Једноћелијски организми, као и готово сви прокариоти (бактерије и археје), обилују природом. Еукариотски организми, међутим, могу садржати милијарде ћелија.
Будући да би мало користило организму да се толико сићушних целина труди изолирано од једног друго, ћелије морају имати средства за међусобну комуникацију - то јест, и слање и примање сигнали. У недостатку радија, телевизије и Интернета, ћелије се укључују трансдукција сигнала, користећи старомодне хемикалије.
Као што ни цртање слова или речи на страници није корисно ако ови знакови и ентитети не формирају речи, реченице и кохерентна, недвосмислена порука, хемијски сигнали нису од користи уколико не садрже одређене упутства.
Из тог разлога, ћелије су опремљене свим врстама паметних механизама за стварање и трансдукција (односно, пренос путем физичког медија) биохемијских порука. Крајњи циљ ћелијске сигнализације је да утиче на стварање или модификовање генских производа или протеина створених на рибосомима ћелија у складу са информацијама кодираним у ДНК путем РНК.
Разлози за преношење сигнала
Ако сте били један од десетина возача компаније таксија, требале би вам вештине за вожњу аутомобила и кретање улицама вашег града зналачки и вешто како бисте на време упознали ваше путнике на правом месту и одвели их на одредишта када то желе тамо. То, међутим, не би било довољно само по себи ако би се компанија надала да ће радити са максималном ефикасношћу.
Возачи у различитим кабинама морали би да комуницирају једни с другима и са централним диспечером како би утврдили шта путнике треба покупити они који су, кад су одређени аутомобили били пуни или на неки други начин недоступни за чаролију, заглавили у саобраћају и тако даље.
У одсуству могућности комуникације са било ким осим потенцијалним путницима путем телефона или мрежне апликације, посао би био хаотичан.
У истом духу, биолошке ћелије не могу деловати у потпуној независности ћелија око себе. Често локални кластери ћелија или читава ткива треба да координишу активност, као што је контракција мишића или зарастање после ране. Стога ћелије морају међусобно да комуницирају како би своје активности ускладиле са потребама организма у целини. У одсуству ове способности, ћелије не могу правилно да управљају растом, кретањем и другим функцијама.
Дефицити у овој области могу довести до озбиљних последица, укључујући болести попут рака, који је у суштини неконтролисана репликација ћелија у датом ткиву због неспособности ћелија да модулирају своје сопствени раст. Стога је ћелијска сигнализација и преношење сигнала од виталног значаја за здравље организма у целини, као и погођених ћелија.
Шта се дешава током преноса сигнала
Ћелијска сигнализација се може поделити у три основне фазе:
- Рецепција: Специјализоване структуре на површини ћелије откривају присуство сигналног молекула, или лиганд.
- Трансдукција: Везивање лиганда за рецептор иницира сигнал или каскадну серију сигнала у унутрашњости ћелије.
- Одговор: Порука коју сигнализирају лиганд и протеини и други елементи на које утиче се тумачи и ставља у процес, као што је путем Експресија гена или пропис.
Као и сами организми, пут преноса ћелијског сигнала може бити изузетно једноставан или релативно сложен неки сценарији укључују само један улаз или сигнал, или други укључују читав низ узастопних, координираних корака.
На пример, бактерија нема капацитет за промишљање о природи безбедносних претњи окружење, али може осетити присуство глукозе, супстанце за коју све прокариотске ћелије користе храна.
Сложенији организми шаљу сигнале користећи фактори раста, хормони, неуротрансмитера и компоненте матрице између ћелија. Те супстанце могу деловати на оближње ћелије или на даљину путујући крвљу и другим каналима. Неуротрансмитери као такав допамин и серотонин прелазе мале просторе између суседних нервних ћелија (неурона) или између њих неурони и мишићне ћелије или циљне жлезде.
Хормони често делују на посебно велике удаљености, при чему молекули хормона који се излучују у мозгу делују на гонаде, надбубрежне жлезде и друга „удаљена“ ткива.
Рецептори ћелије: Прилази путовима трансдукције сигнала
Баш као ензими, катализатори ћелијске биохемијске реакције, специфични су за одређене молекуле супстрата, рецептори на површинама ћелија су специфични за одређени сигнални молекул. Ниво специфичности може да варира, а неки молекули могу слабо да активирају рецепторе које други молекули могу снажно да активирају.
На пример, опиоидни лекови против болова активирају одређене рецепторе у телу које су природне супстанце назвале ендорфин такође покреће, али ови лекови обично имају далеко јачи ефекат због свог фармаколошког деловања кројење.
Рецептори су протеини, а пријем се одвија на површини. Замислите рецепторе као ћелијска звона на вратима. То је попут звона на вратима. Звона на вратима су испред ваше куће и њихово активирање је оно што доводи до тога да људи у вашој кући одговоре на врата. Али да би звоно на вратима функционисало, неко мора прстом притиснути звоно.
Лиганд је аналоган прсту. Једном када се веже за рецептор, који је попут звона на вратима, покренуће процес унутрашњег рад / преношење сигнала баш као што звоно на вратима покреће оне који се налазе у кући да се крећу и одговоре на врата.
Иако је везивање лиганда (и прст који притиска звоно на вратима) пресудан за процес, то је тек почетак. Везивање лиганда за ћелијски рецептор је само почетак процеса чији се сигнал мора модификовати снагу, правац и крајњи ефекат како би били од помоћи ћелији и организму у којем се налазе пребива.
Пријем: Откривање сигнала
Рецептори ћелијске мембране укључују три главна типа:
- Рецептори повезани са Г-протеинима
- Ензимски повезани рецептори
- Рецептори јонских канала
У свим случајевима, активирање рецептора покреће хемијску каскаду која шаље сигнал са спољне стране ћелије, или на мембрани унутар ћелије, до језгра, које је де фацто „мозак“ ћелије и локус његово генетски материјал (ДНК или деоксирибонуклеинска киселина).
Сигнали путују до језгра, јер им је циљ на неки начин утицати на експресију гена - превод кодова садржаних у генима у протеински производ који гени код за.
Пре него што сигнал дође било где у близини језгра, он се тумачи и модификује у близини места свог порекла, на рецептору. Ова модификација може укључивати појачање кроз други гласници, или може значити благо смањење снаге сигнала ако то ситуација захтева.
Рецептори повезани са Г-протеинима
Г протеини су полипедтиди са јединственим аминокиселинским секвенцама. У путу преноса ћелијског сигнала у којем учествују, они обично везују сам рецептор са ензимом који извршава упутства која се односе на рецептор.
Они у овом случају користе други мессенгер циклични аденозин монофосфат (циклични АМП, или цАМП) за појачавање и усмеравање сигнала. Остали уобичајени други преносници укључују азотни оксид (НО) и јони калцијума (Ца2 +).
На пример, рецептор за молекул епинефрин, коју лакше препознајете као молекул стимуланса адреналин, изазива физичке промене у а Г-протеин суседан комплексу лиганд-рецептор у ћелијској мембрани када епинефрин активира рецептор.
То заузврат доводи до тога да Г-протеин покреће ензим аденилил циклаза, што доводи до производње цАМП-а. цАМП тада „наређује“ повећање ензима који разграђује гликоген, ћелијски облик складиштења угљених хидрата, до глукозе.
Други гласници често шаљу различите, али конзистентне сигнале различитим генима у ћелијској ДНК. Када цАМП позива на разградњу гликогена, он истовремено сигнализира за повратак у производњи гликогена путем другог ензима, смањујући тако потенцијал за узалудне циклусе (истовремени развој супротстављених процеса, као што је текућа вода у један крај базена, док се други покушава испразнити крај).
Рецептор тирозин киназе (РТК)
Кинасес су ензими који узимају фосфорилата молекула. То постижу премештањем фосфатне групе из АТП (аденозин трифосфат, молекул еквивалентан АМП са два фосфата додата оном који АМП већ има) на други молекул. Фосфорилазе су слични, али ови ензими пре скупљају слободне фосфате него што их узимају из АТП-а.
У физиологији ћелијских сигнала, РТК-ови су, за разлику од Г-протеина, рецептори који такође поседују ензимска својства. Укратко, рецепторски крај молекула је окренут према спољној страни мембране, док репни део, направљен од аминокиселине тирозина, има способност фосфорилације молекула унутар ћелије.
То доводи до каскаде реакција које усмеравају ДНК у ћелијском језгру да регулише (повећа) или смањи (смањи) производњу протеинског производа или производа. Можда је најбоље проучаван такав ланац реакција каскада митоген активираног протеина (МАП) киназе.
Верује се да су мутације ПТК одговорне за генезу одређених облика карцинома. Такође, треба напоменути да фосфорилација може да деактивира и активира циљне молекуле, у зависности од специфичног контекста.
Јонски канали активирани лигандом
Ови канали се састоје од „водене поре“ у ћелијске мембране а направљени су од протеина уграђених у мембрану. Рецептор за уобичајени неуротрансмитер ацетилхолин је пример таквог рецептора.
Уместо да генерише каскадни сигнал пер се унутар ћелије, везивање ацетилхолина за свој рецептор доводи до ширења пора у комплексу, омогућавајући јони (наелектрисане честице) да се уливају у ћелију и врше своје ефекте низводно на синтезу протеина.
Одговор: Интегрисање хемијског сигнала
Витално је препознати да акције које се дешавају као део трансдукције сигнала ћелијских рецептора нису типичне појаве „укључивања / искључивања“. То је фосфорилација или дефосфорилација молекула не одређује опсег могућих одговора, било на самом молекулу, било у смислу његовог низводног сигнала.
На пример, неки молекули могу бити фосфорилирани на више локација. Ово обезбеђује чвршћу модулацију деловања молекула, на исти општи начин као усисивач или блендер са више подешавања може омогућити циљаније чишћење или припрему смоотхиеја од бинарног "укључивања / искључивања" прекидач.
Поред тога, свака ћелија има више рецептора сваке врсте, чији одговор мора бити интегрисан у језгру или пре њега да би се одредила укупна величина одговора. Генерално, активација рецептора је пропорционална одговору, што значи да што се више лиганда веже за рецептор, то ће вероватно бити израженије промене у ћелији.
Због тога, када узимате високу дозу лека, она обично има јачи ефекат од мање дозе. Активира се више рецептора, добија се више цАМП или фосфорилираних унутарћелијских протеина, и више дешава се све што је потребно у језгру (и често се дешава брже као и већем обим).
Напомена о експресији гена
Протеини настају након што ДНК направи кодирану копију својих већ кодираних информација у облику мессенгер РНА, која се помера изван језгра до рибозома, где се протеини заправо праве од аминокиселина у складу са приложеним упутствима од стране мРНК.
Позива се процес прављења мРНК од ДНК шаблона транскрипција. Протеини звани фактори транскрипције могу се регулисати горе или доле као резултат уноса различитих независних или симултаних сигнала трансдукције. Као резултат, синтетише се различита количина протеина за коју кодира секвенца гена (дужина ДНК).