Signaaltransductie: definitie, functie, voorbeelden

Eencellige organismen, zoals bijna alle prokaryoten (bacteriën en archaea), zijn er in overvloed in de natuur. eukaryotisch organismen kunnen echter miljarden cellen bevatten.

Omdat het een organisme weinig goeds zou doen om zoveel kleine entiteiten te hebben die geïsoleerd van één zwoegen een ander, cellen moeten een manier hebben om met elkaar te communiceren - dat wil zeggen, zowel verzenden als ontvangen signalen. Bij gebrek aan radio, televisie en internet houden cellen zich bezig met signaaltransductie, met behulp van ouderwetse chemicaliën.

Net zoals het krabbelen van letters of woorden op een pagina niet helpt, tenzij deze tekens en entiteiten woorden vormen, zinnen en een coherente, ondubbelzinnige boodschap, chemische signalen hebben geen zin tenzij ze specifieke bevatten instructies.

Om deze reden zijn cellen uitgerust met allerlei slimme mechanismen voor het genereren en transductie (dat wil zeggen, overdracht via een fysiek medium) van biochemische berichten. Het uiteindelijke doel van celsignalering is het beïnvloeden van de aanmaak of wijziging van genproducten, of eiwitten die op de ribosomen van cellen worden gemaakt in overeenstemming met informatie die via RNA in het DNA is gecodeerd.

Als je een van de tientallen chauffeurs van een taxibedrijf was, zou je de vaardigheden nodig hebben om auto te rijden en door de straten van je stad of dorp te navigeren deskundig en vakkundig om uw passagiers op tijd op de juiste plek te ontmoeten en ze op hun bestemming te krijgen wanneer ze willen Daar. Dit zou op zichzelf echter niet voldoende zijn als het bedrijf met maximale efficiëntie hoopte te werken.

Chauffeurs in verschillende taxi's zouden met elkaar en met een centrale coördinator moeten communiceren om te bepalen wat passagiers moeten worden opgehaald door wie, wanneer bepaalde auto's vol waren of anderszins tijdelijk niet beschikbaar waren, vast kwamen te zitten in het verkeer enzovoorts.

Zonder de mogelijkheid om met iemand anders dan potentiële passagiers te communiceren via telefoon of online app, zou het chaotisch zijn.

In dezelfde geest kunnen biologische cellen niet werken in volledige onafhankelijkheid van de cellen om hen heen. Vaak moeten lokale clusters van cellen of hele weefsels een activiteit coördineren, zoals a spiercontractie of genezing na een wond. Cellen moeten dus met elkaar communiceren om hun activiteiten afgestemd te houden op de behoeften van het organisme als geheel. Zonder dit vermogen kunnen cellen de groei, beweging en andere functies niet goed beheren.

Tekorten op dit gebied kunnen ernstige gevolgen hebben, waaronder ziekten zoals kanker, in wezen ongecontroleerde celreplicatie in een bepaald weefsel als gevolg van een onvermogen van cellen om hun eigen groei. Celsignalering en transductie van signalen is daarom van vitaal belang voor de gezondheid van het organisme als geheel en van de aangetaste cellen.

Celsignalering kan worden onderverdeeld in drie basisfasen:

1. Ontvangst: Gespecialiseerde structuren op het celoppervlak detecteren de aanwezigheid van een signaalmolecuul, of ligand.
2. Transductie: De binding van het ligand aan de receptor initieert een signaal of een trapsgewijze reeks signalen aan de binnenkant van de cel.
3. Reactie: Het bericht dat wordt gesignaleerd door het ligand en de eiwitten en andere elementen die het beïnvloedt, wordt geïnterpreteerd en verwerkt, zoals via genexpressie of regelgeving.

Net als organismen zelf, kan een celsignaaltransductieroute buitengewoon eenvoudig of relatief complex zijn, met sommige scenario's met slechts één ingang of signaal, of andere met een hele reeks opeenvolgende, gecoördineerde stappen.

Een bacterie heeft bijvoorbeeld niet het vermogen om te beraadslagen over de aard van veiligheidsbedreigingen in zijn omgeving, maar het kan de aanwezigheid van glucose voelen, de stof waarvoor alle prokaryotische cellen worden gebruikt voedsel.

Complexere organismen sturen signalen met behulp van groeifactoren, hormonen, neurotransmitters en componenten van de matrix tussen cellen. Deze stoffen kunnen inwerken op nabijgelegen cellen of op afstand door door het bloed en andere kanalen te reizen. Neurotransmitters zoals dopamine en serotonine doorkruisen de kleine ruimtes tussen aangrenzende zenuwcellen (neuronen) of tussen neuronen en spiercellen of doelklieren.

Hormonen werken vaak op bijzonder lange afstanden, waarbij hormoonmoleculen die in de hersenen worden uitgescheiden, effecten uitoefenen op de geslachtsklieren, bijnieren en andere "verre" weefsels.

Net als enzymen, de katalysatoren van cellulaire biochemische reactie, zijn specifiek voor bepaalde substraatmoleculen, de receptoren op het oppervlak van cellen zijn specifiek voor een bepaald signaalmolecuul. Het niveau van specificiteit kan variëren en sommige moleculen kunnen receptoren zwak activeren die andere moleculen sterk kunnen activeren.

Opioïde pijnstillers activeren bijvoorbeeld bepaalde receptoren in het lichaam die natuurlijke stoffen worden genoemd endorfines triggeren ook, maar deze medicijnen hebben meestal een veel sterker effect vanwege hun farmacologische maatwerk.

Receptoren zijn eiwitten en de ontvangst vindt plaats op het oppervlak. Zie receptoren als cellulaire deurbellen. Het is als een deurbel. Deurbellen bevinden zich buiten uw huis en het activeren ervan zorgt ervoor dat mensen in uw huis de deur openen. Maar om de deurbel te laten werken, moet iemand zijn vinger gebruiken om op de bel te drukken.

Het ligand is analoog aan de vinger. Zodra het zich bindt aan de receptor, die lijkt op de deurbel, start het het proces van de interne werking/signaaltransductie net zoals de deurbel de mensen in huis triggert om te bewegen en de deur.

Hoewel de ligandbinding (en de vinger die op de deurbel drukt) essentieel is voor het proces, is dit slechts het begin. Een ligand die bindt aan een celreceptor is slechts het begin van een proces waarvan het signaal moet worden aangepast in kracht, richting en ultiem effect om behulpzaam te zijn voor de cel en het organisme waarin het zich bevindt woont.

Celmembraanreceptoren omvatten drie hoofdtypen:

1. G-eiwit-gekoppelde receptoren
2. Enzymgebonden receptoren
3. Ionenkanaalreceptoren

In alle gevallen brengt de activering van de receptor een chemische cascade op gang die een signaal uitzendt van buitenaf de cel, of op een membraan in de cel, naar de kern, die het de facto "brein" is van de cel en de plaats van haar genetisch materiaal (DNA of deoxyribonucleïnezuur).

De signalen gaan naar de kern omdat het hun doel is om op de een of andere manier de genexpressie te beïnvloeden - de vertaling van de codes in genen naar het eiwitproduct dat de genen coderen voor.

Voordat het signaal in de buurt van de kern komt, wordt het geïnterpreteerd en gewijzigd nabij de plaats van oorsprong, bij de receptor. Deze wijziging kan versterking inhouden door middel van: tweede boodschappers, of het kan een lichte afname van de signaalsterkte betekenen als de situatie daarom vraagt.

G-eiwitten zijn polypedtides met unieke aminozuursequenties. In de celsignaaltransductieroute waaraan ze deelnemen, koppelen ze gewoonlijk de receptor zelf aan een enzym dat de instructies uitvoert die relevant zijn voor de receptor.

Deze maken gebruik van een second messenger, in dit geval cyclisch adenosinemonofosfaat (cyclisch AMP of cAMP) om het signaal te versterken en te sturen. Andere veel voorkomende tweede boodschappers zijn stikstofmonoxide (NO) en calciumionen (Ca2+).

Bijvoorbeeld, de receptor voor het molecuul epinefrine, dat u gemakkelijker herkent als het stimulerende molecuul adrenaline, veroorzaakt fysieke veranderingen in a G-eiwit grenst aan het ligand-receptorcomplex in het celmembraan wanneer epinefrine de activeert receptor.

Dit zorgt er op zijn beurt voor dat een G-eiwit het enzym activeert adenylylcyclase, wat leidt tot cAMP-productie. cAMP "beveelt" vervolgens een toename van een enzym dat glycogeen, de opslagvorm van koolhydraten in de cel, afbreekt tot glucose.

Second messengers sturen vaak verschillende maar consistente signalen naar verschillende genen in het cel-DNA. Wanneer cAMP de afbraak van glycogeen vereist, signaleert het tegelijkertijd een terugdraaiing in de productie van glycogeen via een ander enzym, waardoor de het potentieel voor zinloze cycli (de gelijktijdige ontplooiing van tegengestelde processen, zoals water in het ene uiteinde van een zwembad laten lopen terwijl het andere uiteinde probeert af te tappen einde).

Kinasen zijn enzymen die fosforyleren moleculen. Ze bereiken dit door een fosfaatgroep van ATP (adenosinetrifosfaat, een molecuul equivalent aan AMP met twee fosfaten toegevoegd aan het ene dat AMP al heeft) naar een ander molecuul te verplaatsen. Fosforylasen zijn vergelijkbaar, maar deze enzymen nemen vrije fosfaten op in plaats van ze uit ATP te halen.

In de celsignaalfysiologie zijn RTK's, in tegenstelling tot G-eiwitten, receptoren die ook enzymatische eigenschappen bezitten. Kortom, het receptoruiteinde van het molecuul is gericht naar de buitenkant van het membraan, terwijl het staartuiteinde, gemaakt van het aminozuur tyrosine, het vermogen heeft om moleculen in de cel te fosforyleren.

Dit leidt tot een cascade van reacties die het DNA in de celkern aansturen om de productie van een eiwitproduct of -producten opwaarts te reguleren (verhogen) of neerwaarts te reguleren (verlagen). Misschien wel de best bestudeerde keten van reacties is de mitogen-activated protein (MAP) kinase cascade.

Aangenomen wordt dat mutaties in PTK's verantwoordelijk zijn voor het ontstaan ​​van bepaalde vormen van kanker. Ook moet worden opgemerkt dat fosforylering zowel doelwitmoleculen kan inactiveren als activeren, afhankelijk van de specifieke context.

Deze kanalen bestaan ​​uit een "waterige porie" in de celmembraan en zijn gemaakt van eiwitten die in het membraan zijn ingebed. De receptor voor de gemeenschappelijke neurotransmitter acetylcholine is een voorbeeld van zo'n receptor.

In plaats van een trapsgewijze signaal per se in de cel te genereren, zorgt de binding van acetylcholine aan de receptor ervoor dat de porie in het complex groter wordt, waardoor ionen (geladen deeltjes) om de cel in te stromen en hun effecten stroomafwaarts op de eiwitsynthese uit te oefenen.

Het is van vitaal belang om te erkennen dat de acties die plaatsvinden als onderdeel van de signaaltransductie van de celreceptor niet typisch "aan/uit"-verschijnselen zijn. Dat is de fosforylering of defosforylering van een molecuul bepaalt niet het bereik van mogelijke reacties, noch op het molecuul zelf, noch in termen van zijn stroomafwaartse signaal.

Sommige moleculen kunnen bijvoorbeeld op meer dan één locatie worden gefosforyleerd. Dit zorgt voor een strakkere modulatie van de werking van het molecuul, op dezelfde algemene manier als een stofzuiger of blender met meerdere instellingen kan gerichter schoonmaken of smoothies maken dan een binaire "aan/uit" schakelaar.

Bovendien heeft elke cel meerdere receptoren van elk type, waarvan de respons op of voor de kern moet worden geïntegreerd om de totale omvang van de respons te bepalen. In het algemeen is receptoractivering evenredig met de respons, wat betekent dat hoe meer liganden zich aan een receptor binden, hoe duidelijker de veranderingen in de cel waarschijnlijk zullen zijn.

Dit is de reden waarom wanneer u een hoge dosis van een medicijn neemt, dit meestal een sterker effect heeft dan een kleinere dosis. Er worden meer receptoren geactiveerd, er ontstaan ​​meer cAMP of gefosforyleerde intracellulaire eiwitten, en meer van more alles wat nodig is in de kern vindt plaats (en gebeurt vaak sneller en ook met een grotere) omvang).

Eiwitten worden gemaakt nadat DNA een gecodeerde kopie heeft gemaakt van de reeds gecodeerde informatie in de vorm van boodschapper-RNA, dat beweegt buiten de kern naar ribosomen, waar eiwitten daadwerkelijk worden gemaakt van aminozuren in overeenstemming met de meegeleverde instructies door mRNA.

Het proces van het maken van mRNA van een DNA-sjabloon heet transcriptie. Eiwitten genaamd transcriptiefactoren kan omhoog of omlaag worden gereguleerd als gevolg van de invoer van verschillende onafhankelijke of gelijktijdige transductiesignalen. Als resultaat wordt een andere hoeveelheid van het eiwit gesynthetiseerd waarvoor de gensequentie (lengte van het DNA) codeert.