Signaltransduktion: Definition, funktion, eksempler

Encellede organismer er som næsten alle prokaryoter (bakterier og archaea) rigelige i naturen. Eukaryotiske organismer kan imidlertid indeholde milliarder af celler.

Da det ville gøre en organisme, der er lidt god at have så mange små enheder, der slutter isoleret fra hinanden, skal celler have et middel til at kommunikere med hinanden - at er, både afsendelse og modtagelse af signaler. Mangler radio, tv og internettet, celler engagerer sig i signaltransduktion
ved hjælp af gammeldags kemikalier.

Ligesom at skrabe bogstaver eller ord på en side ikke er nyttigt, medmindre disse tegn og enheder dannes ord, sætninger og en sammenhængende, utvetydig besked, kemiske signaler er ikke nyttige, medmindre de indeholder specifikke instruktioner.

Af denne grund er celler udstyret med alle mulige smarte mekanismer til generering og transduktion
(dvs. transmission gennem et fysisk medium) af biokemiske meddelelser. Det ultimative mål med cellesignalering er at påvirke dannelsen eller modificeringen af genprodukter eller proteiner fremstillet på ribosomerne i celler i overensstemmelse med information kodet i DNA via RNA.
Årsager til signaltransduktion -

Hvis du var en af snesevis af chauffører for et taxabilselskab, ville du have brug for færdighederne til at køre en bil og navigere i gaderne i din by eller by kyndig og dygtigt for at møde dine passagerer til tiden på det rigtige sted og få dem til deres destinationer, når de vil være der. Dette ville dog ikke være nok på egen hånd, hvis virksomheden håbede at operere med maksimal effektivitet.

Chauffører i forskellige førerhuse skulle kommunikere med hinanden og med en central koordinator for at afgøre, hvilke passagerer der skal vælges op af hvem, når bestemte biler var fulde eller på anden måde utilgængelige til at stave, stak i trafikken og så videre.

Mangler evnen til at kommunikere med andre end potentielle passagerer via telefon eller online app, ville virksomheden være kaotisk.

I samme ånd kan biologiske celler ikke fungere i fuldstændig uafhængighed af cellerne omkring dem. Ofte har lokale klynger af celler eller hele væv behov for at koordinere en aktivitet, såsom muskelsammentrækning eller heling efter et sår. Således skal celler kommunikere med hinanden for at holde deres aktiviteter på linje med behovene i organismen som helhed. Fraværende denne evne kan celler ikke styre vækst, bevægelse og andre funktioner korrekt.

Mangler i dette område kan føre til alvorlige konsekvenser, herunder sygdomme som kræft, som i det væsentlige er ukontrolleret cellereplikation i et givet væv på grund af en manglende evne til celler til at modulere deres egen vækst. Celle signalering og transduktion af signaler er derfor afgørende for helbredet for organismen som helhed såvel som for de berørte celler.
Hvad sker der under signaltransduktion

Celle signalering kan opdeles i tre grundlæggende faser:

1. Modtagelse: Specialiserede strukturer på celleoverfladen detekterer tilstedeværelsen af et signalmolekyle, eller ligand.. <<> Transduktion: Bindingen af liganden til receptoren initierer et signal eller en kaskaderende række af signaler på det indre af cellen.
   
2. Respons: Meddelelsen, der er signaleret af liganden og proteinerne og andre elementer, den påvirker, fortolkes og sættes i gang, f.eks. via genekspression og -regulering.
   
   

   Som organismer i sig selv, kan en cellesignaltransduktionsvej være udsøgt enkel eller relativt kompliceret, med nogle scenarier, der involverer kun et input eller signal, eller andre, der indebærer en hel serie af sekventielle, koordinerede trin.
   

   En bakterie, f.eks. mangler kapacitet til at overveje naturen af sikkerhedstrusler i dets miljø, men det kan føle tilstedeværelsen af glukose, stoffet alle prokaryote celler bruger til mad.
   

   Flere komplekse organismer sender signaler ved hjælp af vækstfaktorer
   , hormoner
   , neurotransmittere og komponenter i matrixen mellem celler. Disse stoffer kan virke på celler i nærheden eller på afstand ved at rejse gennem blodet og andre kanaler. Neurotransmittere, såsom dopamin
   og serotonin, krydser de små mellemrum mellem tilstødende nerveceller (neuroner) eller mellem neuroner og muskelceller eller målkirtler.
   

   Hormoner virker ofte på særligt lange afstande med hormonmolekyler, der udskilles i hjernen, og som påvirker gonader, binyrerne og andre "fjerne" væv.
   Cellreceptors: Gateways to the Signal Transduction Pathway
   

   Ligesom enzymer, katalysatorerne for cellulær biokemisk reaktion, er specifikke for visse substratmolekyler, er receptorerne på overfladerne af celler specifikke for et bestemt signalmolekyle. Specificitetsniveauet kan variere, og nogle molekyler kan svagt aktivere receptorer, som andre molekyler kan aktivere kraftigt.
   

   For eksempel aktiverer opioide smertestillende medikamenter visse receptorer i kroppen, som naturlige stoffer kaldet endorfiner også udløser, men disse lægemidler har normalt en langt stærkere effekt på grund af deres farmakologiske skræddersyning.
   

   Receptorer er proteiner, og modtagelse finder sted på overfladen. Tænk på receptorer som cellulære dørklokker. Det er som en dørklokke. Dørklokker er uden for dit hus, og det er det, der får folk i dit hus til at svare på døren. Men for at dørklokken skal fungere, skal nogen bruge deres finger til at trykke på klokken.
   

   Liganden er analog med fingeren. Når den binder sig til receptoren, der er som dørklokken, vil den starte processen med den interne operation /signaltransduktion, ligesom dørklokken udløser dem inde i huset til at bevæge sig og besvare døren.
   

   Mens liganden binding (og fingeren trykker på dørklokken) er afgørende for processen, det er kun starten. En ligandbinding til en cellereceptor er kun starten på en proces, hvis signal skal modificeres i styrke, retning og ultimativ virkning for at være nyttigt for cellen og den organisme, den befinder sig i.
   Reception: Detecting a Signal
   

   Cellemembranreceptorer inkluderer tre hovedtyper:
   

   1. G-protein-koblede receptorer
      
   2. Enzymbundne receptorer
      
   3. Ionkanalreceptorer
      
      

      I alle tilfælde starter aktiveringen af receptoren en kemisk kaskade, der sender et signal fra det ydre af cellen eller på en membran inden i cellen, til kernen, som er de facto-hjernen "af cellen og locus for dets genetiske materiale (DNA eller deoxyribonukleinsyre).
      

      Signalerne rejser til kernen, fordi deres mål er på en eller anden måde at påvirke genekspression - oversættelsen af koderne indeholdt i gener til proteinproduktet, som generne koder for.
      

      Før signalet kommer overalt i nærheden af kernen, er det inter udskrevet og modificeret nær stedet for dets oprindelse, ved receptoren. Denne modifikation kan involvere amplifikation gennem anden messenger
      , eller det kan betyde en svag formindskelse af signalstyrken, hvis situationen kræver det.
      G-protein-koblede receptorer
      

      G proteiner er polypedtider
      med unikke aminosyresekvenser. I cellesignaltransduktionsvejen, som de deltager i, forbinder de normalt selve receptoren med et enzym, der udfører instruktionerne, der er relevante for receptoren.
      

      Disse bruger en anden messenger, i dette tilfælde cyklisk adenosinmonophosphat
      (cyklisk AMP eller cAMP) for at forstærke og dirigere signalet. Andre almindelige andet budbringere inkluderer nitrogenoxid (NO) og calciumion (Ca2 +).
      

      F.eks. Receptoren for molekylet epinephrin
      , som du lettere anerkender som den stimulerende type molekyle adrenalin, forårsager fysiske ændringer i et G-protein ved siden af ligand-receptorkomplekset i cellemembranen, når epinephrin aktiverer receptoren.
      

      Dette får igen et G-protein til at udløse enzymet adenylyl cyclase
      , hvilket fører til cAMP-produktion. cAMP "beordrer" derefter en stigning i et enzym, der nedbryder glykogen, cellens lagringsform for kulhydrat, til glukose.
      

      Anden budbringere sender ofte tydelige, men konsistente signaler til forskellige gener i celle-DNA. Når cAMP kræver nedbrydning af glycogen, signaliserer det samtidig en tilbagegang i produktionen af glycogen via et andet enzym, hvilket reducerer potentialet for meningsløse cykler (samtidig udfoldelse af modsatte processer, såsom rindende vand i den ene ende af en pool mens du prøver at dræne den anden ende).
      Receptor-tyrosinkinaser (RTK'er)
      

      Kinaser og er enzymer, der tager phosphorylat og molekyler. De opnår dette ved at flytte en phosphatgruppe fra ATP (adenosin-triphosphat, et molekyle, der er ækvivalent med AMP med to phosphater knyttet til det, AMP allerede har) til et andet molekyle. Phosforylaser
      er ens, men disse enzymer opsamler frie fosfater snarere end at gribe dem fra ATP.
      

      I cellesignalfysiologi er RTK'er, i modsætning til G-proteiner, receptorer, der også har enzymatiske egenskaber . Kort fortalt vender receptorenden af molekylet mod ydersiden af membranen, mens halens ende, fremstillet af aminosyren tyrosin, har evnen til at fosforylere molekyler inde i cellen.
      

      Dette fører til en kaskade af reaktioner, der dirigerer DNA'et i cellekernen til at opregulere (øge) eller nedregulere (mindske) produktionen af et proteinprodukt eller -produkter. Den bedst studerede sådanne reaktionskæde er muligvis mitogen-aktiveret protein (MAP) kinase-kaskade.
      

      Mutationer i PTK'er antages at være ansvarlige for tilførslen af visse former for kræft. Det skal også bemærkes, at phosphorylering kan inaktivere såvel som at aktivere målmolekyler, afhængigt af den specifikke kontekst.
      Ligand-aktiverede ionkanaler
      

      Disse kanaler består af en "vandig pore" i cellemembranen og er lavet af proteiner indlejret i membranen. Receptoren for den almindelige neurotransmitter acetylcholin
      er et eksempel på en sådan receptor.
      

      I stedet for at generere et kaskadesignal i sig selv i cellen, forårsager acetylcholinbinding til dens receptor porerne i komplekset at udvides, så ioner (ladede partikler) kan strømme ind i cellen og udøve deres virkning nedstrøms på proteinsyntesen.
      Response: Integration a Chemical Signal
      

      Det er vigtigt at erkende, at de handlinger, der finder sted som en del af celleceptorsignaltransduktion er ikke typisk "tænd /sluk" -fænomener. Det vil sige, at phosphorylering eller dephosphorylering af et molekyle ikke bestemmer omfanget af mulige responser, hverken ved selve molekylet eller med hensyn til dets nedstrømsignal.
      

      Nogle molekyler, for eksempel, kan fosforyleres mere end et sted. Dette giver en strammere modulering af molekylets virkning på samme generelle måde som en støvsuger eller blender med flere indstillinger kan give mulighed for mere målrettet rengøring eller smoothie-fremstilling end en binær "tænd /sluk" -afbryder.
      

      Derudover har hver celle flere receptorer af hver type, hvis respons hver af dem skal integreres ved eller før kernen for at bestemme responsens samlede størrelse. Generelt er receptoraktivering proportional med responsen, hvilket betyder, at jo mere ligand der binder til en receptor, jo mere markante er ændringerne i cellen sandsynligvis.
      

      Dette er grunden til, når du tager en høj dosis af en medicin, udøver den normalt en stærkere effekt end en mindre dosis. Flere receptorer aktiveres, flere cAMP eller phosphorylerede intracellulære proteiner resulterer, og mere af hvad der kræves i kernen finder sted (og sker ofte hurtigere såvel som i større grad).
      En note om genekspression
      

      Proteiner fremstilles, efter at DNA laver en kodet kopi af dens allerede kodede information i form af messenger RNA, der bevæger sig uden for kernen til ribosomer, hvor proteiner faktisk er fremstillet af aminosyrer i henhold til instruktionerne leveret af mRNA.
      

      Processen med at fremstille mRNA ud fra en DNA-skabelon kaldes transkription
      . Proteiner kaldet transkriptionsfaktorer
      kan opreguleres eller nedreguleres som et resultat af input af forskellige uafhængige eller samtidige transduktionssignaler. En anden mængde af det protein, som gensekvensen (DNA-længde) koder for, syntetiseres som et resultat.