Signāla pārraide: definīcija, funkcija, piemēri

Vienšūnas organismi, tāpat kā gandrīz visi prokarioti (baktērijas un arhejas), dabā ir daudz. Eikariots organismi tomēr var saturēt miljardiem šūnu.

Tā kā organismam būtu maz laba, ja tik daudz sīku vienību strādātu izolēti no viena otram, šūnām jābūt saziņas līdzekļiem savstarpēji - tas ir, gan nosūtīšanai, gan saņemšanai signālus. Trūkst radio, televīzijas un interneta, šūnas iesaistās signāla pārraide, izmantojot vecmodīgas ķīmiskas vielas.

Tāpat kā burtu vai vārdu ieskrāpēšana lapā nav noderīga, ja vien šīs rakstzīmes un entītijas neveido vārdus, teikumi un sakarīgs, nepārprotams ziņojums, ķīmiskie signāli nav noderīgi, ja vien tie nesatur specifiskus instrukcijas.

Šī iemesla dēļ šūnas ir aprīkotas ar visu veidu gudriem mehānismiem, lai radītu un transdukcija bioķīmisko ziņojumu (tas ir, pārsūtīšana caur fizisku nesēju). Šūnu signalizācijas galīgais mērķis ir ietekmēt gēnu produktu vai olbaltumvielu, kas izgatavoti uz šūnu ribosomām, izveidi vai modifikāciju saskaņā ar informāciju, kas kodēta DNS, izmantojot RNS.

Ja jūs būtu viens no desmitiem taksometru uzņēmuma vadītāju, jums būtu nepieciešamas iemaņas, lai vadītu automašīnu un pārvietotos savas pilsētas ielās. zinoši un prasmīgi, lai savlaicīgi satiktu savus pasažierus īstajā vietā un nogādātu viņus galamērķos, kad viņi vēlas būt tur. Tomēr ar to vien nepietiks, ja uzņēmums cerēs darboties ar maksimālu efektivitāti.

Autovadītājiem dažādās kabīnēs būtu jāsazinās savā starpā un ar centrālo dispečeru, lai noteiktu, kas Pasažieri būtu jāuzņem, kam, kad noteiktas automašīnas bija pilnas vai citādi nepieejamas burvestībai, vajadzētu iestrēgt satiksmē un tā tālāk.

Ja nebūtu iespējas sazināties ar citiem, izņemot potenciālos pasažierus, izmantojot tālruni vai tiešsaistes lietotni, bizness būtu haotisks.

Tajā pašā garā bioloģiskās šūnas nevar darboties pilnīgi neatkarīgi no apkārt esošajām šūnām. Bieži vietējām šūnu vai visu audu kopām ir jākoordinē kāda darbība, piemēram, a muskuļu kontrakcija vai sadzīšana pēc brūces. Tādējādi šūnām ir jāsazinās savā starpā, lai viņu aktivitātes būtu saskaņotas ar visa organisma vajadzībām. Ja šīs spējas nav, šūnas nevar pareizi vadīt augšanu, kustību un citas funkcijas.

Deficīti šajā jomā var izraisīt smagas sekas, tostarp tādas slimības kā vēzis, kas ir būtībā nekontrolēta šūnu replikācija noteiktā audā, jo šūnas nespēj modulēt to pašu izaugsme. Šūnu signālu pārraide un signālu pārnešana ir ļoti svarīga visa organisma veselībai, kā arī skarto šūnu veselībai.

Šūnu signālu var iedalīt trīs pamatfāzēs:

1. Reģistratūra: Specializētas struktūras uz šūnu virsmas nosaka signālmolekulas klātbūtni vai ligands.
2. Transdukcija: Liganda saistīšana ar receptoru sāk signālu vai kaskādes signālu sēriju uz šūnas iekšpusi.
3. Atbilde: Liganda un tā ietekmēto olbaltumvielu un citu elementu signāls tiek interpretēts un ieviests procesā, piemēram, caur gēnu ekspresija vai regulējums.

Tāpat kā paši organismi, arī šūnu signāla pārvades ceļš var būt pilnīgi vienkāršs vai salīdzinoši sarežģīts daži scenāriji ietver tikai vienu ieeju vai signālu, vai citi, kas ietver virkni secīgu, saskaņotu darbību.

Piemēram, baktērijai trūkst spēju pārdomāt drošības apdraudējumu būtību vidi, bet tā var sajust glikozes klātbūtni - vielu, ko lieto visas prokariotu šūnas ēdiens.

Sarežģītāki organismi sūta signālus, izmantojot izaugsmes faktori, hormoni, neirotransmiteri un matricas komponenti starp šūnām. Šīs vielas var iedarboties uz blakus esošajām šūnām vai no attāluma, pārvietojoties pa asinīm un citiem kanāliem. Neirotransmiteri piemēram, dopamīns un serotonīns šķērsot mazās atstarpes starp blakus esošajām nervu šūnām (neironiem) vai starp tām neironi un muskuļu šūnas vai mērķa dziedzeri.

Hormoni bieži darbojas īpaši lielos attālumos, smadzenēs izdalītajām hormonu molekulām iedarbojoties uz dzimumdziedzeri, virsnieru dziedzeriem un citiem "tālajiem" audiem.

Gluži kā fermenti, šūnu bioķīmiskās reakcijas katalizatori ir specifiski noteiktām substrāta molekulām, receptori uz šūnu virsmām ir specifiski noteiktai signāla molekulai. Specifiskuma līmenis var atšķirties, un dažas molekulas var vāji aktivizēt receptorus, kurus citas molekulas var spēcīgi aktivizēt.

Piemēram, opioīdu pretsāpju līdzekļi aktivizē noteiktus receptorus organismā, ko sauc par dabīgām vielām iedarbojas arī endorfīni, taču šīm zālēm to farmakoloģiskās iedarbības dēļ parasti ir daudz spēcīgāka iedarbība šūšana.

Receptori ir olbaltumvielas, un uztveršana notiek uz virsmas. Iedomājieties receptorus kā šūnu durvju zvani. Tas ir tāpat kā durvju zvans. Durvju zvani atrodas ārpus jūsu mājas, un to aktivizēšana liek cilvēkiem jūsu mājā atbildēt uz durvīm. Bet, lai durvju zvans darbotos, kādam ar pirkstu jāpiespiež zvans.

Ligands ir analogs pirkstam. Kad tas saistās ar receptoru, kas ir līdzīgs durvju zvanam, tas sāks iekšējā procesu darbība / signāla pārraide tāpat kā durvju zvans liek mājā esošajiem pārvietoties un atbildēt durvis.

Kaut arī liganda saistīšana (un pirksts, kas nospiež durvju zvanu) ir būtiska procesa sastāvdaļa, tas ir tikai sākums. Liganda saistīšanās ar šūnu receptoru ir tikai procesa sākums, kura signāls ir jāmaina spēks, virziens un galīgais efekts, lai būtu noderīgi šūnai un organismam, kurā tā atrodas dzīvo.

Šūnu membrānas receptori ietver trīs galvenos veidus:

1. G-olbaltumvielu savienoti receptori
2. Ar fermentiem saistīti receptori
3. Jonu kanālu receptori

Visos gadījumos, aktivējot receptoru, tiek sākta ķīmiska kaskāde, kas izplata signālu no ārpuses šūna vai uz membrānas šūnā līdz kodolam, kas ir faktiskās šūnas "smadzenes" un lokuss tā ģenētiskais materiāls (DNS vai dezoksiribonukleīnskābe).

Signāli nonāk kodolā, jo to mērķis ir kaut kādā veidā ietekmēt gēnu ekspresiju - gēnos esošo kodu tulkošanu olbaltumvielu produktā, ko gēni kods.

Pirms signāls nokļūst kodola tuvumā, tas tiek interpretēts un modificēts tā rašanās vietas tuvumā pie receptora. Šī modifikācija var ietvert pastiprināšanu caur otrie kurjeri, vai tas var nozīmēt nelielu signāla stipruma samazināšanos, ja situācija to prasa.

G olbaltumvielas ir polipīdi ar unikālām aminoskābju secībām. Šūnu signāla transdukcijas ceļā, kurā viņi piedalās, viņi parasti saista pašu receptoru ar fermentu, kas izpilda receptoram atbilstošās instrukcijas.

Šajā gadījumā viņi izmanto otro kurjeru cikliskais adenozīna monofosfāts (ciklisks AMP vai cAMP) signāla pastiprināšanai un virzīšanai. Citi izplatītie sekundārie kurjeri ietver slāpekļa oksīdu (NO) un kalcija jonu (Ca2 +).

Piemēram, molekulas receptors epinefrīns, kuru jūs vieglāk atpazīstat kā stimulanta tipa molekulu adrenalīnu, izraisa fiziskas izmaiņas a G-proteīns blakus liganda-receptora kompleksam šūnu membrānā, kad epinefrīns aktivizē receptoru.

Tas savukārt izraisa G-proteīna iedarbību uz fermentu adenililciklāze, kas noved pie nometnes ražošanas. Pēc tam cAMP "pasūta" palielināt fermentu, kas glikogēnu, šūnas ogļhidrātu uzglabāšanas formu, sadala līdz glikozei.

Otrie kurjeri bieži sūta atšķirīgus, bet konsekventus signālus dažādiem šūnu DNS gēniem. Kad cAMP prasa glikogēna noārdīšanos, tas vienlaikus norāda uz glikogēna ražošanas palēnināšanos, izmantojot citu fermentu, tādējādi samazinot bezjēdzīgu ciklu potenciāls (vienlaikus notiek pretēju procesu rašanās, piemēram, tekošs ūdens baseina vienā galā, mēģinot novadīt otru beigas).

Kināzes ir fermenti, kas lieto fosforilāts molekulas. Viņi to paveic, pārvietojot fosfātu grupu no ATP (adenozīna trifosfāts, molekula, kas ekvivalenta AMP ar diviem fosfātiem, kas pievienoti vienai AMP jau ir) uz citu molekulu. Fosforilāzes ir līdzīgi, taču šie fermenti uzņem brīvos fosfātus, nevis sagrābj tos no ATP.

Šūnu signālu fizioloģijā RTK, atšķirībā no G-olbaltumvielām, ir receptori, kuriem piemīt arī fermentatīvas īpašības. Īsāk sakot, molekulas receptora gals ir vērsts pret membrānas ārpusi, savukārt astes gals, kas izgatavots no aminoskābes tirozīna, spēj fosforilēt molekulas šūnā.

Tas noved pie tādu reakciju kaskādes, kas šūnas kodolā esošo DNS virza uz augšu regulēt (palielināt) vai uz leju (samazināt) olbaltumvielu produkta vai produktu ražošanu. Varbūt vislabāk pētītā šāda reakciju ķēde ir mitogēna aktivētās olbaltumvielas (MAP) kināzes kaskāde.

Tiek uzskatīts, ka PTK mutācijas ir atbildīgas par noteiktu vēža formu ģenēzi. Jāatzīmē arī tas, ka fosforilēšana var inaktivēt, kā arī aktivizēt mērķa molekulas, atkarībā no konkrētā konteksta.

Šie kanāli sastāv no "ūdens porām" šūnu membrānu un ir izgatavoti no membrānā iestrādātiem proteīniem. Parastā neirotransmitera receptors acetilholīns ir šāda receptora piemērs.

Tā vietā, lai šūnā ģenerētu kaskādes signālu, acetilholīna saistīšanās ar tā receptoru izraisa kompleksa poru paplašināšanos, ļaujot joni (uzlādētas daļiņas) ieplūst šūnā un ietekmē olbaltumvielu sintēzi lejtecē.

Ir svarīgi atzīt, ka darbības, kas notiek kā šūnu-receptoru signāla transdukcijas daļa, parasti nav "ieslēgtas / izslēgtas" parādības. Tas ir, fosforilēšana vai molekulas defosforilēšana nenosaka iespējamo reakciju diapazonu ne pie pašas molekulas, ne tās pakārtotā signāla izteiksmē.

Dažas molekulas, piemēram, var fosforilēt vairāk nekā vienā vietā. Tas nodrošina stingrāku molekulas darbības modulāciju tādā pašā vispārīgā veidā kā putekļu sūcējs vai blenderis ar vairākiem iestatījumiem var ļaut mērķtiecīgāk tīrīt vai pagatavot kokteiļus nekā binārs "ieslēgts / izslēgts" slēdzis.

Turklāt katrai šūnai ir vairāki katra veida receptori, kuru katra reakcijai jābūt integrētai kodolā vai pirms tā, lai noteiktu kopējo reakcijas lielumu. Parasti receptoru aktivācija ir proporcionāla reakcijai, kas nozīmē, ka jo vairāk liganda saistās ar receptoru, jo izteiktākas izmaiņas šūnā, visticamāk, būs.

Tāpēc, lietojot lielu zāļu devu, tas parasti iedarbojas spēcīgāk nekā mazāka deva. Aktivizējas vairāk receptoru, rodas vairāk cAMP vai fosforilētu intracelulāro olbaltumvielu un vēl vairāk viss, kas nepieciešams kodolā, notiek (un tas bieži notiek ātrāk, kā arī lielākam) apjomā).

Olbaltumvielas tiek izgatavotas pēc tam, kad DNS veido kodētu kopiju jau kodētajai informācijai kurjera RNS formā, kas pārvietojas ārpus kodola uz ribosomām, kur olbaltumvielas faktiski tiek izgatavotas no aminoskābēm saskaņā ar pievienotajām instrukcijām pēc mRNS.

Tiek saukts mRNS izgatavošanas process no DNS veidnes transkripcija. Proteīni sauca transkripcijas faktori dažādu neatkarīgu vai vienlaicīgu pārraides signālu ievadīšanas rezultātā var tikt regulēts augšup vai lejup. Rezultātā tiek sintezēts atšķirīgs olbaltumvielu daudzums, ko kodē gēnu secība (DNS garums).