Signalomvandling: Definition, funktion, exempel

Encelliga organismer, som nästan alla prokaryoter (bakterier och archaea), finns rikligt i naturen. Eukaryot organismer kan emellertid innehålla miljarder celler.

Eftersom det skulle göra en organism lite bra att ha så många små enheter som arbetar isolerat från en en annan måste cellerna ha ett sätt att kommunicera med varandra - det vill säga både sända och ta emot signaler. Brist på radio, tv och internet, celler engagerar sig i signaltransduktion, med gammaldags kemikalier.

Precis som skrapande bokstäver eller ord på en sida inte är till hjälp om inte dessa tecken och enheter bildar ord, meningar och ett sammanhängande, otvetydigt meddelande, kemiska signaler är till ingen nytta om de inte innehåller specifika instruktioner.

Av denna anledning är celler utrustade med alla slags smarta mekanismer för generation och transduktion (det vill säga överföring via ett fysiskt medium) av biokemiska meddelanden. Det ultimata målet med cellsignalering är att påverka skapandet eller modifieringen av genprodukter, eller proteiner som framställts på cellernas ribosomer i enlighet med information kodad i DNA via RNA.

Om du var en av dussintals förare för ett taxibolag, skulle du behöva färdigheterna för att köra bil och navigera på gatorna i din stad eller stad kunnigt och skickligt för att möta dina passagerare i rätt tid på rätt plats och få dem till sina destinationer när de vill vara där. Detta skulle dock inte räcka för sig om företaget hoppades kunna arbeta med maximal effektivitet.

Förare i olika hytter skulle behöva kommunicera med varandra och med en central sändare för att avgöra vad passagerare bör hämtas av vem som fastnat i trafiken när vissa bilar var fulla eller på annat sätt otillgängliga för en besvärjelse och så vidare.

Utan förmågan att kommunicera med någon annan än potentiella passagerare via telefon eller online-app skulle verksamheten vara kaotisk.

I samma anda kan biologiska celler inte fungera helt oberoende av cellerna runt dem. Ofta behöver lokala kluster av celler eller hela vävnader samordna en aktivitet, såsom en muskelsammandragning eller läkning efter ett sår. Således måste celler kommunicera med varandra för att hålla sina aktiviteter anpassade till organismen som helhet. Utan denna förmåga kan celler inte hantera tillväxt, rörelse och andra funktioner ordentligt.

Brister inom detta område kan leda till allvarliga konsekvenser, inklusive sjukdomar som cancer väsentligen okontrollerad cellreplikation i en viss vävnad på grund av oförmåga hos celler att modulera deras egen tillväxt. Cellsignalering och transduktion av signaler är därför avgörande för organismen som helhet såväl som för de drabbade cellerna.

Cellsignalering kan delas in i tre grundfaser:

1. Reception: Specialiserade strukturer på cellytan detekterar närvaron av en signalmolekyl, eller ligand.
2. Transduktion: Bindningen av liganden till receptorn initierar en signal eller en kaskad serie av signaler på det inre av cellen.
3. Svar: Meddelandet som signaleras av liganden och proteinerna och andra element som den påverkar tolkas och sätts i process, såsom via genexpression eller reglering.

Precis som organismer själva kan en transportsättningsväg för celler vara utsökt enkel eller relativt komplex, med vissa scenarier som bara involverar en ingång eller signal, eller andra som medför en hel serie sekventiella, samordnade steg.

En bakterie saknar till exempel förmågan att överväga vilken typ av säkerhetshot som finns i dess miljö, men det känner av närvaron av glukos, det ämne som alla prokaryota celler använder för mat.

Mer komplexa organismer skickar signaler med tillväxtfaktorer, hormoner, neurotransmittorer och komponenter i matrisen mellan celler. Dessa ämnen kan verka på närliggande celler eller på avstånd genom att resa genom blod och andra kanaler. Neurotransmittorer Till exempel dopamin och serotonin korsa de små utrymmena mellan angränsande nervceller (nervceller) eller mellan neuroner och muskelceller eller målkörtlar.

Hormoner verkar ofta på särskilt långa avstånd, med hormonmolekyler utsöndrade i hjärnan som påverkar könsorganen, binjurarna och andra "avlägsna" vävnader.

Precis som enzymer, katalysatorerna för cellulär biokemisk reaktion, är specifika för vissa substratmolekyler, receptorerna på cellernas ytor är specifika för en viss signalmolekyl. Specificitetsnivån kan variera, och vissa molekyler kan svagt aktivera receptorer som andra molekyler kan aktivera starkt.

Till exempel aktiverar opioida smärtstillande läkemedel vissa receptorer i kroppen som naturliga ämnen kallar endorfiner utlöses också, men dessa läkemedel har vanligtvis en mycket starkare effekt på grund av deras farmakologiska skrädderi.

Receptorer är proteiner och mottagning sker på ytan. Tänk på receptorer som cellulära dörrklockor. Det är som en dörrklocka. Dörrklockor är utanför ditt hus och att aktivera det är det som får människor i ditt hus att svara på dörren. Men för att dörrklockan ska fungera måste någon använda sitt finger för att trycka på klockan.

Liganden är analog med fingret. När den väl binds till receptorn, som är som dörrklockan, kommer den att starta den interna processen funktion / signalomvandling precis som dörrklockan utlöser dem inuti huset för att flytta och svara på dörr.

Medan ligandbindningen (och fingret som trycker på dörrklockan) är viktigt för processen är det bara början. En ligandbindning till en cellreceptor är bara början på en process vars signal måste modifieras i styrka, riktning och ultimata effekt för att vara till hjälp för cellen och organismen där den är bor.

Cellmembranreceptorer inkluderar tre huvudtyper:

1. G-proteinkopplade receptorer
2. Enzymkopplade receptorer
3. Jonkanalreceptorer

I alla fall initierar aktiveringen av receptorn en kemisk kaskad som skickar en signal från utsidan av cellen, eller på ett membran inuti cellen, till kärnan, som är de facto "hjärnan" i cellen och lokuset för dess genetiskt material (DNA eller deoxiribonukleinsyra).

Signalerna reser till kärnan eftersom deras mål är att på något sätt påverka genuttryck - översättning av koder som finns i gener till proteinprodukten som gener kod för.

Innan signalen kommer någonstans nära kärnan tolkas den och modifieras nära dess ursprung, vid receptorn. Denna modifiering kan innebära förstärkning genom andra budbärare, eller det kan innebära en liten minskning av signalstyrkan om situationen kräver det.

G-proteiner är polypedtider med unika aminosyrasekvenser. I cellsignaltransduktionsvägen där de deltar länkar de vanligtvis receptorn i sig till ett enzym som utför de instruktioner som är relevanta för receptorn.

Dessa använder sig av en andra budbärare, i detta fall cykliskt adenosinmonofosfat (cyklisk AMP eller cAMP) för att förstärka och rikta signalen. Andra vanliga andra budbärare inkluderar kväveoxid (NO) och kalciumjon (Ca2 +).

Till exempel receptorn för molekylen adrenalin, som du lättare känner igen som den stimulerande molekylen adrenalin, orsakar fysiska förändringar i a G-protein intill ligandreceptorkomplexet i cellmembranet när adrenalin aktiverar receptorn.

Detta får i sin tur ett G-protein att utlösa enzymet adenylylcyklas, vilket leder till cAMP-produktion. cAMP "ordnar" sedan en ökning av ett enzym som bryter ner glykogen, cellens lagringsform av kolhydrat, till glukos.

Andra budbärare skickar ofta distinkta men konsekventa signaler till olika gener i cell-DNA. När cAMP kräver nedbrytning av glykogen, signalerar det samtidigt en återgång i produktionen av glykogen via ett annat enzym, vilket minskar potentialen för meningslösa cykler (den samtidiga utvecklingen av motsatta processer, såsom rinnande vatten i ena änden av en pool medan du försöker dränera den andra slutet).

Kinaser är enzymer som tar fosforylat molekyler. De åstadkommer detta genom att flytta en fosfatgrupp från ATP (adenosintrifosfat, en molekyl motsvarande AMP med två fosfater bifogade den som AMP redan har) till en annan molekyl. Fosforylaser är lika, men dessa enzymer tar upp fria fosfater i stället för att ta dem från ATP.

I cellsignalfysiologi är RTK, till skillnad från G-proteiner, receptorer som också har enzymatiska egenskaper. Kort sagt, molekylens receptorände är vänd mot membranets utsida, medan svansänden, tillverkad av aminosyran tyrosin, har förmågan att fosforylera molekyler inuti cellen.

Detta leder till en kaskad av reaktioner som leder DNA i cellkärnan för att uppreglera (öka) eller nedreglera (minska) produktionen av en proteinprodukt eller produkter. Den kanske bäst studerade reaktionskedjan är den mitogenaktiverade proteinkinaskaskaden (MAP).

Mutationer i PTK antas vara ansvariga för uppkomsten av vissa former av cancer. Det bör också noteras att fosforylering kan inaktivera såväl som aktivera målmolekyler, beroende på det specifika sammanhanget.

Dessa kanaler består av en "vattenpor" i cellmembranet och är gjorda av proteiner inbäddade i membranet. Receptorn för den gemensamma neurotransmittorn acetylkolin är ett exempel på en sådan receptor.

I stället för att generera en kaskad signal i sig i cellen, orsakar acetylkolinbindning till dess receptor att porerna i komplexet vidgas, vilket möjliggör joner (laddade partiklar) för att strömma in i cellen och utöva deras effekter nedströms på proteinsyntes.

Det är viktigt att erkänna att de åtgärder som sker som en del av cellreceptorsignaltransduktion inte typiskt är "på / av" -fenomen. Det är fosforylering eller defosforylering av en molekyl bestämmer inte intervallet för möjliga svar, varken vid molekylen själv eller i termer av dess nedströms signal.

Vissa molekyler kan till exempel fosforyleras på mer än en plats. Detta ger en stramare modulering av molekylens verkan på samma allmänna sätt som en dammsugare eller mixer med flera inställningar kan möjliggöra mer målinriktad rengöring eller smoothie än en binär "på / av" växla.

Dessutom har varje cell flera receptorer av varje typ, vars svar måste integreras vid eller före kärnan för att bestämma svarets totala storlek. Generellt är receptoraktivering proportionell mot responsen, vilket betyder att ju mer ligand som binder till en receptor, desto mer markant är det troligt att förändringarna i cellen blir.

Det är därför som när du tar en hög dos av ett läkemedel, brukar det ha en starkare effekt än en mindre dos. Fler receptorer aktiveras, mer cAMP eller fosforylerade intracellulära proteiner resulterar och mer av vad som helst som krävs i kärnan sker (och händer ofta snabbare och till en större utsträckning).

Proteiner tillverkas efter att DNA gör en kodad kopia av dess redan kodade information i form av budbärar-RNA, som rör sig utanför kärnan till ribosomer, där proteiner faktiskt tillverkas av aminosyror i enlighet med instruktionerna som tillhandahålls förbi mRNA.

Processen att skapa mRNA från en DNA-mall kallas transkription. Proteiner kallas transkriptionsfaktorer kan regleras upp eller ned som ett resultat av inmatningen av olika oberoende eller samtidiga transduktionssignaler. En annan mängd protein som gensekvensen (längd av DNA) kodar för syntetiseras som ett resultat.