Передача сигналу: визначення, функція, приклади

Одноклітинні організми, як і майже всі прокаріоти (бактерії та археї), в природі багато. Еукаріотичний проте організми можуть містити мільярди клітин.

Оскільки для організму мало б користі мати стільки крихітних істот, які б працювали окремо від одного інший - клітини повинні мати засоби комунікації між собою - тобто як відправлення, так і отримання сигнали. Не вистачає радіо, телебачення та Інтернету, клітини беруть участь передача сигналу, використовуючи старомодні хімічні речовини.

Так само, як скрейтування букв або слів на сторінці не є корисним, якщо ці символи та сутності не утворюють слів, речення та послідовне, однозначне повідомлення, хімічні сигнали не корисні, якщо вони не містять конкретних інструкції.

З цієї причини клітини оснащені всілякими розумними механізмами для генерації та трансдукція (тобто передача через фізичне середовище) біохімічних повідомлень. Кінцевою метою клітинної сигналізації є вплив на створення або модифікацію генних продуктів або білків, що утворюються на рибосомах клітин відповідно до інформації, кодованої в ДНК через РНК.

Якщо ви були одним з десятків водіїв компанії таксі, вам потрібні були б навички керування автомобілем та навігації вулицями вашого міста. знаючи та вміло, щоб вчасно зустріти своїх пасажирів у потрібному місці та доставити їх до місця призначення, коли вони хочуть бути там. Однак цього було б недостатньо самостійно, якби компанія сподівалася працювати з максимальною ефективністю.

Водіям у різних кабінах потрібно буде спілкуватися між собою та з центральним диспетчером, щоб визначити, що пасажири повинні бути підібрані тими, хто, коли певні машини були заповнені або в інший спосіб недоступні для заклинання, застряг у пробці і так далі.

За відсутності можливості спілкуватися з кимось іншим, крім потенційних пасажирів, за допомогою телефону або онлайн-додатків, бізнес був би хаотичним.

У тому ж дусі біологічні клітини не можуть працювати в повній незалежності клітин, що їх оточують. Часто місцевим скупченням клітин або цілих тканин потрібно координувати діяльність, таку як скорочення м’язів або загоєння після рани. Таким чином клітини повинні спілкуватися між собою, щоб підтримувати свою діяльність узгодженою з потребами організму в цілому. За відсутності цієї здатності клітини не можуть належним чином управляти ростом, рухом та іншими функціями.

Дефіцит у цій галузі може призвести до тяжких наслідків, включаючи такі захворювання, як рак по суті неконтрольована реплікація клітин у даній тканині через нездатність клітин модулювати їх власне зростання. Таким чином, клітинна сигналізація та передача сигналів є життєво важливими для здоров’я організму в цілому, а також уражених клітин.

Стільникову сигналізацію можна розділити на три основні фази:

1. Прийом: Спеціалізовані структури на поверхні клітини виявляють наявність сигнальної молекули, або ліганд.
2. Трансдукція: Зв'язування ліганду з рецептором ініціює сигнал або каскадну серію сигналів у внутрішній частині клітини.
3. Відповідь: Повідомлення, яке сигналізується лігандом, білками та іншими елементами, на які він впливає, інтерпретується і вводиться в процес, наприклад через експресія гена або регулювання.

Як і самі організми, шлях передачі клітинного сигналу може бути надзвичайно простим або порівняно складним деякі сценарії включають лише один вхід або сигнал, або інші включають цілу серію послідовних, скоординованих кроків.

Наприклад, бактерія не має можливості обмірковувати характер загрози безпеці навколишнього середовища, але він може відчувати присутність глюкози - речовини, для якої всі прокаріотичні клітини використовують їжа.

Більш складні організми передають сигнали за допомогою фактори росту, гормони, нейромедіатори та компоненти матриксу між клітинами. Ці речовини можуть діяти на сусідні клітини або на відстані, рухаючись крізь кров та інші канали. Нейромедіатори як от дофамін і серотонін пройти через невеликі простори між сусідніми нервовими клітинами (нейронами) або між ними нейрони і м’язові клітини або залози-мішені.

Гормони часто діють на особливо великій відстані, при цьому молекули гормонів, що виділяються в мозку, впливають на статеві залози, наднирники та інші «далекі» тканини.

Так як ферменти, каталізатори клітинної біохімічної реакції специфічні для певних молекул субстрату, рецептори на поверхнях клітин специфічні для конкретної молекули сигналу. Рівень специфічності може змінюватися, і деякі молекули можуть слабо активувати рецептори, а інші молекули можуть сильно активувати.

Наприклад, опіоїдні знеболюючі препарати активують певні рецептори в організмі, які називають природні речовини ендорфіни також спрацьовують, але ці препарати зазвичай мають набагато сильніший ефект завдяки своєму фармакологічному пошиття одягу.

Рецептори - це білки, і прийом відбувається на поверхні. Подумайте про рецептори як про клітинні дзвінки. Це як дзвінок у двері. Дверні дзвінки знаходяться за межами вашого будинку, і активація цього змушує людей у ​​вашому домі відповідати на двері. Але щоб дзвінок у двері спрацював, хтось повинен пальцем натиснути на дзвін.

Ліганд є аналогом пальця. Як тільки він зв’яжеться з рецептором, подібним до дзвінка у двері, він почне процес внутрішнього відпрацювання / передача сигналу так само, як дзвінок спрацьовує тих, хто всередині будинку рухається і відповідає на двері.

Хоча зв'язування ліганду (і натискання пальця на дзвінок) є важливим для процесу, це лише початок. Зв’язування ліганду з клітинним рецептором - це лише початок процесу, сигнал якого повинен бути модифікований сила, спрямованість та кінцевий ефект для того, щоб бути корисними для клітини та організму, в якому вона знаходиться проживає.

Рецептори клітинних мембран включають три основні типи:

1. G-білкові рецептори
2. Ферментно-зв’язані рецептори
3. Рецептори іонних каналів

У всіх випадках активація рецептора ініціює хімічний каскад, який розсилає сигнал із зовнішньої сторони клітини, або на мембрані всередині клітини, до ядра, яке фактично є "мозком" клітини та локусом його генетичний матеріал (ДНК, або дезоксирибонуклеїнова кислота).

Сигнали надходять до ядра, оскільки їх метою є якимось чином вплинути на експресію генів - переклад кодів, що містяться в генах, до білкового продукту, який гени код для.

Перш ніж сигнал потрапляє десь поблизу ядра, він інтерпретується та модифікується поблизу місця його походження, в рецепторі. Ця модифікація може включати посилення через другі месенджери, або це може означати незначне зменшення сили сигналу, якщо ситуація цього вимагає.

G білки є поліпедиди з унікальними амінокислотними послідовностями. У шляху передачі сигналу клітини, в якому вони беруть участь, вони, як правило, пов'язують сам рецептор з ферментом, який виконує відповідні інструкції до рецептора.

У цьому випадку вони використовують другий месенджер циклічний аденозинмонофосфат (циклічний AMP, або cAMP) для посилення та спрямування сигналу. Інші поширені другі обмінники включають оксид азоту (NO) та іон кальцію (Ca2 +).

Наприклад, рецептор для молекули адреналін, який ви легше впізнаєте як молекулу стимулятора адреналіну, викликає фізичні зміни в G-білок, що прилягає до ліганд-рецепторного комплексу в клітинній мембрані, коли адреналін активує рецептор.

Це, в свою чергу, змушує G-білок запускати фермент аденилилциклаза, що призводить до виробництва цАМФ. Потім цАМФ "замовляє" збільшення ферменту, який розщеплює глікоген, запасливу форму клітини вуглеводів, до глюкози.

Другі месенджери часто посилають чіткі, але послідовні сигнали різним генам клітинної ДНК. Коли цАМФ вимагає деградації глікогену, він одночасно сигналізує про відкат у виробництві глікогену за допомогою іншого ферменту, тим самим зменшуючи потенціал марних циклів (одночасне розгортання протилежних процесів, таких як протікання води в один кінець басейну при спробі злити інший кінець).

Кінази є ферменти, які приймають фосфорилат молекули. Вони досягають цього шляхом переміщення фосфатної групи з АТФ (аденозинтрифосфат, молекула, еквівалентна АМФ, з двома фосфатами, приєднаними до того, який вже має АМФ) до іншої молекули. Фосфорилази подібні, але ці ферменти забирають вільні фосфати, а не захоплюють їх з АТФ.

У фізіології клітинних сигналів RTK, на відміну від G-білків, є рецепторами, які також мають ферментативні властивості. Коротше кажучи, рецепторний кінець молекули звернений до зовнішньої сторони мембрани, тоді як кінець хвоста, виготовлений з амінокислоти тирозину, має здатність фосфорилювати молекули всередині клітини.

Це призводить до каскаду реакцій, які спрямовують ДНК в ядро ​​клітини на регулювання вгору (збільшення) або зниження (зменшення) виробництва білкового продукту або продуктів. Мабуть, найбільш вивченим таким ланцюгом реакцій є каскад мітоген-активованих білків (MAP) -кіназ.

Вважається, що мутації PTK відповідають за генезу певних форм раку. Також слід зазначити, що фосфорилювання може як інактивувати, так і активувати молекули-мішені, залежно від конкретного контексту.

Ці канали складаються з "водної пори" в клітинна мембрана і виготовляються з білків, вбудованих у мембрану. Рецептор загального нейромедіатора ацетилхолін є прикладом такого рецептора.

Замість того, щоб генерувати каскадний сигнал сам по собі всередині клітини, зв’язування ацетилхоліну з його рецептором змушує пори в комплексі розширюватися, дозволяючи іони (заряджені частинки), щоб текти в клітину і здійснювати свій вплив нижче за течією на синтез білка.

Життєво важливо усвідомити, що дії, які відбуваються як частина передачі сигналу клітинних рецепторів, як правило, не є явищами "ввімкнення / вимкнення". Тобто, фосфорилювання або дефосфорилювання молекули не визначає діапазон можливих реакцій ні на саму молекулу, ні з точки зору її подальшого сигналу.

Наприклад, деякі молекули можуть фосфорилювати в декількох місцях. Це забезпечує більш чітку модуляцію дії молекули таким же загальним чином, як пилосос або блендер з декількома налаштуваннями може забезпечити більш цілеспрямоване очищення або приготування смузі, ніж двійкове "ввімкнення / вимкнення" перемикач.

Крім того, кожна клітина має кілька рецепторів кожного типу, відповідь кожного з яких повинна бути інтегрована в ядрі або перед ним, щоб визначити загальну величину відповіді. Як правило, активація рецептора пропорційна реакції, що означає, що чим більше лігандів зв'язується з рецептором, тим сильнішими будуть зміни в клітині.

Ось чому, коли ви приймаєте високу дозу ліків, воно зазвичай надає сильніший ефект, ніж менша доза. Активується більше рецепторів, виникає більше цАМФ або фосфорильованих внутрішньоклітинних білків і багато іншого все, що потрібно в ядрі, має місце (і часто трапляється швидше, а також з більшим ступінь).

Білки виробляються після того, як ДНК робить закодовану копію своєї вже закодованої інформації у вигляді передавальної РНК, яка рухається поза ядром до рибосом, де білки фактично виготовляються з амінокислот відповідно до наданих інструкцій від мРНК.

Називається процес отримання мРНК із матриці ДНК транскрипція. Білки називаються фактори транскрипції може регулюватися вгору або вниз в результаті введення різних незалежних або одночасних сигналів трансдукції. В результаті синтезується інша кількість білка, для якого кодується послідовність генів (довжина ДНК).