Jednoćelijski organizmi, kao i gotovo svi prokarioti (bakterije i arheje), obiluju prirodom. Eukariotski organizmi, međutim, mogu sadržavati milijarde stanica.
Budući da bi organizmu malo koristilo imati toliko sitnih cjelina koje se muče izolirano od jednog drugo, stanice moraju imati sredstva za međusobnu komunikaciju - tj. i slanje i primanje signali. U nedostatku radija, televizije i interneta, stanice se uključuju prijenos signala, koristeći staromodne kemikalije.
Kao što ni crtanje slova ili riječi na stranici nije korisno ako ovi znakovi i entiteti ne tvore riječi, rečenice i koherentna, nedvosmislena poruka, kemijski signali nisu od koristi ako ne sadrže određene upute.
Iz tog su razloga stanice opremljene svim vrstama pametnih mehanizama za stvaranje i transdukcija (odnosno prijenos fizičkim medijem) biokemijskih poruka. Krajnji cilj stanične signalizacije je utjecati na stvaranje ili modifikaciju genskih proizvoda ili proteina stvorenih na ribosomima stanica u skladu s informacijama kodiranim u DNA putem RNA.
Razlozi za prijenos signala
Ako ste bili jedan od desetaka vozača taksi-tvrtke, trebale bi vam vještine vožnje automobila i kretanja ulicama vašeg grada znalački i vješto kako biste na vrijeme upoznali svoje putnike na pravom mjestu i odveli ih na odredišta kada to žele tamo. To, međutim, ne bi bilo dovoljno samo za sebe kada bi se tvrtka nadala da će raditi s maksimalnom učinkovitošću.
Vozači u različitim kabinama trebali bi komunicirati jedni s drugima i sa središnjim dispečerom kako bi utvrdili što putnike treba pokupiti oni koji su, kad su određeni automobili bili puni ili na neki drugi način nedostupni za čaroliju, zaglavili u prometu i tako dalje.
U nedostatku mogućnosti komunikacije s bilo kim drugim, osim s potencijalnim putnicima, putem telefona ili mrežne aplikacije, posao bi bio kaotičan.
U istom duhu, biološke stanice ne mogu djelovati u potpunoj neovisnosti stanica oko sebe. Često lokalne nakupine stanica ili cijela tkiva trebaju koordinirati aktivnost, poput mišićna kontrakcija ili zacjeljivanje nakon rane. Stoga stanice moraju međusobno komunicirati kako bi svoje aktivnosti uskladile s potrebama organizma u cjelini. Odsutne te sposobnosti, stanice ne mogu pravilno upravljati rastom, kretanjem i drugim funkcijama.
Deficiti na ovom području mogu dovesti do ozbiljnih posljedica, uključujući bolesti poput raka, koji je u osnovi nekontrolirana replikacija stanica u danom tkivu zbog nesposobnosti stanica da moduliraju svoju vlastiti rast. Stanična signalizacija i prenošenje signala stoga su vitalni za zdravlje organizma u cjelini, kao i zahvaćenih stanica.
Što se događa tijekom transdukcije signala
Stanična signalizacija može se podijeliti u tri osnovne faze:
- Recepcija: Specijalizirane strukture na površini stanice otkrivaju prisutnost signalne molekule, ili ligand.
- Transdukcija: Vezanje liganda na receptor inicira signal ili kaskadni niz signala u unutrašnjosti stanice.
- Odgovor: Poruka koju signaliziraju ligand i proteini i drugi elementi na koje utječe tumači se i stavlja u proces, poput putem ekspresija gena odnosno propisa.
Kao i sami organizmi, stanični put transdukcije signala može biti izuzetno jednostavan ili relativno složen neki scenariji uključuju samo jedan ulaz ili signal, ili drugi koji uključuju čitav niz uzastopnih, koordiniranih koraka.
Na primjer, bakterija nema sposobnost promišljanja o prirodi sigurnosnih prijetnji okoliša, ali može osjetiti prisutnost glukoze, tvari za koju sve prokariotske stanice koriste hrana.
Složeniji organizmi šalju signale pomoću čimbenici rasta, hormoni, neurotransmitera i komponente matrice između stanica. Te tvari mogu djelovati na stanice u blizini ili na daljinu putujući krvlju i drugim kanalima. Neurotransmiteri kao što su dopamin i serotonin prelaze male prostore između susjednih živčanih stanica (neurona) ili između neuroni i mišićne stanice ili ciljne žlijezde.
Hormoni često djeluju na posebno velikim udaljenostima, a molekule hormona izlučene u mozgu djeluju na spolne žlijezde, nadbubrežne žlijezde i druga "udaljena" tkiva.
Receptori stanica: Prilazi putu transdukcije signala
Baš kao enzimi, katalizatori stanične biokemijske reakcije, specifični su za određene molekule supstrata, receptori na površinama stanica specifični su za određenu signalnu molekulu. Razina specifičnosti može varirati, a neke molekule mogu slabo aktivirati receptore koje druge molekule mogu snažno aktivirati.
Na primjer, opioidni lijekovi protiv bolova aktiviraju određene receptore u tijelu koje su prirodne tvari nazvale endorfini također pokreću, ali ti lijekovi obično imaju daleko jači učinak zbog svog farmakološkog učinka krojenje.
Receptori su proteini, a primanje se odvija na površini. Zamišljajte receptore kao stanična zvona. To je poput zvona na vratima. Zvona na vratima su ispred vaše kuće i njihovo aktiviranje je ono zbog čega ljudi u vašoj kući odgovaraju na vrata. Ali da bi zvono na vratima djelovalo, netko mora prstom pritisnuti zvono.
Ligand je analogan prstu. Jednom kad se veže za receptor, koji je poput zvona na vratima, pokrenut će proces unutarnjeg radnje / prenošenje signala baš kao što zvono na vratima pokreće one u kući da se pomaknu i odgovore na vrata.
Iako je vezivanje liganda (i prst koji pritiska zvono na vratima) presudan za proces, to je tek početak. Vezanje liganda na stanični receptor samo je početak procesa čiji se signal mora modificirati snagu, smjer i krajnji učinak kako bi bili od pomoći ćeliji i organizmu u kojem se nalaze prebiva.
Recepcija: Otkrivanje signala
Receptori stanične membrane uključuju tri glavne vrste:
- Receptori povezani s G-proteinima
- Enzimski povezani receptori
- Receptori ionskih kanala
U svim slučajevima, aktiviranje receptora pokreće kemijsku kaskadu koja šalje signal izvana stanice, ili na membrani unutar stanice, do jezgre, koja je de facto "mozak" stanice i mjesto svoje genetski materijal (DNA ili deoksiribonukleinska kiselina).
Signali putuju do jezgre jer im je cilj na neki način utjecati na ekspresiju gena - prijevod kodova sadržanih u genima na proteinski proizvod koji geni kod za.
Prije nego što se signal približi jezgri, on se interpretira i modificira u blizini mjesta svog porijekla, na receptoru. Ova preinaka može uključivati pojačanje kroz drugi glasnici, ili može značiti blago smanjenje snage signala ako to situacija zahtijeva.
Receptori povezani s G-proteinima
G proteini su polipedtidi s jedinstvenim aminokiselinskim sekvencama. U stanici stanične signalne transdukcije u kojoj sudjeluju, oni obično povezuju sam receptor s enzimom koji izvršava upute koje se odnose na receptor.
U ovom slučaju koriste drugi glasnik ciklički adenozin monofosfat (ciklički AMP ili cAMP) za pojačavanje i usmjeravanje signala. Ostali uobičajeni drugi glasnici uključuju dušikov oksid (NO) i kalcijev ion (Ca2 +).
Na primjer, receptor za molekulu epinefrin, koju lakše prepoznajete kao molekul stimulansa tipa adrenalin, uzrokuje fizičke promjene u G-protein uz kompleks liganda i receptora u staničnoj membrani kada epinefrin aktivira receptor.
To, pak, uzrokuje da G-protein pokreće enzim adenilil ciklaza, što dovodi do proizvodnje cAMP-a. cAMP tada "naređuje" povećanje enzima koji razgrađuje glikogen, stanični oblik skladištenja ugljikohidrata, do glukoze.
Drugi glasnici često šalju različite, ali konzistentne signale različitim genima u staničnoj DNA. Kad cAMP poziva na razgradnju glikogena, on istovremeno signalizira zauzvrat u proizvodnji glikogena putem drugog enzima, čime se smanjuje potencijal za uzaludne cikluse (istodobno odvijanje suprotstavljenih procesa, poput tekuće vode u jedan kraj bazena dok se drugi pokušava isušiti) kraj).
Receptorske tirozin kinaze (RTK)
Kinaze su enzimi koji uzimaju fosforilata molekule. To postižu premještanjem fosfatne skupine iz ATP (adenozin trifosfat, molekula ekvivalentna AMP s dva fosfata dodana onom koji AMP već ima) na drugu molekulu. Fosforilaze su slični, ali ti enzimi skupljaju slobodne fosfate, umjesto da ih uzimaju iz ATP.
U fiziologiji staničnih signala, RTK-ovi su, za razliku od G-proteina, receptori koji također posjeduju enzimska svojstva. Ukratko, receptorski kraj molekule okrenut je prema vanjskoj strani membrane, dok repni dio, načinjen od aminokiseline tirozina, ima sposobnost fosforilacije molekula unutar stanice.
To dovodi do kaskade reakcija koje usmjeravaju DNA u staničnoj jezgri da regulira (poveća) ili smanji (smanji) proizvodnju proteinskog proizvoda ili proizvoda. Možda je najbolje proučavan takav lanac reakcija kaskada minagen aktiviranog proteina (MAP) kinaze.
Vjeruje se da su mutacije PTK odgovorne za genezu određenih oblika karcinoma. Također, treba napomenuti da fosforilacija može deaktivirati i aktivirati ciljne molekule, ovisno o određenom kontekstu.
Ionski kanali aktivirani ligandom
Ti se kanali sastoje od "vodene pore" u stanična membrana a izrađeni su od bjelančevina ugrađenih u membranu. Receptor za uobičajeni neurotransmiter acetilkolin je primjer takvog receptora.
Umjesto da generira kaskadni signal sam po sebi unutar stanice, vezanje acetilkolina na svoj receptor dovodi do širenja pora u kompleksu, što omogućuje ioni (nabijene čestice) da teku u stanicu i vrše svoje učinke nizvodno na sintezu proteina.
Odgovor: Integriranje kemijskog signala
Vitalno je prepoznati da radnje koje se događaju kao dio transdukcije signala staničnog receptora nisu tipične pojave "uključivanja / isključivanja". Odnosno fosforilacija ili defosforilacija molekule ne određuje raspon mogućih odgovora, ni na samoj molekuli ni u smislu njezinog nizvodnog signala.
Na primjer, neke molekule mogu se fosforilirati na više mjesta. To omogućuje čvršću modulaciju djelovanja molekule, na isti opći način kao usisavač ili miješalica s više postavki može omogućiti ciljanije čišćenje ili pripremu smoothieja od binarnog "uključivanja / isključivanja" sklopka.
Uz to, svaka stanica ima više receptora svake vrste, čiji odgovor mora biti integriran na ili prije jezgre kako bi se odredila ukupna veličina odgovora. Općenito, aktivacija receptora proporcionalna je odgovoru, što znači da što je više liganda koji se veže za receptor, to će vjerojatnije biti promjene u stanici.
To je razlog zašto kada uzimate visoku dozu lijeka, ona obično ima jači učinak od manje doze. Aktivira se više receptora, rezultira više cAMP ili fosforiliranih unutarstaničnih proteina i više događa se sve što je potrebno u jezgri (i često se događa brže kao i veće opseg).
Napomena o ekspresiji gena
Proteini nastaju nakon što DNA napravi kodiranu kopiju svojih već kodiranih podataka u obliku glasničke RNA koja se pomiče izvan jezgre do ribosoma, gdje su proteini zapravo napravljeni od aminokiselina u skladu s priloženim uputama po mRNA.
Poziva se postupak stvaranja mRNA iz DNK predloška transkripcija. Proteini zvani čimbenici transkripcije mogu se regulirati prema gore ili prema dolje kao rezultat unosa različitih neovisnih ili simultanih signala transdukcije. Kao rezultat, sintetizira se različita količina proteina za koju kodira sekvenca gena (duljina DNA).
