Передача сигнала: определение, функция, примеры

Одноклеточные организмы, как и почти все прокариоты (бактерии и археи), многочисленны в природе. Эукариотический Однако организмы могут содержать миллиарды клеток.

Поскольку для организма будет мало пользы, если будет так много крошечных сущностей, работающих изолированно от одного во-вторых, ячейки должны иметь средства связи друг с другом, то есть как отправку, так и получение сигналы. В условиях отсутствия радио, телевидения и Интернета клетки занимаются преобразование сигнала, используя старомодные химикаты.

Так же, как каракули букв или слов на странице бесполезны, если эти символы и сущности не образуют слова, предложения и связное, однозначное сообщение, химические сигналы бесполезны, если они не содержат конкретных инструкции.

По этой причине клетки оснащены всевозможными умными механизмами для генерации и трансдукция (то есть передача через физическую среду) биохимических сообщений. Конечная цель клеточной передачи сигналов - влиять на создание или модификацию продуктов генов или белков, созданных на рибосомах клеток в соответствии с информацией, закодированной в ДНК через РНК.

Если бы вы были одним из десятков водителей компании такси, вам потребовались бы навыки, чтобы водить машину и перемещаться по улицам вашего города или поселка. грамотно и умело, чтобы вовремя встретить ваших пассажиров в нужном месте и доставить их к месту назначения, когда они захотят. там. Однако одного этого было бы недостаточно, если бы компания надеялась работать с максимальной эффективностью.

Водителям в разных кабинах потребуется общаться друг с другом и с центральным диспетчером, чтобы определить, что пассажиры должны быть подобраны кем, когда определенные автомобили были заполнены или по иным причинам недоступны на какое-то время, застряли в пробке и так далее.

Если бы не было возможности общаться с кем-либо, кроме потенциальных пассажиров, по телефону или через онлайн-приложение, бизнес был бы хаотичным.

В том же духе биологические клетки не могут действовать независимо от клеток вокруг них. Часто локальные скопления клеток или целые ткани нуждаются в координации деятельности, такой как мышечное сокращение или заживление после раны. Таким образом, клетки должны взаимодействовать друг с другом, чтобы их деятельность соответствовала потребностям организма в целом. Без этой способности клетки не могут должным образом управлять ростом, движением и другими функциями.

Дефицит в этой области может привести к серьезным последствиям, включая такие заболевания, как рак, который по существу неконтролируемая репликация клеток в данной ткани из-за неспособности клеток модулировать свои собственный рост. Таким образом, передача сигналов клетками и их передача жизненно важны для здоровья организма в целом, а также для здоровья пораженных клеток.

Передачу сигналов клетки можно разделить на три основных этапа:

1. Прием: Специализированные структуры на поверхности клетки обнаруживают присутствие сигнальной молекулы или лиганд.
2. Трансдукция: Связывание лиганда с рецептором инициирует сигнальную или каскадную серию сигналов внутри клетки.
3. Ответ: Сообщение, передаваемое лигандом, белками и другими элементами, на которые он влияет, интерпретируется и вводится в процесс, например, через экспрессия гена или регулирование.

Как и сами организмы, путь передачи клеточного сигнала может быть чрезвычайно простым или сравнительно сложным, с некоторые сценарии включают только один вход или сигнал, а другие предполагают целую серию последовательных скоординированных шагов.

Бактерии, например, не хватает способности обдумывать природу угроз безопасности в своем окружающей среде, но он может ощущать присутствие глюкозы, вещества, которое все прокариотические клетки используют для еда.

Более сложные организмы посылают сигналы, используя факторы роста, гормоны, нейротрансмиттеры и компоненты матрицы между ячейками. Эти вещества могут действовать на близлежащие клетки или на расстоянии, путешествуя по крови и другим каналам. Нейротрансмиттеры такой как дофамин а также серотонин пересекают небольшие промежутки между соседними нервными клетками (нейронами) или между нейроны и мышечные клетки или железы-мишени.

Гормоны часто действуют на особенно больших расстояниях, при этом молекулы гормонов, секретируемые в головном мозге, оказывают влияние на гонады, надпочечники и другие «далекие» ткани.

Как только ферментыкатализаторы клеточной биохимической реакции специфичны для определенных молекул субстрата, рецепторы на поверхности клеток специфичны для определенной сигнальной молекулы. Уровень специфичности может варьироваться, и некоторые молекулы могут слабо активировать рецепторы, которые другие молекулы могут сильно активировать.

Например, опиоидные обезболивающие активируют в организме определенные рецепторы, которые называются естественными веществами. эндорфины также вызывают, но эти препараты обычно имеют гораздо более сильный эффект из-за их фармакологического портняжное дело.

Рецепторы - это белки, и рецепция происходит на поверхности. Думайте о рецепторах как о дверных звонках клеток. Это как дверной звонок. Дверные звонки находятся за пределами вашего дома, и их активация заставляет людей в вашем доме открывать дверь. Но для того, чтобы звонок в дверь сработал, кто-то должен нажать на звонок пальцем.

Лиганд аналогичен пальцу. Как только он свяжется с рецептором, который похож на дверной звонок, он запустит процесс внутреннего работа / передача сигнала, так же как дверной звонок заставляет тех, кто находится в доме, двигаться и отвечать на дверь.

Хотя связывание лиганда (и нажатие пальцем на дверной звонок) важно для процесса, это только начало. Связывание лиганда с рецептором клетки - это только начало процесса, сигнал которого должен быть изменен в сила, направление и конечный эффект, чтобы быть полезными для клетки и организма, в котором он проживает.

Рецепторы клеточных мембран включают три основных типа:

1. Рецепторы, сопряженные с G-белком
2. Ферментно-связанные рецепторы
3. Рецепторы ионных каналов

Во всех случаях активация рецептора запускает химический каскад, который посылает сигнал извне. клетки или на мембране внутри клетки к ядру, которое де-факто является «мозгом» клетки и локусом это генетический материал (ДНК или дезоксирибонуклеиновая кислота).

Сигналы передаются в ядро, потому что их цель - каким-то образом повлиять на экспрессию генов - трансляцию кодов, содержащихся в генах, в белковый продукт, который гены код для.

Прежде чем сигнал попадет в ядро, он интерпретируется и модифицируется рядом с местом его происхождения, на рецепторе. Эта модификация может включать усиление за счет вторые мессенджеры, или это может означать небольшое уменьшение мощности сигнала, если этого требует ситуация.

G-белки полипедтиды с уникальными аминокислотными последовательностями. В пути передачи клеточного сигнала, в котором они участвуют, они обычно связывают рецептор с ферментом, который выполняет инструкции, относящиеся к рецептору.

Они используют второй мессенджер, в данном случае циклический аденозинмонофосфат (циклический AMP или цАМФ) для усиления и направления сигнала. Другие распространенные вторичные мессенджеры включают оксид азота (NO) и ион кальция (Ca2 +).

Например, рецептор молекулы адреналин, который вы с большей готовностью узнаете как молекулу стимулятора адреналина, вызывает физические изменения в G-белок, прилегающий к комплексу лиганд-рецептор в клеточной мембране, когда адреналин активирует рецептор.

Это, в свою очередь, заставляет G-белок запускать фермент. аденилилциклаза, что приводит к продукции цАМФ. Затем цАМФ «приказывает» увеличить количество фермента, расщепляющего гликоген, форму хранения углеводов в клетке, до глюкозы.

Вторичные мессенджеры часто посылают четкие, но последовательные сигналы различным генам в клеточной ДНК. Когда цАМФ вызывает деградацию гликогена, он одновременно сигнализирует об откате производства гликогена другим ферментом, тем самым снижая возможность бесполезных циклов (одновременное развертывание противоположных процессов, например, протекание воды в один конец бассейна при попытке осушить другой конец).

Киназы ферменты, которые принимают фосфорилировать молекулы. Они достигают этого, перемещая фосфатную группу из АТФ (аденозинтрифосфат, молекула, эквивалентная АМФ, с двумя фосфатами, добавленными к уже имеющемуся АМФ) в другую молекулу. Фосфорилазы похожи, но эти ферменты собирают свободные фосфаты, а не от АТФ.

В физиологии клеточных сигналов RTK, в отличие от G-белков, являются рецепторами, которые также обладают ферментативными свойствами. Короче говоря, рецепторный конец молекулы обращен к внешней стороне мембраны, в то время как хвостовой конец, сделанный из аминокислоты тирозина, обладает способностью фосфорилировать молекулы внутри клетки.

Это приводит к каскаду реакций, которые заставляют ДНК в ядре клетки активировать (увеличивать) или подавлять (уменьшать) производство белкового продукта или продуктов. Возможно, наиболее изученной такой цепочкой реакций является каскад киназ, активируемых митогеном (MAP).

Считается, что мутации в PTK ответственны за возникновение определенных форм рака. Также следует отметить, что фосфорилирование может как инактивировать, так и активировать целевые молекулы, в зависимости от конкретного контекста.

Эти каналы состоят из «водной поры» в клеточная мембрана и сделаны из белков, встроенных в мембрану. Рецептор общего нейромедиатора ацетилхолин является примером такого рецептора.

Вместо того, чтобы генерировать каскадный сигнал как таковой внутри клетки, связывание ацетилхолина с его рецептором вызывает расширение пор в комплексе, что позволяет ионы (заряженные частицы) проникают в клетку и оказывают свое влияние на синтез белка.

Жизненно важно признать, что действия, которые происходят как часть передачи сигнала клетка-рецептор, обычно не являются феноменом «включения / выключения». Это фосфорилирование или дефосфорилирование молекулы не определяет диапазон возможных ответов ни на самой молекуле, ни с точки зрения ее нижележащего сигнала.

Например, некоторые молекулы могут фосфорилироваться более чем в одном месте. Это обеспечивает более жесткую модуляцию действия молекулы таким же общим образом, как пылесос или блендер с несколькими настройками может обеспечить более целенаправленную очистку или приготовление смузи, чем бинарное «включение / выключение». выключатель.

Кроме того, каждая клетка имеет несколько рецепторов каждого типа, ответ каждого из которых должен быть интегрирован в ядре или перед ним, чтобы определить общую величину ответа. Как правило, активация рецептора пропорциональна ответу, а это означает, что чем больше лиганда связывается с рецептором, тем более заметными могут быть изменения внутри клетки.

Вот почему, когда вы принимаете большую дозу лекарства, оно обычно оказывает более сильное действие, чем меньшая доза. Активируется больше рецепторов, в результате получается больше цАМФ или фосфорилированных внутриклеточных белков и больше все, что требуется в ядре, происходит (и часто происходит быстрее, а также в большей степень).

Белки создаются после того, как ДНК создает закодированную копию своей уже закодированной информации в виде информационной РНК, которая перемещается вне ядра в рибосомы, где белки фактически состоят из аминокислот в соответствии с прилагаемыми инструкциями от мРНК.

Процесс создания мРНК из матрицы ДНК называется транскрипция. Белки под названием факторы транскрипции могут регулироваться с повышением или понижением в результате ввода различных независимых или одновременных сигналов преобразования. В результате синтезируется другое количество белка, которое кодирует последовательность гена (длина ДНК).