Organisme unicelulare, ca aproape toate procariote (bacterii și arhee), sunt abundente în natură. Eucariotă cu toate acestea, organismele pot conține miliarde de celule.
Întrucât ar fi puțin bine pentru un organism să existe atâtea entități minuscule care se chinuiesc izolate de una alta, celulele trebuie să aibă un mijloc de comunicare între ele - adică atât trimiterea, cât și primirea semnale. Lipsit de radio, televiziune și internet, celulele se angajează transducția semnalului, folosind substanțe chimice de modă veche.
Așa cum scrierea literelor sau cuvintelor pe o pagină nu este utilă decât dacă aceste caractere și entități formează cuvinte, propoziții și un mesaj coerent, fără ambiguități, semnalele chimice nu sunt de nici un folos decât dacă conțin specific instrucțiuni.
Din acest motiv, celulele sunt echipate cu tot felul de mecanisme inteligente pentru generație și transducție (adică transmiterea printr-un mediu fizic) a mesajelor biochimice. Scopul final al semnalizării celulare este de a influența crearea sau modificarea produselor genetice sau proteinelor produse pe ribozomii celulelor în conformitate cu informațiile codificate în ADN prin ARN.
Motive pentru transducția semnalului
Dacă ați fi unul dintre zeci de șoferi pentru o companie de taxiuri, ați avea nevoie de abilitățile necesare pentru a conduce o mașină și a naviga pe străzile orașului sau orașului dvs. cunoașterea și îndemânarea pentru a vă întâlni pasagerii la timp în locul potrivit și a-i duce la destinațiile lor atunci când vor să fie Acolo. Totuși, acest lucru nu ar fi suficient de unul singur dacă compania speră să funcționeze la o eficiență maximă.
Șoferii din cabine diferite ar trebui să comunice între ei și cu un dispecer central pentru a determina ce pasagerii ar trebui să fie ridicați de către cine, când anumite mașini erau pline sau altfel indisponibile pentru o vrajă, blocate în trafic și așa mai departe.
În absența capacității de a comunica cu oricine altul decât potențialii pasageri prin telefon sau aplicație online, afacerea ar fi haotică.
În același spirit, celulele biologice nu pot funcționa în deplină independență a celulelor din jurul lor. Adesea, grupurile locale de celule sau țesuturi întregi trebuie să coordoneze o activitate, cum ar fi a contracție musculară sau vindecarea după o rană. Astfel, celulele trebuie să comunice între ele pentru a-și menține activitățile aliniate cu nevoile organismului ca întreg. În absența acestei abilități, celulele nu pot gestiona corect creșterea, mișcarea și alte funcții.
Deficitul în acest domeniu poate duce la consecințe grave, inclusiv boli precum cancerul, care este replicarea celulară esențial necontrolată într-un țesut dat din cauza incapacității celulelor de a le modula propria creștere. Semnalizarea celulară și transducția semnalelor sunt, prin urmare, vitale pentru sănătatea organismului în ansamblu, precum și a celulelor afectate.
Ce se întâmplă în timpul transducției semnalului
Semnalizarea celulară poate fi împărțită în trei faze de bază:
- Recepţie: Structurile specializate de pe suprafața celulei detectează prezența unei molecule de semnalizare sau ligand.
- Transducție: Legarea ligandului de receptor inițiază un semnal sau o serie de semnale în cascadă pe interiorul celulei.
- Raspuns: Mesajul semnalat de ligand și proteine și alte elemente pe care le influențează este interpretat și pus în proces, cum ar fi via expresia genelor sau reglementare.
La fel ca organismele în sine, o cale de transducție a semnalului celular poate fi extrem de simplă sau relativ complexă, cu unele scenarii care implică doar o singură intrare sau semnal, sau altele implicând o serie întreagă de pași secvențiali, coordonați.
O bacterie, de exemplu, nu are capacitatea de a delibera asupra naturii amenințărilor la adresa siguranței mediu, dar poate simți prezența glucozei, substanță pentru care toate celulele procariote o folosesc alimente.
Organisme mai complexe transmit semnale folosind factorii de creștere, hormoni, neurotransmițători și componentele matricei dintre celule. Aceste substanțe pot acționa asupra celulelor din apropiere sau la distanță, călătorind prin sânge și alte canale. Neurotransmițători ca dopamina și serotonina traversează spațiile mici dintre celulele nervoase adiacente (neuroni) sau între neuroni și celulele musculare sau glandele țintă.
Hormonii acționează adesea la distanțe deosebit de mari, moleculele hormonale secretate în creier exercitând efecte asupra gonadelor, glandelor suprarenale și alte țesuturi „îndepărtate”.
Receptoare de celule: porți către calea de transducție a semnalului
Doar noi enzime, catalizatorii reacției biochimice celulare, sunt specifici anumitor molecule de substrat, receptorii de pe suprafețele celulelor sunt specifici unei anumite molecule de semnal. Nivelul de specificitate poate varia, iar unele molecule pot activa slab receptorii pe care alte molecule le pot activa puternic.
De exemplu, medicamentele analgezice opioide activează anumiți receptori din organism pe care le numesc substanțele naturale endorfinele se declanșează, de asemenea, dar aceste medicamente au de obicei un efect mult mai puternic datorită farmacologiei lor croitorie.
Receptorii sunt proteine, iar recepția are loc la suprafață. Gândiți-vă la receptori ca la sonerii celulari, ca la o sonerie. Sonerii sunt în afara casei dvs. și activarea acesteia este ceea ce determină oamenii din casa dvs. să răspundă la ușă. Dar pentru ca soneria să funcționeze, cineva trebuie să folosească degetul pentru a apăsa clopotul.
Ligandul este analog cu degetul. Odată ce se leagă de receptor, care este ca soneria, va începe procesul intern funcționarea / transducția semnalului la fel cum soneria îi declanșează pe cei din interiorul casei să se miște și să răspundă la uşă.
În timp ce legarea ligandului (și degetul apăsând soneria) este esențială pentru proces, este doar începutul. Un ligand care se leagă de receptorul celular este doar începutul unui proces al cărui semnal trebuie modificat în putere, direcție și efect final pentru a fi de ajutor celulei și organismului în care se află rezidă.
Recepție: detectarea unui semnal
Receptorii cu membrană celulară includ trei tipuri majore:
- Receptorii cuplați la proteina G
- Receptorii legați de enzime
- Receptorii canalelor ionice
În toate cazurile, activarea receptorului inițiază o cascadă chimică care trimite un semnal din exteriorul celulă, sau pe o membrană din interiorul celulei, către nucleu, care este „creierul” de facto al celulei și locusul este material genetic (ADN sau acid dezoxiribonucleic).
Semnalele se deplasează către nucleu deoarece obiectivul lor este de a influența într-un fel sau altul expresia genelor - traducerea codurilor conținute în gene la produsul proteic pe care gene cod pentru.
Înainte ca semnalul să ajungă aproape de nucleu, acesta este interpretat și modificat în apropierea locului de origine, la receptor. Această modificare poate implica amplificare prin al doilea mesager, sau poate însemna o ușoară scădere a puterii semnalului dacă situația o cere.
Receptoare cuplate cu proteine G
Proteinele G sunt polipedide cu secvențe unice de aminoacizi. În calea de transducție a semnalului celular la care participă, ele leagă de obicei receptorul însuși de o enzimă care efectuează instrucțiunile pertinente receptorului.
Acestea folosesc un al doilea mesager, în acest caz monofosfat ciclic de adenozină (AMP ciclic sau AMPc) pentru a amplifica și direcționa semnalul. Alți mesageri secundari obișnuiți includ oxidul azotic (NO) și ionul de calciu (Ca2 +).
De exemplu, receptorul pentru moleculă epinefrină, pe care o recunoașteți mai ușor ca moleculă de tip adrenalină stimulantă, provoacă modificări fizice în a Proteina G adiacentă complexului ligand-receptor din membrana celulară atunci când epinefrina activează receptor.
Acest lucru, la rândul său, determină o proteină G să declanșeze enzima adenilil ciclaza, ceea ce duce la producția de AMPc. AMPc „comandă” apoi o creștere a unei enzime care descompune glicogenul, forma de stocare a celulei în carbohidrați, în glucoză.
Al doilea mesager trimite adesea semnale distincte, dar consistente, către diferite gene din ADN-ul celulei. Când AMPc solicită degradarea glicogenului, acesta semnalează simultan o revenire în producția de glicogen printr-o enzimă diferită, reducând astfel potențialul pentru cicluri inutile (desfășurarea simultană a proceselor opuse, cum ar fi curgerea apei într-un capăt al unui bazin în timp ce încercați să scurgeți celălalt Sfârșit).
Receptor tirozin kinaze (RTK)
Kinaze sunt enzime care iau fosforilat molecule. Ei realizează acest lucru mutând o grupare fosfat din ATP (adenozin trifosfat, o moleculă echivalentă cu AMP cu doi fosfați atașați la cea pe care AMP o are deja) pe o moleculă diferită. Fosforilazele sunt similare, dar aceste enzime preiau fosfați liberi, mai degrabă decât îi iau de la ATP.
În fiziologia semnalului celular, RTK-urile, spre deosebire de proteinele G, sunt receptori care posedă și proprietăți enzimatice. Pe scurt, capătul receptor al moleculei este orientat spre exteriorul membranei, în timp ce capătul cozii, realizat din aminoacid tirozină, are capacitatea de a fosforila moleculele din interiorul celulei.
Acest lucru duce la o cascadă de reacții care direcționează ADN-ul din nucleul celular pentru a regla (crește) sau regla în jos (scădea) producția unui produs sau produse proteice. Poate cel mai bine studiat astfel de lanț de reacții este cascada kinazei de proteină activată mitogen (MAP).
Se crede că mutațiile PTK sunt responsabile de geneza anumitor forme de cancer. De asemenea, trebuie remarcat faptul că fosforilarea poate inactiva și activa moleculele țintă, în funcție de contextul specific.
Canalele ionice activate de ligand
Aceste canale constau dintr - un "por apos" în membrana celulara și sunt fabricate din proteine încorporate în membrană. Receptorul pentru neurotransmițătorul comun acetilcolina este un exemplu de astfel de receptor.
În loc să genereze un semnal în cascadă în sine în celulă, legarea acetilcolinei la receptorul său determină lărgirea porilor din complex, permițând ioni (particule încărcate) să curgă în celulă și să-și exercite efectele în aval asupra sintezei proteinelor.
Răspuns: Integrarea unui semnal chimic
Este vital să recunoaștem că acțiunile care apar ca parte a transducției semnalului receptorilor celulari nu sunt de obicei fenomene „pornit / oprit”. Adică fosforilarea sau defosforilarea unei molecule nu determină gama de răspunsuri posibile, nici la molecula însăși, nici în ceea ce privește semnalul său din aval.
Unele molecule, de exemplu, pot fi fosforilate în mai multe locații. Aceasta oferă o modulare mai strânsă a acțiunii moleculei, în același mod general ca un aspirator sau blenderul cu mai multe setări poate permite o curățare mai bine direcționată sau realizarea de smoothie decât un „on / off” binar intrerupator.
În plus, fiecare celulă are receptori multipli de fiecare tip, răspunsul fiecăruia dintre aceștia trebuie integrat la sau înainte de nucleu pentru a determina magnitudinea generală a răspunsului. În general, activarea receptorului este proporțională cu răspunsul, ceea ce înseamnă că, cu cât este mai mare ligandul care se leagă de un receptor, cu atât sunt mai marcate modificările din interiorul celulei.
Acesta este motivul pentru care atunci când luați o doză mare de medicament, acesta exercită de obicei un efect mai puternic decât o doză mai mică. Se activează mai mulți receptori, rezultă mai multe AMPc sau proteine intracelulare fosforilate și altele orice este necesar în nucleu are loc (și se întâmplă adesea mai repede, precum și la un mare măsură).
O notă privind expresia genică
Proteinele sunt fabricate după ce ADN face o copie codificată a informațiilor sale deja codificate sub formă de ARN messenger, care se mișcă în afara nucleului până la ribozomi, unde proteinele sunt de fapt fabricate din aminoacizi în conformitate cu instrucțiunile furnizate de ARNm.
Se numește procesul de producere a ARNm dintr-un șablon de ADN transcriere. Proteine numite factori de transcriere poate fi reglat în sus sau în jos ca urmare a intrării diferitelor semnale de transducție independente sau simultane. Ca rezultat, se sintetizează o cantitate diferită de proteină pentru care codifică secvența genică (lungimea ADN-ului).