tuumas või enne seda. Üldiselt on retseptori aktiveerimine proportsionaalne vastusega, mis tähendab, et mida rohkem ligandi retseptoriga seondub, seda markantsemad muutused rakus tõenäoliselt on.

Sellepärast, kui võtate suurt ravimiannust, avaldab see tavaliselt tugevamat efekti kui väiksem annus. Aktiveerub rohkem retseptoreid, tulemuseks on rohkem cAMP või fosforüülitud rakusiseseid valke ja rohkem kõik, mida tuumas nõutakse, toimub (ja juhtub sageli nii kiiremini kui ka suuremana) ulatus).

Valgud on valmistatud pärast seda, kui DNA teeb kodeeritud koopia oma juba kodeeritud teabest messenger RNA kujul, mis liigub väljaspool tuuma ribosoomidesse, kus valgud on tegelikult valmistatud aminohapetest vastavalt lisatud juhistele kõrval mRNA.

DNA matriitsist mRNA valmistamise protsessi nimetatakse transkriptsioon. Valgud kutsusid transkriptsioonifaktorid Erinevate sõltumatute või samaaegsete ülekandesignaalide sisestamise tulemusel saab reguleerida üles või alla. Selle tulemusena sünteesitakse erinev kogus valku, mida geenijärjestus (DNA pikkus) kodeerib.