Transdukcia signálu: definícia, funkcia, príklady

Jednobunkové organizmy, ako takmer všetky prokaryoty (baktérie a archaea), majú bohatú povahu. Eukaryotické organizmy však môžu obsahovať miliardy buniek.

Pretože by bolo málo pre organizmus, keby mal toľko drobných entít, ktoré sa krútia izolovane od jednej iné musia bunky mať prostriedky na vzájomnú komunikáciu - to znamená, že môžu odosielať aj prijímať signály. Bunky, ktoré nemajú rádio, televíziu a internet, sa angažujú prenos signálupomocou staromódnych chemikálií.

Rovnako ako nie je užitočné čmárať písmená alebo slová na stránke, pokiaľ tieto znaky a entity nevytvárajú slová, vety a koherentná a jednoznačná správa, chemické signály sú nepoužiteľné, pokiaľ neobsahujú konkrétne informácie inštrukcie.

Z tohto dôvodu sú bunky vybavené všetkými inteligentnými mechanizmami na generovanie a transdukcia (tj. prenos fyzickým médiom) biochemických správ. Konečným cieľom bunkovej signalizácie je ovplyvniť tvorbu alebo modifikáciu génových produktov alebo proteínov vytvorených na ribozómoch buniek v súlade s informáciami kódovanými v DNA prostredníctvom RNA.

Ak ste boli jedným z desiatok vodičov spoločnosti taxislužby, potrebovali by ste zručnosti na vedenie auta a navigáciu v uliciach vášho mesta. vedome a zručne, aby ste sa stretli s vašimi cestujúcimi včas na správnom mieste a dostali ich do svojich cieľov, kedykoľvek chcú tam. To by však samo o sebe nestačilo, ak by spoločnosť dúfala, že bude pracovať s maximálnou efektivitou.

Vodiči v rôznych taxíkoch by museli komunikovať medzi sebou a s centrálnym dispečerom, aby zistili, čo mali by si vyzdvihnúť cestujúcich, ktorí, keď boli niektoré autá plné alebo inak nedostupné pre kúzlo, uviazli v premávke a tak ďalej.

Ak by neexistovala schopnosť komunikovať s kýmkoľvek iným ako s potenciálnymi cestujúcimi prostredníctvom telefónu alebo online aplikácie, podnikanie by bolo chaotické.

V rovnakom duchu nemôžu biologické bunky fungovať úplne nezávisle na bunkách okolo nich. Miestne zhluky buniek alebo celých tkanív musia často koordinovať činnosť, ako je napríklad a svalová kontrakcia alebo hojenie po rane. Bunky teda musia navzájom komunikovať, aby udržali svoju činnosť v súlade s potrebami organizmu ako celku. Ak táto schopnosť chýba, bunky nemôžu správne riadiť rast, pohyb a ďalšie funkcie.

Deficity v tejto oblasti môžu viesť k vážnym následkom vrátane chorôb, ako je rakovina, ktorá je v podstate nekontrolovaná replikácia buniek v danom tkanive z dôvodu neschopnosti buniek modulovať ich vlastný rast. Bunková signalizácia a prenos signálov je preto nevyhnutná pre zdravie organizmu ako celku, ako aj postihnutých buniek.

Bunkovú signalizáciu možno rozdeliť do troch základných fáz:

1. Recepcia: Špecializované štruktúry na povrchu bunky zisťujú prítomnosť signálnej molekuly, príp ligand.
2. Transdukcia: Väzba ligandu na receptor iniciuje signál alebo kaskádovú sériu signálov vo vnútri bunky.
3. Odpoveď: Správa signalizovaná ligandom a proteínmi a ďalšími prvkami, ktoré ovplyvňuje, je interpretovaná a uvedená do procesu, napríklad prostredníctvom génová expresia alebo nariadenie.

Rovnako ako samotné organizmy, aj dráha prenosu bunkového signálu môže byť vynikajúco jednoduchá alebo porovnateľne zložitá niektoré scenáre zahrnujúce iba jeden vstup alebo signál, alebo iné, ktoré zahŕňajú celú sériu postupných koordinovaných krokov.

Napríklad baktérii chýba schopnosť rokovať o povahe bezpečnostných hrozieb prostredí, ale dokáže vycítiť prítomnosť glukózy, látky, ktorú všetky prokaryotické bunky používajú jedlo.

Zložitejšie organizmy vysielajú signály pomocou rastové faktory, hormóny, neurotransmitery a komponenty matice medzi bunkami. Tieto látky môžu pôsobiť na okolité bunky alebo na diaľku cestovaním krvou a inými kanálmi. Neurotransmitery ako napr dopamín a serotonín prechádzať malými priestormi medzi susednými nervovými bunkami (neurónmi) alebo medzi nimi neurónov a svalové bunky alebo cieľové žľazy.

Hormóny často pôsobia na obzvlášť veľké vzdialenosti, pričom molekuly hormónov vylučovaných v mozgu majú účinky na pohlavné žľazy, nadobličky a ďalšie „vzdialené“ tkanivá.

Len ako enzýmy, katalyzátory bunkovej biochemickej reakcie, sú špecifické pre určité molekuly substrátu, receptory na povrchu buniek sú špecifické pre konkrétnu signálnu molekulu. Úroveň špecificity sa môže líšiť a niektoré molekuly môžu slabo aktivovať receptory, ktoré iné molekuly môžu silne aktivovať.

Napríklad opioidné lieky proti bolesti aktivujú určité receptory v tele, ktoré nazývajú prírodné látky spúšťajú sa aj endorfíny, ale tieto lieky majú zvyčajne vďaka farmakologickému účinku oveľa silnejší účinok krajčírstvo.

Receptory sú bielkoviny a recepcia sa uskutočňuje na povrchu. Predstavte si receptory ako bunkové domové zvončeky. Je to ako domový zvonček. Domové zvončeky sú pred vašim domom a ich aktivácia spôsobuje, že ľudia vo vašom dome odpovedajú na dvere. Aby však zvonček fungoval, musí niekto zvončekom stlačiť prst.

Ligand je analogický s prstom. Akonáhle sa naviaže na receptor, ktorý je ako domový zvonček, začne proces vnútornej fungovanie / signálna transdukcia, rovnako ako domový zvonček aktivuje ľudí v dome, aby sa pohybovali a odpovedali na ne dvere.

Aj keď je väzba ligandu (a prst, ktorý stláča zvonček na dverách) nevyhnutná pre tento proces, je to iba začiatok. Väzba ligandu na bunkový receptor je iba začiatkom procesu, ktorého signál musí byť upravený sila, smer a konečný účinok, aby boli užitočné pre bunku a organizmus, v ktorom sú býva.

Receptory bunkovej membrány zahŕňajú tri hlavné typy:

1. Receptory spojené s G-proteínom
2. Receptory spojené s enzýmami
3. Receptory iónových kanálov

Vo všetkých prípadoch aktivácia receptora iniciuje chemickú kaskádu, ktorá vysiela signál z vonkajšej strany bunke alebo na membráne v bunke k jadru, ktoré je de facto „mozgom“ bunky a lokusom jeho genetický materiál (DNA alebo kyselina deoxyribonukleová).

Signály putujú do jadra, pretože ich cieľom je nejakým spôsobom ovplyvniť génovú expresiu - preklad kódov obsiahnutých v génoch na proteínový produkt, ktorý gény kód pre.

Predtým, ako sa signál dostane niekam do blízkosti jadra, je interpretovaný a upravený v blízkosti miesta jeho vzniku, na receptore. Táto modifikácia môže vyžadovať zosilnenie pomocou druhí poslovia, alebo to môže znamenať mierne zníženie sily signálu, ak si to situácia vyžaduje.

G proteíny sú polypedidy s jedinečnými aminokyselinovými sekvenciami. V bunkovej signálnej transdukčnej ceste, na ktorej sa zúčastňujú, obvykle spájajú samotný receptor s enzýmom, ktorý vykonáva príslušné pokyny pre daný receptor.

V tomto prípade využívajú druhého posla cyklický adenozínmonofosfát (cyklický AMP alebo cAMP) na zosilnenie a nasmerovanie signálu. Medzi ďalších bežných druhých poslov patrí oxid dusnatý (NO) a vápenatý ión (Ca2 +).

Napríklad receptor pre molekulu adrenalín, ktoré ľahšie poznáte ako molekulu stimulantu typu adrenalínu, spôsobuje fyzické zmeny a G-proteín susediaci s komplexom ligand-receptor v bunkovej membráne, keď epinefrín aktivuje receptor.

To zase spôsobí, že G-proteín spustí enzým adenylyl cykláza, čo vedie k výrobe cAMP. cAMP potom „objedná“ zvýšenie enzýmu, ktorý štiepi glykogén, zásobnú formu sacharidov v bunke, na glukózu.

Druhý posol často vysiela odlišné, ale konzistentné signály do rôznych génov v bunkovej DNA. Keď cAMP požaduje degradáciu glykogénu, súčasne signalizuje potlačenie produkcie glykogénu prostredníctvom iného enzýmu, čím znižuje potenciál márnych cyklov (súčasné rozvíjanie protichodných procesov, ako je prúdenie vody na jeden koniec bazéna a pokus o odtok druhého) koniec).

Kinázy sú enzýmy, ktoré berú fosforylát molekuly. Dosahujú to presunom fosfátovej skupiny z ATP (adenozíntrifosfát, molekula ekvivalentná k AMP s dvoma fosfátmi pripojenými k jednému, ktorý AMP už má) na inú molekulu. Fosforylázy sú podobné, ale tieto enzýmy zachytávajú voľné fosfáty skôr, ako ich zachytávajú z ATP.

Vo fyziológii bunkových signálov sú RTK, na rozdiel od G-proteínov, receptory, ktoré tiež majú enzymatické vlastnosti. Stručne povedané, receptorový koniec molekuly smeruje k vonkajšej strane membrány, zatiaľ čo koncový koniec vyrobený z aminokyseliny tyrozín má schopnosť fosforylovať molekuly vo vnútri bunky.

To vedie k kaskáde reakcií, ktoré smerujú DNA v bunkovom jadre k zvýšeniu (zvýšeniu) alebo zníženiu (zníženiu) produkcie proteínového produktu alebo produktov. Azda najlepšie študovaným takýmto reťazcom reakcií je kaskáda kinázy proteínu aktivovaného mitogénom.

Predpokladá sa, že mutácie v PTK sú zodpovedné za vznik určitých foriem rakoviny. Je tiež potrebné poznamenať, že fosforylácia môže inaktivovať a aktivovať cieľové molekuly v závislosti od konkrétneho kontextu.

Tieto kanály pozostávajú z "vodného póru" v bunková membrána a sú vyrobené z proteínov zabudovaných do membrány. Receptor pre spoločný neurotransmiter acetylcholín je príkladom takéhoto receptora.

Namiesto vytvárania kaskádového signálu ako takého v bunke, viazanie acetylcholínu na jeho receptor spôsobuje rozšírenie pórov v komplexe, čo umožňuje ióny (nabité častice), aby prúdili do bunky a pôsobili po prúde na syntézu bielkovín.

Je nevyhnutné si uvedomiť, že činnosti, ktoré sa vyskytujú ako súčasť prenosu signálu bunkového receptora, nie sú typickými javmi „zapnutia / vypnutia“. To znamená, že fosforylácia alebo defosforylácia molekuly neurčuje rozsah možných reakcií, či už na samotnú molekulu, alebo z hľadiska jej následného signálu.

Niektoré molekuly môžu byť napríklad fosforylované na viac ako jednom mieste. Toto poskytuje prísnejšiu moduláciu pôsobenia molekuly rovnakým všeobecným spôsobom ako vysávač alebo mixér s viacerými nastaveniami umožňuje cielenejšie čistenie alebo tvorbu smoothie ako binárne „zapnutie / vypnutie“ prepnúť.

Okrem toho má každá bunka viac receptorov každého typu, ktorých odpoveď musí byť integrovaná v jadre alebo pred ním, aby sa určila celková veľkosť odpovede. Všeobecne je aktivácia receptora úmerná reakcii, čo znamená, že čím viac ligandu sa viaže na receptor, tým výraznejšie zmeny v bunke pravdepodobne budú.

To je dôvod, prečo keď užijete vysokú dávku lieku, zvyčajne má silnejší účinok ako menšia dávka. Aktivuje sa viac receptorov, vzniká viac cAMP alebo fosforylovaných intracelulárnych proteínov a ďalšie odohráva sa čokoľvek, čo sa vyžaduje v jadre (a často sa stáva rýchlejšie aj väčšie) rozsahu).

Proteíny sa tvoria potom, čo DNA vytvorí kódovanú kópiu svojej už zakódovanej informácie vo forme messengerovej RNA, ktorá sa pohybuje mimo jadra do ribozómov, kde sa bielkoviny skutočne vyrábajú z aminokyselín v súlade s dodanými pokynmi od mRNA.

Proces výroby mRNA z templátu DNA sa nazýva prepis. Bielkoviny tzv transkripčné faktory môžu byť regulované nahor alebo nadol v dôsledku vstupu rôznych nezávislých alebo súčasných transdukčných signálov. Vo výsledku sa syntetizuje odlišné množstvo proteínu, ktoré kóduje génová sekvencia (dĺžka DNA).