Transduksi Sinyal: Definisi, Fungsi, Contoh

Organisme bersel tunggal, seperti hampir semua prokariota (bakteri dan archaea), berlimpah di alam. Eukariotik organisme, bagaimanapun, dapat mengandung miliaran sel.

Karena tidak ada gunanya bagi organisme untuk memiliki begitu banyak entitas kecil yang bekerja keras dalam isolasi dari satu yang lain, sel harus memiliki sarana untuk berkomunikasi satu sama lain – yaitu, mengirim dan menerima sinyal. Karena kekurangan radio, televisi, dan Internet, sel-sel terlibat dalam transduksi sinyal, menggunakan bahan kimia kuno.

Sama seperti mencoret-coret huruf atau kata pada halaman tidak membantu kecuali karakter dan entitas ini membentuk kata, kalimat dan pesan yang koheren dan tidak ambigu, sinyal kimia tidak ada gunanya kecuali mengandung spesifik instruksi.

Untuk alasan ini, sel dilengkapi dengan segala macam mekanisme pintar untuk generasi dan transduksi (yaitu, transmisi melalui media fisik) pesan biokimia. Tujuan akhir dari pensinyalan sel adalah untuk mempengaruhi penciptaan atau modifikasi produk gen, atau protein yang dibuat pada ribosom sel sesuai dengan informasi yang dikodekan dalam DNA melalui RNA.

Jika Anda adalah salah satu dari lusinan pengemudi untuk perusahaan taksi, Anda memerlukan keterampilan untuk mengemudikan mobil dan menavigasi jalan-jalan di kota atau kota Anda berpengetahuan dan terampil untuk bertemu penumpang Anda tepat waktu di tempat yang tepat dan membawa mereka ke tujuan mereka ketika mereka ingin sana. Namun, hal ini tidak akan cukup jika perusahaan berharap dapat beroperasi dengan efisiensi maksimum.

Pengemudi di taksi yang berbeda perlu berkomunikasi satu sama lain dan dengan petugas operator pusat untuk menentukan apa penumpang harus dijemput oleh siapa, ketika mobil tertentu penuh atau tidak tersedia untuk sementara, terjebak dalam lalu lintas dan seterusnya.

Tanpa kemampuan untuk berkomunikasi dengan siapa pun selain calon penumpang melalui telepon atau aplikasi online, bisnis akan kacau.

Dalam semangat yang sama, sel-sel biologis tidak dapat beroperasi secara independen sepenuhnya dari sel-sel di sekitarnya. Seringkali, kelompok sel lokal atau seluruh jaringan perlu mengoordinasikan suatu aktivitas, seperti: kontraksi otot atau penyembuhan setelah luka. Dengan demikian sel harus berkomunikasi satu sama lain untuk menjaga aktivitas mereka selaras dengan kebutuhan organisme secara keseluruhan. Tanpa kemampuan ini, sel tidak dapat mengatur pertumbuhan, pergerakan, dan fungsi lainnya dengan baik.

Defisit di area ini dapat menyebabkan konsekuensi serius, termasuk penyakit seperti kanker, yang replikasi sel pada dasarnya tidak terkendali dalam jaringan tertentu karena ketidakmampuan sel untuk memodulasi pertumbuhan sendiri. Oleh karena itu, pensinyalan sel dan transduksi sinyal sangat penting untuk kesehatan organisme secara keseluruhan serta sel-sel yang terkena.

Pensinyalan sel dapat dibagi menjadi tiga fase dasar:

1. Penerimaan: Struktur khusus pada permukaan sel mendeteksi keberadaan molekul pemberi sinyal, atau ligan.
2. Transduksi: Pengikatan ligan ke reseptor memulai sinyal atau rangkaian sinyal yang mengalir di bagian dalam sel.
3. Tanggapan: Pesan yang ditandai oleh ligan dan protein serta elemen lain yang dipengaruhinya diinterpretasikan dan diproses, seperti melalui ekspresi gen atau regulasi.

Seperti organisme itu sendiri, jalur transduksi sinyal sel bisa sangat sederhana atau relatif kompleks, dengan beberapa skenario yang melibatkan hanya satu input atau sinyal, atau skenario lainnya yang memerlukan serangkaian langkah terkoordinasi dan berurutan.

Bakteri, misalnya, tidak memiliki kapasitas untuk mempertimbangkan sifat ancaman keamanan dalam lingkungan, tetapi dapat merasakan keberadaan glukosa, zat yang digunakan semua sel prokariotik untuk makanan.

Organisme yang lebih kompleks mengirim sinyal menggunakan faktor pertumbuhan, hormon, neurotransmiter dan komponen matriks antar sel. Zat-zat ini dapat bekerja pada sel-sel di dekatnya atau di kejauhan dengan melakukan perjalanan melalui darah dan saluran lainnya. Neurotransmitter seperti dopamin dan serotonin melintasi ruang kecil antara sel-sel saraf yang berdekatan (neuron) atau antara neuron dan sel otot atau kelenjar target.

Hormon sering bekerja pada jarak yang sangat jauh, dengan molekul hormon yang disekresikan di otak memberikan efek pada gonad, kelenjar adrenal, dan jaringan "jauh" lainnya.

Sama seperti enzim, katalis reaksi biokimia seluler, spesifik untuk molekul substrat tertentu, reseptor pada permukaan sel spesifik untuk molekul sinyal tertentu. Tingkat spesifisitas dapat bervariasi, dan beberapa molekul dapat dengan lemah mengaktifkan reseptor yang dapat diaktifkan oleh molekul lain dengan kuat.

Misalnya, obat penghilang rasa sakit opioid mengaktifkan reseptor tertentu dalam tubuh yang disebut zat alami endorfin juga memicu, tetapi obat ini biasanya memiliki efek yang jauh lebih kuat karena efek farmakologisnya jahitan.

Reseptor adalah protein, dan penerimaan terjadi di permukaan. Pikirkan reseptor sebagai bel pintu seluler. Ini seperti bel pintu. Bel pintu berada di luar rumah Anda dan mengaktifkannyalah yang menyebabkan orang-orang di rumah Anda membukakan pintu. Tetapi agar bel pintu berfungsi, seseorang harus menggunakan jarinya untuk menekan bel.

Ligan dianalogikan dengan jari. Setelah mengikat reseptor, yang seperti bel pintu, itu akan memulai proses internal bekerja/transduksi sinyal seperti bel pintu memicu orang-orang di dalam rumah untuk bergerak dan menjawab answer pintu.

Sementara pengikatan ligan (dan jari yang menekan bel pintu) sangat penting untuk proses ini, ini hanyalah permulaan. Pengikatan ligan ke reseptor sel hanyalah awal dari proses yang sinyalnya harus diubah dalam kekuatan, arah dan efek akhir untuk membantu sel dan organisme di mana ia tinggal.

Reseptor membran sel mencakup tiga jenis utama:

1. Reseptor berpasangan G-protein
2. Reseptor terkait-enzim
3. Reseptor saluran ion

Dalam semua kasus, aktivasi reseptor memulai kaskade kimia yang mengirimkan sinyal dari luar sel, atau pada membran di dalam sel, ke nukleus, yang merupakan "otak" de facto sel dan lokus -nya materi genetik (DNA, atau asam deoksiribonukleat).

Sinyal berjalan ke nukleus karena tujuannya adalah untuk mempengaruhi ekspresi gen dengan cara tertentu – penerjemahan kode yang terkandung dalam gen ke produk protein yang gen kode untuk.

Sebelum sinyal mendekati nukleus, sinyal tersebut ditafsirkan dan dimodifikasi di dekat tempat asalnya, di reseptor. Modifikasi ini mungkin melibatkan amplifikasi melalui utusan kedua, atau itu mungkin berarti sedikit berkurangnya kekuatan sinyal jika situasinya menuntutnya.

protein G adalah polipedtida dengan urutan asam amino yang unik. Dalam jalur transduksi sinyal sel di mana mereka berpartisipasi, mereka biasanya menghubungkan reseptor itu sendiri dengan enzim yang menjalankan instruksi yang berkaitan dengan reseptor.

Ini menggunakan utusan kedua, dalam hal ini siklik adenosin monofosfat (AMP siklik, atau cAMP) untuk memperkuat dan mengarahkan sinyal. Pembawa pesan kedua umum lainnya termasuk oksida nitrat (NO) dan ion kalsium (Ca2+).

Misalnya, reseptor untuk molekul epinefrin, yang lebih mudah Anda kenali sebagai molekul tipe stimulan adrenalin, menyebabkan perubahan fisik pada a G-protein yang berdekatan dengan kompleks ligan-reseptor di membran sel ketika epinefrin mengaktifkan reseptor.

Ini, pada gilirannya, menyebabkan protein-G memicu enzim adenilat siklase, yang mengarah pada produksi cAMP. cAMP kemudian "memerintahkan" peningkatan enzim yang memecah glikogen, bentuk penyimpanan karbohidrat sel, menjadi glukosa.

Pembawa pesan kedua sering mengirimkan sinyal yang berbeda tetapi konsisten ke gen yang berbeda dalam DNA sel. Ketika cAMP meminta degradasi glikogen, cAMP secara bersamaan menandakan kemunduran dalam produksi glikogen melalui enzim yang berbeda, sehingga mengurangi potensi siklus yang sia-sia (terjadinya proses yang berlawanan secara bersamaan, seperti mengalirkan air ke salah satu ujung kolam sambil mencoba mengalirkan yang lain akhir).

Kinase adalah enzim yang mengambil fosforilasi molekul. Mereka mencapai ini dengan memindahkan gugus fosfat dari ATP (adenosin trifosfat, molekul yang setara dengan AMP dengan dua fosfat yang ditambahkan ke satu AMP yang sudah dimiliki) ke molekul yang berbeda. Fosforilase serupa, tetapi enzim ini mengambil fosfat bebas daripada mengambilnya dari ATP.

Dalam fisiologi sinyal sel, RTK, tidak seperti protein G, adalah reseptor yang juga memiliki sifat enzimatik. Singkatnya, ujung reseptor molekul menghadap ke luar membran, sedangkan ujung ekor, yang terbuat dari asam amino tirosin, memiliki kemampuan untuk memfosforilasi molekul di dalam sel.

Hal ini menyebabkan kaskade reaksi yang mengarahkan DNA dalam inti sel untuk mengatur (meningkatkan) atau menurunkan (menurunkan) produksi produk atau produk protein. Mungkin rantai reaksi seperti itu yang paling banyak dipelajari adalah kaskade mitogen-activated protein (MAP) kinase.

Mutasi pada PTK diyakini bertanggung jawab atas asal-usul bentuk kanker tertentu. Juga, perlu dicatat bahwa fosforilasi dapat menonaktifkan serta mengaktifkan molekul target, tergantung pada konteks spesifik.

Saluran ini terdiri dari "pori berair" di membran sel dan terbuat dari protein yang tertanam dalam membran. Reseptor untuk neurotransmitter umum asetilkolin adalah contoh dari reseptor tersebut.

Alih-alih menghasilkan sinyal cascading per se di dalam sel, pengikatan asetilkolin pada reseptornya menyebabkan pori-pori di kompleks melebar, memungkinkan ion (partikel bermuatan) mengalir ke dalam sel dan mengerahkan efeknya ke hilir pada sintesis protein.

Sangat penting untuk mengenali bahwa tindakan yang terjadi sebagai bagian dari transduksi sinyal reseptor sel biasanya bukan fenomena "hidup/mati". Itu adalah fosforilasi atau defosforilasi molekul tidak menentukan kisaran kemungkinan respons, baik pada molekul itu sendiri atau dalam hal sinyal hilirnya.

Beberapa molekul, misalnya, dapat difosforilasi di lebih dari satu lokasi. Ini memberikan modulasi yang lebih ketat dari aksi molekul, dengan cara umum yang sama seperti penyedot debu atau blender dengan beberapa pengaturan dapat memungkinkan pembersihan atau pembuatan smoothie yang lebih terarah daripada "aktif/nonaktif" biner beralih.

Selain itu, setiap sel memiliki beberapa reseptor dari setiap jenis, respon masing-masing harus terintegrasi pada atau sebelum nukleus untuk menentukan besarnya respon secara keseluruhan. Umumnya, aktivasi reseptor sebanding dengan respons, artinya semakin banyak ligan yang berikatan dengan reseptor, semakin besar kemungkinan perubahan di dalam sel.

Inilah sebabnya mengapa ketika Anda mengambil obat dosis tinggi, biasanya memberikan efek yang lebih kuat daripada dosis yang lebih kecil. Lebih banyak reseptor yang teraktivasi, lebih banyak cAMP atau protein intraseluler terfosforilasi yang dihasilkan, dan lebih banyak lagi apa pun yang diperlukan dalam nukleus terjadi (dan sering terjadi lebih cepat dan juga lebih besar) tingkat).

Protein dibuat setelah DNA membuat salinan kode dari informasi yang sudah dikodekan dalam bentuk RNA pembawa pesan, yang bergerak di luar nukleus ke ribosom, di mana protein sebenarnya dibuat dari asam amino sesuai dengan instruksi yang diberikan oleh mRNA.

Proses pembuatan mRNA dari cetakan DNA disebut transkripsi. Protein disebut faktor transkripsi dapat diatur ke atas atau ke bawah sebagai akibat dari input berbagai sinyal transduksi independen atau simultan. Jumlah protein yang berbeda yang dikode oleh urutan gen (panjang DNA) disintesis sebagai hasilnya.