Przekazywanie sygnału: definicja, funkcja, przykłady

Organizmy jednokomórkowe, jak prawie wszystkie prokariota (bakterie i archeony), występują obficie w przyrodzie. Eukariotyczny jednak organizmy mogą zawierać miliardy komórek.

Ponieważ niewiele by dało organizmowi, gdyby tak wiele maleńkich bytów pracowało w izolacji od jednego… inny, komórki muszą mieć możliwość komunikowania się ze sobą – czyli zarówno wysyłanie, jak i odbieranie sygnały. Brakuje radia, telewizji i internetu, komórki angażują się w transdukcja sygnału, używając staromodnych chemikaliów.

Tak jak bazgroły litery lub słowa na stronie nie są pomocne, chyba że te znaki i jednostki tworzą słowa, zdania i spójny, jednoznaczny przekaz, sygnały chemiczne są bezużyteczne, chyba że zawierają konkretne instrukcje.

Z tego powodu komórki są wyposażone we wszelkiego rodzaju sprytne mechanizmy generowania i transdukcja (tj. transmisja przez medium fizyczne) wiadomości biochemicznych. Ostatecznym celem sygnalizacji komórkowej jest wpływanie na tworzenie lub modyfikację produktów genów lub białek wytwarzanych na rybosomach komórek zgodnie z informacją zakodowaną w DNA za pośrednictwem RNA.

Gdybyś był jednym z kilkudziesięciu kierowców w firmie taksówkarskiej, potrzebowałbyś umiejętności prowadzenia samochodu i poruszania się po ulicach swojego miasta lub miasteczka kompetentnie i umiejętnie, aby spotkać swoich pasażerów na czas we właściwym miejscu i dostarczyć ich do miejsca docelowego, kiedy chcą być tam. To jednak samo w sobie nie wystarczyłoby, gdyby firma miała nadzieję działać z maksymalną wydajnością.

Kierowcy w różnych kabinach musieliby komunikować się ze sobą i z centralnym dyspozytorem, aby ustalić, co pasażerowie powinni być odbierani przez kogo, gdy niektóre samochody były pełne lub w inny sposób niedostępne przez jakiś czas, utknęli w korku i tak dalej.

Bez możliwości komunikowania się z kimkolwiek innym niż potencjalni pasażerowie przez telefon lub aplikację online, biznes byłby chaotyczny.

W tym samym duchu komórki biologiczne nie mogą działać w całkowitej niezależności od otaczających je komórek. Często lokalne skupiska komórek lub całe tkanki muszą koordynować działanie, takie jak skurcz mięśni muscular lub gojenie po ranie. W ten sposób komórki muszą komunikować się ze sobą, aby ich aktywność była dostosowana do potrzeb organizmu jako całości. Bez tej zdolności komórki nie mogą właściwie zarządzać wzrostem, ruchem i innymi funkcjami.

Niedobory w tym obszarze mogą prowadzić do poważnych konsekwencji, w tym chorób, takich jak nowotwory, które są zasadniczo niekontrolowana replikacja komórek w danej tkance ze względu na niezdolność komórek do modulowania ich własny wzrost. Sygnalizacja komórkowa i transdukcja sygnałów ma zatem kluczowe znaczenie dla zdrowia całego organizmu, jak również dotkniętych komórek.

Sygnalizację komórkową można podzielić na trzy podstawowe fazy:

1. Przyjęcie: Wyspecjalizowane struktury na powierzchni komórki wykrywają obecność cząsteczki sygnalizacyjnej lub ligand.
2. Transdukcja: Wiązanie liganda z receptorem inicjuje sygnał lub kaskadową serię sygnałów we wnętrzu komórki.
3. Odpowiedź: Komunikat sygnalizowany przez ligand oraz białka i inne elementy, na które wpływa, jest interpretowany i wprowadzany w proces, taki jak via Ekspresja genu lub regulacji.

Podobnie jak same organizmy, szlak transdukcji sygnału w komórce może być niezwykle prosty lub stosunkowo złożony, z niektóre scenariusze obejmują tylko jedno wejście lub sygnał, lub inne obejmują całą serię sekwencyjnych, skoordynowanych kroków.

Bakteria, na przykład, nie ma zdolności do zastanawiania się nad naturą zagrożeń bezpieczeństwa w swoim środowisko, ale może wyczuć obecność glukozy, substancji, której używają wszystkie komórki prokariotyczne jedzenie.

Bardziej złożone organizmy wysyłają sygnały za pomocą czynniki wzrostowe, hormony, neuroprzekaźniki i składniki macierzy między komórkami. Substancje te mogą oddziaływać na pobliskie komórki lub na odległość, przemieszczając się przez krew i inne kanały. Neuroprzekaźniki Jak na przykład dopamina i serotonina przemierzać małe przestrzenie między sąsiednimi komórkami nerwowymi (neuronami) lub między neurony oraz komórki mięśniowe lub docelowe gruczoły.

Hormony często działają na szczególnie duże odległości, a cząsteczki hormonów wydzielane w mózgu wywierają wpływ na gonady, nadnercza i inne „odległe” tkanki.

Tak jak enzymy, katalizatory komórkowej reakcji biochemicznej, są specyficzne dla określonych cząsteczek substratu, receptory na powierzchni komórek są specyficzne dla określonej cząsteczki sygnałowej. Poziom specyficzności może być różny, a niektóre cząsteczki mogą słabo aktywować receptory, które inne cząsteczki mogą aktywować silnie.

Na przykład opioidowe leki przeciwbólowe aktywują w organizmie pewne receptory, które nazywane są naturalnymi substancjami endorfiny również wyzwalają, ale leki te mają zwykle znacznie silniejsze działanie ze względu na ich właściwości farmakologiczne krawiectwo.

Receptory to białka, a odbiór odbywa się na powierzchni. Pomyśl o receptorach jak o dzwonkach komórkowych. To jak dzwonek do drzwi. Dzwonki do drzwi są poza domem i ich aktywacja powoduje, że ludzie w twoim domu otwierają drzwi. Aby jednak dzwonek zadziałał, ktoś musi nacisnąć dzwonek palcem.

Ligand jest analogiczny do palca. Gdy zwiąże się z receptorem, który jest jak dzwonek do drzwi, rozpocznie proces wewnętrzny działanie/transdukcja sygnału, tak jak dzwonek do drzwi uruchamia osoby znajdujące się w domu, aby się poruszyć i odpowiedzieć drzwi.

Podczas gdy wiązanie ligandu (i palec naciskający dzwonek) jest niezbędne dla procesu, to dopiero początek. Wiązanie liganda z receptorem komórkowym jest tylko początkiem procesu, którego sygnał musi zostać zmodyfikowany w siłę, kierunek i ostateczny efekt, aby być pomocnym dla komórki i organizmu, w którym jest mieszka.

Receptory błony komórkowej obejmują trzy główne typy:

1. Receptory sprzężone z białkiem G
2. Receptory enzymatyczne
3. Receptory kanału jonowego

We wszystkich przypadkach aktywacja receptora inicjuje kaskadę chemiczną, która wysyła sygnał z zewnątrz komórki lub na błonie w komórce do jądra, które jest de facto „mózgiem” komórki i miejscem jego materiał genetyczny (DNA lub kwas dezoksyrybonukleinowy).

Sygnały docierają do jądra, ponieważ ich celem jest w jakiś sposób wpłynąć na ekspresję genów – translację kodów zawartych w genach na produkt białkowy, który geny kod dla.

Zanim sygnał dotrze w pobliże jądra, jest interpretowany i modyfikowany w pobliżu miejsca jego pochodzenia, przy receptorze. Ta modyfikacja może obejmować wzmocnienie poprzez drudzy posłańcylub może to oznaczać nieznaczne osłabienie siły sygnału, jeśli wymaga tego sytuacja.

Białka G są polippedtydy z unikalnymi sekwencjami aminokwasowymi. W szlaku transdukcji sygnału komórkowego, w którym uczestniczą, zwykle łączą sam receptor z enzymem, który wykonuje instrukcje istotne dla receptora.

Wykorzystują one w tym przypadku drugiego posłańca cykliczny monofosforan adenozyny (cykliczny AMP lub cAMP), aby wzmocnić i skierować sygnał. Inne popularne wtórne przekaźniki to tlenek azotu (NO) i jon wapnia (Ca2+).

Na przykład receptor dla cząsteczki epinefryna, którą łatwiej rozpoznajesz jako cząsteczkę adrenaliny typu pobudzającego, powoduje zmiany fizyczne Białko G sąsiadujące z kompleksem ligand-receptor w błonie komórkowej, gdy epinefryna aktywuje chwytnik.

To z kolei powoduje, że białko G wyzwala enzym cyklaza adenylylowa, co prowadzi do produkcji cAMP. cAMP następnie „rozkazuje” wzrost enzymu rozkładającego glikogen, komórkową formę węglowodanów magazynujących, do glukozy.

Wtórni posłańcy często wysyłają wyraźne, ale spójne sygnały do ​​różnych genów w DNA komórki. Kiedy cAMP wzywa do degradacji glikogenu, jednocześnie sygnalizuje wycofanie produkcji glikogenu przez inny enzym, zmniejszając w ten sposób możliwość bezskutecznych cykli (jednoczesne rozwijanie się przeciwstawnych procesów, takich jak spływanie wody do jednego końca basenu podczas próby odsączenia drugiego koniec).

Kinazy są enzymy, które biorą fosforylować molekuły. Osiągają to, przenosząc grupę fosforanową z ATP (trójfosforanu adenozyny, cząsteczki odpowiadającej AMP z dwoma fosforanami dołączonymi do tego, który już ma AMP) do innej cząsteczki. Fosforylazy są podobne, ale te enzymy raczej wychwytują wolne fosforany niż wychwytują je z ATP.

W fizjologii sygnałów komórkowych RTK, w przeciwieństwie do białek G, są receptorami, które mają również właściwości enzymatyczne. W skrócie, receptorowy koniec cząsteczki jest skierowany na zewnątrz błony, podczas gdy koniec ogonowy, wykonany z aminokwasu tyrozyny, ma zdolność fosforylowania cząsteczek wewnątrz komórki.

Prowadzi to do kaskady reakcji, które kierują DNA w jądrze komórkowym, aby zwiększyć (wzrost) lub zmniejszyć (zmniejszyć) produkcję produktu lub produktów białkowych. Być może najlepiej zbadanym takim łańcuchem reakcji jest kaskada kinazy białka aktywowanego mitogenem (MAP).

Uważa się, że mutacje w PTK są odpowiedzialne za genezę niektórych postaci raka. Należy również zauważyć, że fosforylacja może dezaktywować, jak również aktywować cząsteczki docelowe, w zależności od konkretnego kontekstu.

Kanały te składają się z „wodnego poru” w Błona komórkowa i są wykonane z białek osadzonych w błonie. Receptor dla wspólnego neuroprzekaźnika acetylocholina jest przykładem takiego receptora.

Zamiast generować sygnał kaskadowy per se w komórce, wiązanie acetylocholiny z jej receptorem powoduje rozszerzenie porów w kompleksie, umożliwiając jony (naładowane cząstki), aby wpłynąć do komórki i wywierać wpływ na syntezę białek.

Istotne jest, aby zdać sobie sprawę, że działania zachodzące w ramach transdukcji sygnału komórka-receptor nie są zazwyczaj zjawiskami „włączenia/wyłączenia”. To jest fosforylacja lub defosforylacja cząsteczki nie determinuje zakresu możliwych odpowiedzi, ani na samej cząsteczce, ani pod względem jej dalszego sygnału.

Na przykład niektóre cząsteczki mogą być fosforylowane w więcej niż jednym miejscu. Zapewnia to ściślejszą modulację działania cząsteczki, w taki sam sposób, jak odkurzacz lub blender z wieloma ustawieniami pozwala na bardziej ukierunkowane czyszczenie lub robienie smoothie niż binarne "włącz/wyłącz" przełącznik.

Ponadto każda komórka ma wiele receptorów każdego typu, z których odpowiedź każdego z nich musi zostać zintegrowana w jądrze lub przed nim, aby określić ogólną wielkość odpowiedzi. Ogólnie aktywacja receptora jest proporcjonalna do odpowiedzi, co oznacza, że ​​im więcej liganda wiąże się z receptorem, tym bardziej prawdopodobne są zmiany w komórce.

Dlatego przyjmowanie dużej dawki leku zwykle wywiera silniejszy efekt niż mniejsza dawka. Więcej receptorów jest aktywowanych, powstaje więcej cAMP lub fosforylowanych białek wewnątrzkomórkowych i więcej wszystko, co jest wymagane w jądrze, ma miejsce (i często dzieje się szybciej, a także z większym) stopień).

Białka powstają po tym, jak DNA tworzy zakodowaną kopię już zakodowanych informacji w postaci informacyjnego RNA, które porusza się poza jądrem do rybosomów, gdzie białka są faktycznie zbudowane z aminokwasów zgodnie z dostarczonymi instrukcjami przez mRNA.

Proces tworzenia mRNA z matrycy DNA nazywa się transkrypcja. Białka zwane czynniki transkrypcyjne może być regulowany w górę lub w dół w wyniku wprowadzenia różnych niezależnych lub równoczesnych sygnałów transdukcji. W rezultacie syntetyzowana jest inna ilość białka, które koduje sekwencja genu (długość DNA).