Trasduzione del segnale: definizione, funzione, esempi

Organismi unicellulari, come quasi tutti procarioti (batteri e archaea), sono abbondanti in natura. eucariotico gli organismi, tuttavia, possono contenere miliardi di cellule.

Dal momento che farebbe ben poco a un organismo avere così tante minuscole entità che lavorano isolatamente l'una dall'altra un altro, le cellule devono avere un mezzo per comunicare tra loro, cioè sia l'invio che la ricezione segnali. In mancanza di radio, televisione e Internet, le cellule si impegnano in trasduzione del segnale, utilizzando prodotti chimici antiquati.

Proprio come scarabocchiare lettere o parole su una pagina non è utile a meno che questi caratteri ed entità non formino parole, frasi e un messaggio coerente e non ambiguo, i segnali chimici non servono a meno che non contengano specifiche Istruzioni.

Per questo motivo, le celle sono dotate di ogni sorta di meccanismi intelligenti per la generazione e trasduzione (cioè trasmissione attraverso un mezzo fisico) di messaggi biochimici. L'obiettivo finale della segnalazione cellulare è influenzare la creazione o la modifica di prodotti genici o proteine ​​prodotte sui ribosomi delle cellule in accordo con le informazioni codificate nel DNA tramite RNA.

Se fossi uno delle dozzine di conducenti di una compagnia di taxi, avresti bisogno delle competenze per guidare un'auto e percorrere le strade della tua città o paese in modo consapevole e abile per incontrare i tuoi passeggeri in tempo nel posto giusto e portarli a destinazione quando vogliono essere Là. Questo però da solo non basterebbe se l'azienda sperasse di operare alla massima efficienza.

I conducenti in taxi diversi dovrebbero comunicare tra loro e con un centralinista per determinare cosa i passeggeri dovrebbero essere prelevati da chi, quando alcune auto erano piene o comunque non disponibili per un periodo, bloccate nel traffico e così via.

In assenza della possibilità di comunicare con persone diverse dai potenziali passeggeri tramite telefono o app online, l'attività sarebbe caotica.

Nello stesso spirito, le cellule biologiche non possono operare in completa indipendenza dalle cellule che le circondano. Spesso, gruppi locali di cellule o interi tessuti devono coordinare un'attività, come contrazione muscolare o guarigione dopo una ferita. Quindi le cellule devono comunicare tra loro per mantenere le loro attività allineate con i bisogni dell'organismo nel suo insieme. In assenza di questa capacità, le cellule non possono gestire correttamente la crescita, il movimento e altre funzioni.

I deficit in questo settore possono portare a gravi conseguenze, comprese malattie come il cancro, che è replicazione cellulare essenzialmente incontrollata in un dato tessuto a causa dell'incapacità delle cellule di modulare la loro propria crescita. La segnalazione cellulare e la trasduzione dei segnali è quindi vitale per la salute dell'organismo nel suo insieme e delle cellule colpite.

La segnalazione cellulare può essere suddivisa in tre fasi fondamentali:

1. Ricezione: Strutture specializzate sulla superficie cellulare rilevano la presenza di una molecola segnale, o legante.
2. Trasduzione: Il legame del ligando al recettore avvia un segnale o una serie di segnali a cascata all'interno della cellula.
3. Risposta: Il messaggio segnalato dal ligando e dalle proteine ​​e dagli altri elementi che esso influenza viene interpretato e messo in elaborazione, ad esempio tramite espressione genica o regolamento.

Come gli organismi stessi, un percorso di trasduzione del segnale cellulare può essere squisitamente semplice o relativamente complesso, con alcuni scenari che coinvolgono un solo ingresso o segnale, altri che comportano tutta una serie di passaggi sequenziali e coordinati.

Un batterio, per esempio, non ha la capacità di deliberare sulla natura delle minacce alla sicurezza nella sua ambiente, ma può percepire la presenza di glucosio, la sostanza per cui tutte le cellule procariotiche usano cibo.

Organismi più complessi inviano segnali usando Fattori di crescita, ormoni, neurotrasmettitori e componenti della matrice tra le cellule. Queste sostanze possono agire sulle cellule vicine oa distanza viaggiando attraverso il sangue e altri canali. Neurotrasmettitori ad esempio dopamina e serotonina attraversare i piccoli spazi tra cellule nervose adiacenti (neuroni) o tra neuroni e cellule muscolari o ghiandole bersaglio.

Gli ormoni spesso agiscono a distanze particolarmente lunghe, con le molecole ormonali secrete nel cervello che esercitano effetti sulle gonadi, sulle ghiandole surrenali e su altri tessuti "lontani".

Proprio come enzimi, i catalizzatori della reazione biochimica cellulare, sono specifici per alcune molecole di substrato, i recettori sulla superficie delle cellule sono specifici per una particolare molecola segnale. Il livello di specificità può variare e alcune molecole possono attivare debolmente recettori che altre molecole possono attivare fortemente.

Ad esempio, i farmaci antidolorifici oppioidi attivano alcuni recettori nel corpo chiamati sostanze naturali natural anche le endorfine innescano, ma questi farmaci di solito hanno un effetto molto più forte a causa del loro effetto farmacologico sartoria.

I recettori sono proteine ​​e la ricezione avviene in superficie. Pensa ai recettori come campanelli cellulari.it come un campanello. I campanelli sono fuori casa e attivarli è ciò che fa sì che le persone in casa rispondano alla porta. Ma affinché il campanello funzioni, qualcuno deve usare il dito per premere il campanello.

Il ligando è analogo al dito. Una volta che si lega al recettore, che è come il campanello, inizierà il processo dell'interno funzionamento/trasduzione del segnale proprio come il campanello fa scattare chi è all'interno della casa a muoversi e rispondere al porta.

Mentre il legame del ligando (e il dito che preme il campanello) è essenziale per il processo, è solo l'inizio. Un ligando che si lega a un recettore cellulare è solo l'inizio di un processo il cui segnale deve essere modificato in forza, direzione ed effetto ultimo per essere d'aiuto alla cellula e all'organismo in cui si trova risiede.

I recettori della membrana cellulare comprendono tre tipi principali:

1. Recettori accoppiati a proteine ​​G
2. Recettori legati agli enzimi
3. Recettori dei canali ionici

In tutti i casi, l'attivazione del recettore avvia una cascata chimica che invia un segnale dall'esterno di la cellula, o su una membrana all'interno della cellula, al nucleo, che è di fatto il "cervello" della cellula e il luogo di suo materiale genetico (DNA, o acido desossiribonucleico).

I segnali viaggiano al nucleo perché il loro obiettivo è quello di influenzare in qualche modo l'espressione genica – la traduzione dei codici contenuti nei geni nel prodotto proteico che il geni codice per.

Prima che il segnale si avvicini al nucleo, viene interpretato e modificato vicino al sito della sua origine, al recettore. Questa modifica può comportare l'amplificazione attraverso secondi messaggeri, oppure può significare una leggera diminuzione della potenza del segnale se la situazione lo richiede.

Le proteine ​​G sono polypedtides con sequenze di amminoacidi uniche. Nella via di trasduzione del segnale cellulare a cui partecipano, di solito legano il recettore stesso a un enzima che esegue le istruzioni relative al recettore.

Questi fanno uso di un secondo messaggero, in questo caso adenosina monofosfato ciclico (AMP ciclico, o cAMP) per amplificare e dirigere il segnale. Altri secondi messaggeri comuni includono l'ossido nitrico (NO) e lo ione calcio (Ca2+).

Ad esempio, il recettore per la molecola epinefrina, che riconosci più facilmente come la molecola di tipo stimolante adrenalina, provoca cambiamenti fisici in a Proteina G adiacente al complesso ligando-recettore nella membrana cellulare quando l'adrenalina attiva il recettore.

Questo, a sua volta, fa sì che una proteina G inneschi l'enzima adenilato ciclasi, che porta alla produzione di cAMP. Il cAMP quindi "ordina" un aumento di un enzima che scompone il glicogeno, la forma di accumulo di carboidrati della cellula, in glucosio.

I secondi messaggeri spesso inviano segnali distinti ma coerenti a diversi geni nel DNA cellulare. Quando il cAMP richiede la degradazione del glicogeno, segnala contemporaneamente un rollback nella produzione di glicogeno tramite un enzima diverso, riducendo così il potenziale per cicli inutili (lo svolgimento simultaneo di processi opposti, come l'acqua che scorre in un'estremità di una piscina mentre si cerca di drenare l'altra fine).

chinasi sono enzimi che prendono fosforilato molecole. Lo fanno spostando un gruppo fosfato dall'ATP (adenosina trifosfato, una molecola equivalente all'AMP con due fosfati aggiunti a quello che l'AMP già possiede) a una molecola diversa. fosforilasi sono simili, ma questi enzimi raccolgono fosfati liberi invece di prenderli dall'ATP.

Nella fisiologia del segnale cellulare, gli RTK, a differenza delle proteine ​​G, sono recettori che possiedono anche proprietà enzimatiche. In breve, l'estremità del recettore della molecola è rivolta verso l'esterno della membrana, mentre l'estremità della coda, costituita dall'amminoacido tirosina, ha la capacità di fosforilare le molecole all'interno della cellula.

Ciò porta a una cascata di reazioni che dirigono il DNA nel nucleo cellulare a sovraregolare (aumentare) o sottoregolare (ridurre) la produzione di uno o più prodotti proteici. Forse la catena di reazioni di questo tipo meglio studiata è la cascata della chinasi della proteina attivata da mitogeni (MAP).

Si ritiene che le mutazioni nelle PTK siano responsabili della genesi di alcune forme di cancro. Inoltre, va notato che la fosforilazione può inattivare così come attivare le molecole bersaglio, a seconda del contesto specifico.

Questi canali sono costituiti da un "poro acquoso" nel membrana cellulare e sono costituiti da proteine ​​incorporate nella membrana. Il recettore per il neurotrasmettitore comune acetilcolina è un esempio di tale recettore.

Piuttosto che generare un segnale a cascata di per sé all'interno della cellula, il legame dell'acetilcolina al suo recettore fa sì che il poro nel complesso si allarghi, consentendo ioni (particelle cariche) per fluire nella cellula ed esercitare i loro effetti a valle sulla sintesi proteica.

È fondamentale riconoscere che le azioni che si verificano come parte della trasduzione del segnale del recettore cellulare non sono tipicamente fenomeni "on/off". Questo è il fosforilazione o la defosforilazione di una molecola non determina la gamma delle possibili risposte, né alla molecola stessa né in termini del suo segnale a valle.

Alcune molecole, ad esempio, possono essere fosforilate in più di una posizione. Ciò fornisce una modulazione più stretta dell'azione della molecola, nello stesso modo generale che un aspirapolvere o frullatore con più impostazioni può consentire una pulizia più mirata o la preparazione di frullati rispetto a un "on/off" binario interruttore.

Inoltre, ogni cellula ha più recettori di ogni tipo, la risposta di ciascuno dei quali deve essere integrata in corrispondenza o prima del nucleo per determinare l'entità complessiva della risposta. Generalmente, l'attivazione del recettore è proporzionale alla risposta, il che significa che più ligando si lega a un recettore, più è probabile che le alterazioni all'interno della cellula siano marcate.

Questo è il motivo per cui quando prendi una dose elevata di un farmaco, di solito esercita un effetto più forte di una dose più piccola. Più recettori vengono attivati, risultano più cAMP o proteine ​​intracellulari fosforilate e più tutto ciò che è richiesto nel nucleo avviene (e spesso avviene più velocemente oltre che ad un maggiore estensione).

Le proteine ​​vengono prodotte dopo che il DNA fa una copia codificata delle sue informazioni già codificate sotto forma di RNA messaggero, che si muove al di fuori del nucleo ai ribosomi, dove le proteine ​​sono effettivamente costituite da amminoacidi secondo le istruzioni fornite di mRNA.

Il processo di creazione dell'mRNA da uno stampo di DNA è chiamato trascrizione. proteine ​​chiamate fattori di trascrizione può essere up-regolato o down-regolato a seguito dell'ingresso di vari segnali di trasduzione indipendenti o simultanei. Come risultato viene sintetizzata una quantità diversa della proteina codificata dalla sequenza genica (lunghezza del DNA).