Signaloverføring: Definisjon, funksjon, eksempler

Encellede organismer, som nesten alle prokaryoter (bakterier og archaea), er rikelig i naturen. Eukaryotisk organismer kan imidlertid inneholde milliarder celler.

Siden det ville gjøre en organisme lite bra å ha så mange små enheter som sliter seg isolert fra en en annen, celler må ha et middel for å kommunisere med hverandre - det vil si både sending og mottakelse signaler. Mangler radio, TV og Internett, celler engasjerer seg i signaltransduksjon, ved bruk av gammeldagse kjemikalier.

Akkurat som skrapende bokstaver eller ord på en side ikke er nyttig med mindre disse tegnene og enhetene danner ord, setninger og en sammenhengende, entydig melding, er kjemiske signaler ikke til nytte med mindre de inneholder spesifikke bruksanvisning.

Av denne grunn er celler utstyrt med alle slags smarte mekanismer for generering og transduksjon (det vil si overføring gjennom et fysisk medium) av biokjemiske meldinger. Det endelige målet med cellesignalering er å påvirke dannelsen eller modifiseringen av genprodukter, eller proteiner laget på ribosomene i celler i samsvar med informasjon kodet i DNA via RNA.

Hvis du var en av dusinvis av drivere for et taxibilselskap, trenger du ferdighetene til å kjøre bil og navigere i gatene i byen din. kunnskapsrik og dyktig for å møte passasjerene dine i tide på rett sted og få dem til destinasjonene når de vil være der. Dette ville imidlertid ikke være nok alene hvis selskapet håpet å operere med maksimal effektivitet.

Førere i forskjellige drosjer måtte kommunisere med hverandre og med en sentral utsender for å finne ut hva passasjerer bør bli plukket opp av hvem, når bestemte biler var fulle eller på annen måte utilgjengelige for stave, satt fast i trafikken og så videre.

Fravær av muligheten til å kommunisere med andre enn potensielle passasjerer via telefon eller online-app, ville virksomheten være kaotisk.

I samme ånd kan biologiske celler ikke operere i fullstendig uavhengighet av cellene rundt dem. Ofte trenger lokale klynger av celler eller hele vev å koordinere en aktivitet, for eksempel en muskelsammentrekning eller helbredelse etter et sår. Dermed må celler kommunisere med hverandre for å holde aktivitetene i samsvar med organismenes behov. Fraværende denne evnen, kan celler ikke ordne ordentlig vekst, bevegelse og andre funksjoner.

Underskudd i dette området kan føre til alvorlige konsekvenser, inkludert sykdommer som kreft, som er i det vesentlige ukontrollert cellereplikasjon i et gitt vev på grunn av manglende evne til celler å modulere deres egen vekst. Cellesignalering og transduksjon av signaler er derfor viktig for helsen til organismen som helhet så vel som for de berørte cellene.

Cellesignalering kan deles inn i tre grunnleggende faser:

1. Resepsjon: Spesialiserte strukturer på celleoverflaten oppdager tilstedeværelsen av et signalmolekyl, eller ligand.
2. Transduksjon: Bindingen av liganden til reseptoren initierer et signal eller en kaskadeserie av signaler på det indre av cellen.
3. Respons: Meldingen signalisert av liganden og proteinene og andre elementer den påvirker tolkes og settes i prosess, for eksempel via genuttrykk eller regulering.

Som organismene selv, kan en transmisjonsvei for celler være utsøkt enkel eller relativt kompleks, med noen scenarier som bare involverer en inngang eller et signal, eller andre som innebærer en hel serie sekvensielle, koordinerte trinn.

En bakterie mangler for eksempel kapasiteten til å diskutere hva slags sikkerhetstrusler er miljøet, men det kan føle tilstedeværelsen av glukose, stoffet alle prokaryote celler bruker til mat.

Mer komplekse organismer sender signaler ved hjelp av vekstfaktorer, hormoner, nevrotransmittere og komponenter i matrisen mellom celler. Disse stoffene kan virke på nærliggende celler eller på avstand ved å bevege seg gjennom blodet og andre kanaler. Nevrotransmittere som for eksempel dopamin og serotonin krysse de små mellomrommene mellom tilstøtende nerveceller (nevroner) eller mellom nevroner og muskelceller eller målkjertler.

Hormoner virker ofte på spesielt lange avstander, med hormonmolekyler utskilt i hjernen som utøver effekter på kjønnsorganene, binyrene og andre "fjerne" vev.

Akkurat som enzymer, katalysatorene for cellulær biokjemisk reaksjon, er spesifikke for visse substratmolekyler, reseptorene på overflaten av celler er spesifikke for et bestemt signalmolekyl. Spesifisitetsnivået kan variere, og noen molekyler kan svakt aktivere reseptorer som andre molekyler kan aktivere sterkt.

For eksempel aktiverer opioide smertestillende medisiner visse reseptorer i kroppen som naturlige stoffer kaller endorfiner utløser også, men disse legemidlene har vanligvis en langt sterkere effekt på grunn av deres farmakologiske sying.

Reseptorer er proteiner, og mottak foregår på overflaten. Tenk på reseptorer som cellulære dørklokker. Det er som en dørklokke. Dørklokker er utenfor huset ditt, og å aktivere det er det som får folk i huset til å svare på døren. Men for at den skal fungere, må noen bruke fingeren til å trykke på bjellen.

Liganden er analog med fingeren. Når den binder seg til reseptoren, som er som dørklokken, vil den starte prosessen med det indre arbeid / signaltransduksjon akkurat som dørklokken utløser de som er inne i huset til å bevege seg og svare på dør.

Mens ligandbindingen (og fingeren som trykker på dørklokken) er viktig for prosessen, er det bare starten. En ligandbinding til en cellereseptor er bare starten på en prosess hvis signal må modifiseres i styrke, retning og endelig effekt for å være nyttig for cellen og organismen den er i bor.

Cellemembranreseptorer inkluderer tre hovedtyper:

1. G-proteinkoblede reseptorer
2. Enzymkoblede reseptorer
3. Ionekanalreseptorer

I alle tilfeller starter aktivering av reseptoren en kjemisk kaskade som sender et signal fra utsiden av cellen, eller på en membran i cellen, til kjernen, som er de facto "hjernen" til cellen og stedet for det er genetisk materiale (DNA, eller deoksyribonukleinsyre).

Signalene beveger seg til kjernen fordi deres mål er å på noen måte påvirke genuttrykk - oversettelsen av kodene i gener til proteinproduktet som gener kode for.

Før signalet kommer noe nær kjernen tolkes og modifiseres det nær opprinnelsesstedet, ved reseptoren. Denne modifikasjonen kan innebære forsterkning gjennom andre budbringere, eller det kan bety en liten avtagning av signalstyrken hvis situasjonen krever det.

G-proteiner er polypedtider med unike aminosyresekvenser. I cellesignaltransduksjonsveien de deltar i, knytter de vanligvis selve reseptoren til et enzym som utfører instruksjonene som er relevante for reseptoren.

Disse benytter seg av en ny messenger, i dette tilfellet syklisk adenosinmonofosfat (syklisk AMP eller cAMP) for å forsterke og dirigere signalet. Andre vanlige andre budbringere inkluderer nitrogenoksid (NO) og kalsiumion (Ca2 +).

For eksempel reseptoren for molekylet adrenalin, som du lettere gjenkjenner som det stimulerende molekylet adrenalin, forårsaker fysiske endringer i a G-protein ved siden av ligand-reseptorkomplekset i cellemembranen når adrenalin aktiverer reseptor.

Dette fører igjen til at et G-protein utløser enzymet adenylyl syklase, som fører til cAMP-produksjon. cAMP "ordrer" deretter en økning i et enzym som bryter ned glykogen, cellens lagringsform av karbohydrat, til glukose.

Andre budbringere sender ofte tydelige, men konsistente signaler til forskjellige gener i celle-DNA. Når cAMP krever nedbrytning av glykogen, signaliserer det samtidig en tilbakefall i produksjonen av glykogen via et annet enzym, og reduserer dermed potensialet for meningsløse sykluser (samtidig utfoldelse av motsatte prosesser, for eksempel rennende vann i den ene enden av et basseng mens du prøver å tømme den andre slutt).

Kinases er enzymer som tar fosforylat molekyler. De oppnår dette ved å flytte en fosfatgruppe fra ATP (adenosintrifosfat, et molekyl som tilsvarer AMP med to fosfater vedlagt den som AMP allerede har) til et annet molekyl. Fosforylaser er like, men disse enzymene henter gratis fosfater i stedet for å ta dem fra ATP.

I cellesignalfysiologi er RTK, i motsetning til G-proteiner, reseptorer som også har enzymatiske egenskaper. Kort sagt, reseptorenden av molekylet vender mot utsiden av membranen, mens halenenden, laget av aminosyren tyrosin, har evnen til å fosforylere molekyler inne i cellen.

Dette fører til en kaskade av reaksjoner som leder DNA i cellekjernen til å oppregulere (øke) eller nedregulere (redusere) produksjonen av et proteinprodukt eller produkter. Kanskje den best studerte slike kjeden av reaksjoner er mitogen-aktivert protein (MAP) kinasekaskade.

Mutasjoner i PTK antas å være ansvarlige for dannelsen av visse former for kreft. Det bør også bemerkes at fosforylering kan inaktivere så vel som aktivere målmolekyler, avhengig av den spesifikke konteksten.

Disse kanalene består av en "vandig pore" i cellemembran og er laget av proteiner innebygd i membranen. Reseptoren for den vanlige nevrotransmitteren acetylkolin er et eksempel på en slik reseptor.

I stedet for å generere et kaskadesignal i seg selv i cellen, forårsaker acetylkolinbinding til reseptoren at porene i komplekset utvides, slik at ioner (ladede partikler) for å strømme inn i cellen og utøve deres virkning nedstrøms på proteinsyntese.

Det er viktig å erkjenne at handlingene som skjer som en del av celle-reseptorsignaltransduksjon ikke vanligvis er "på / av" fenomener. Det er det fosforylering eller defosforylering av et molekyl bestemmer ikke rekkevidden av mulige responser, verken ved molekylet i seg selv eller i form av dets nedstrøms signal.

Noen molekyler kan for eksempel fosforyleres på mer enn ett sted. Dette gir strammere modulering av molekylets virkning, på samme generelle måte som en støvsuger eller blender med flere innstillinger kan tillate mer målrettet rengjøring eller smoothie-making enn en binær "på / av" bytte om.

I tillegg har hver celle flere reseptorer av hver type, hvor responsen til hver av dem må integreres ved eller før kjernen for å bestemme den totale størrelsen på responsen. Generelt er reseptoraktivering proporsjonal med responsen, noe som betyr at jo mer ligand som binder seg til en reseptor, jo mer markerte er det sannsynlig at endringene i cellen blir.

Dette er grunnen til at når du tar en høy dose av medisiner, har den vanligvis en sterkere effekt enn en mindre dose. Flere reseptorer aktiveres, mer cAMP eller fosforylerte intracellulære proteiner resulterer, og mer av det som kreves i kjernen finner sted (og skjer ofte raskere så vel som til en større utstrekning).

Proteiner blir laget etter at DNA lager en kodet kopi av den allerede kodede informasjonen i form av messenger RNA, som beveger seg utenfor kjernen til ribosomer, der proteiner faktisk er laget av aminosyrer i samsvar med instruksjonene som er gitt av mRNA.

Prosessen med å lage mRNA fra en DNA-mal kalles transkripsjon. Proteiner kalt transkripsjonsfaktorer kan være oppregulert eller nedregulert som et resultat av inngangen til forskjellige uavhengige eller samtidige transduksjonssignaler. En annen mengde protein som gensekvensen (lengden på DNA) koder for blir syntetisert som et resultat.