Informacija

12.4.3: Signalo plitimas – biologija

12.4.3: Signalo plitimas – biologija


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Įgūdžiai, kuriuos reikia tobulinti

  • Paaiškinkite, kaip ligando surišimas inicijuoja signalo perdavimą visoje ląstelėje
  • Pripažinkite fosforilinimo vaidmenį perduodant tarpląstelinius signalus
  • Įvertinkite antrųjų pasiuntinių vaidmenį perduodant signalą

Kai ligandas prisijungia prie receptoriaus, signalas perduodamas per membraną ir į citoplazmą. Signalo perdavimas vyksta tik su ląstelės paviršiaus receptoriais, nes vidiniai receptoriai gali tiesiogiai sąveikauti su DNR branduolyje, kad inicijuotų baltymų sintezę.

Kai ligandas prisijungia prie savo receptoriaus, įvyksta konformaciniai pokyčiai, kurie veikia receptorių intracelulinį domeną. Ekstraląstelinio domeno konformaciniai pokyčiai, prisijungus prie ligando, gali plisti per receptoriaus membranos sritį ir paskatinti tarpląstelinio domeno arba su juo susijusių baltymų aktyvavimą. Kai kuriais atvejais ligando prisijungimas sukelia receptoriaus dimerizaciją, o tai reiškia, kad du receptoriai jungiasi vienas su kitu ir sudaro stabilų kompleksą, vadinamą dimeru. Dimeras yra cheminis junginys, susidarantis, kai susijungia dvi molekulės (dažnai identiškos). Receptorių surišimas tokiu būdu leidžia jų viduląsteliniams domenams glaudžiai susisiekti ir suaktyvinti vienas kitą.

Surišimas inicijuoja signalizacijos kelią

Ligandui prisijungus prie ląstelės paviršiaus receptoriaus, receptorių tarpląstelinių komponentų aktyvinimas sukelia įvykių grandinę, vadinamą signalizacijos keliu arba signalizacijos kaskada. Signalizacijos kelyje antrieji pasiuntiniai, fermentai ir aktyvuoti baltymai sąveikauja su specifiniais baltymais, kurie savo ruožtu suaktyvinami vykstant grandininei reakcijai, dėl kurios galiausiai pasikeičia ląstelės aplinka ((PageIndex{1}) pav.). Kaskados įvykiai vyksta nuosekliai, panašiai kaip srovė teka upe. Sąveikos, įvykusios prieš tam tikrą tašką, apibrėžiamos kaip įvykiai prieš srovę, o įvykiai po to taško vadinami įvykiais pasroviui.

Meno jungtis

Esant tam tikroms vėžio formoms, RAS G baltymo GTPazės aktyvumas yra slopinamas. Tai reiškia, kad RAS baltymas nebegali hidrolizuoti GTP į BVP. Kokį poveikį tai turėtų tolesniems ląstelių įvykiams?

Signalizacijos keliai gali labai greitai pasidaryti sudėtingi, nes dauguma ląstelių baltymų gali paveikti įvairius tolesnius įvykius, priklausomai nuo ląstelių sąlygų. Vienas kelias gali išsišakoti link skirtingų galinių taškų, remiantis dviejų ar daugiau signalizacijos kelių sąveika, o tie patys ligandai dažnai naudojami skirtingiems signalams inicijuoti skirtingų tipų ląstelėse. Šį atsako skirtumą lemia baltymų ekspresijos skirtumai skirtinguose ląstelių tipuose. Kitas sudėtingas elementas yra kelių signalų integravimas, kai dviejų ar daugiau skirtingų ląstelės paviršiaus receptorių signalai susilieja, kad suaktyvintų tą patį atsaką ląstelėje. Šis procesas gali užtikrinti, kad būtų įvykdyti keli išoriniai reikalavimai, kol ląstelė įsipareigoja atlikti konkretų atsakymą.

Ekstraląstelinių signalų poveikį taip pat gali sustiprinti fermentinės kaskados. Signalo pradžioje vienas ligandas jungiasi prie vieno receptoriaus. Tačiau suaktyvinus su receptoriais susietą fermentą, gali suaktyvėti daug signalų kaskados komponento kopijų, kurios sustiprina signalą.

Intraląstelinio signalizavimo metodai

Signalizacijos kelio indukcija priklauso nuo ląstelės komponento modifikavimo fermentu. Gali atsirasti daug fermentinių modifikacijų, kurias savo ruožtu atpažįsta kitas komponentas pasroviui. Toliau pateikiami keli dažnesni tarpląstelinio signalizacijos įvykiai.

Viena iš labiausiai paplitusių cheminių modifikacijų, atsirandančių signalizacijos keliuose, yra fosfatų grupės (PO) pridėjimas.4–3) į molekulę, pvz., baltymą, vykstant procesui, vadinamam fosforilinimu. Fosfatas gali būti pridedamas prie nukleotidų, tokių kaip GMP, kad susidarytų GDP arba GTP. Fosfatai taip pat dažnai pridedami prie baltymų serino, treonino ir tirozino liekanų, kur jie pakeičia aminorūgšties hidroksilo grupę ((PageIndex{2}) pav.). Fosfato pernešimą katalizuoja fermentas, vadinamas kinaze. Įvairios kinazės pavadintos pagal substratą, kurį jos fosforilina. Serino ir treonino likučių fosforilinimas dažnai suaktyvina fermentus. Tirozino liekanų fosforilinimas gali paveikti fermento aktyvumą arba sukurti surišimo vietą, kuri sąveikauja su signalizacijos kaskados komponentais. Fosforilinimas gali suaktyvinti arba inaktyvuoti fermentus, o fosforilinimo panaikinimas, defosforilinimas fosfataze, pakeis poveikį.

Antrieji pasiuntiniai

Antrieji pasiuntiniai yra mažos molekulės, kurios skleidžia signalą po to, kai jį inicijuoja signalinės molekulės prisijungimas prie receptoriaus. Šios molekulės padeda skleisti signalą per citoplazmą, pakeisdamos tam tikrų ląstelių baltymų elgesį.

Kalcio jonai yra plačiai naudojamas antrasis pasiuntinys. Laisvoji kalcio jonų koncentracija (Ca2+) ląstelėje yra labai mažas, nes jonų siurbliai plazmos membranoje nuolat naudoja adenozino-5'-trifosfatą (ATP), kad jį pašalintų. Signalizacijos tikslais Ca2+ yra saugomas citoplazminėse pūslelėse, tokiose kaip endoplazminis tinklas, arba pasiekiamas iš ląstelės išorės. Kai vyksta signalizacija, ligandų valdomi kalcio jonų kanalai leidžia padidinti Ca kiekį2+ kurios yra už ląstelės ribų (arba tarpląstelinėse saugyklose), kad patektų į citoplazmą, o tai padidina citoplazminio Ca koncentraciją2+. Reakcija į Ca padidėjimą2+ skiriasi priklausomai nuo dalyvaujančios ląstelės tipo. Pavyzdžiui, kasos β ląstelėse Ca2+ signalizacija sukelia insulino išsiskyrimą, o raumenų ląstelėse – Ca padidėjimą2+ veda prie raumenų susitraukimų.

Kitas antrasis pasiuntinys, naudojamas daugelyje skirtingų ląstelių tipų, yra ciklinis AMP (cAMP). Ciklinį AMP sintetina fermentas adenililciklazė iš ATP ((PageIndex{3}) pav.). Pagrindinis cAMP vaidmuo ląstelėse yra prisijungti prie fermento, vadinamo nuo cAMP priklausoma kinaze (A-kinazė), ir jį aktyvuoti. A-kinazė reguliuoja daugelį gyvybiškai svarbių medžiagų apykaitos kelių: ji fosforilina savo tikslinių baltymų serino ir treonino likučius, aktyvuodama juos proceso metu. A-kinazė randama daugelyje skirtingų ląstelių tipų, o kiekvienos rūšies ląstelės tiksliniai baltymai yra skirtingi. Dėl skirtumų skirtingose ​​ląstelėse skiriasi atsakas į cAMP.

Inozitolio fosfolipidai, esantys nedidelėmis koncentracijomis plazmos membranoje, yra lipidai, kurie taip pat gali būti paverčiami antraisiais pasiuntiniais. Kadangi šios molekulės yra membranos komponentai, jos yra šalia membranoje susietų receptorių ir gali lengvai su jais sąveikauti. Fosfatidilinozitolis (PI) yra pagrindinis fosfolipidas, kuris atlieka ląstelių signalizacijos vaidmenį. Fermentai, žinomi kaip kinazės, fosforilina PI, kad susidarytų PI-fosfatas (PIP) ir PI-bisfosfatas (PIP)2).

Fermentas fosfolipazė C skaldo PIP2 sudaryti diacilglicerolį (DAG) ir inozitolio trifosfatą (IP3) ((PageIndex{4}) pav.). Šie PIP skilimo produktai2 tarnauti kaip antrieji pasiuntiniai. Diacilglicerolis (DAG) lieka plazmos membranoje ir aktyvuoja proteinkinazę C (PKC), kuri vėliau fosforilina serino ir treonino likučius tiksliniuose baltymuose. IP3 difunduoja į citoplazmą ir jungiasi prie ligandų valdomų kalcio kanalų endoplazminiame tinkle, išskirdamas Ca2+ kuris tęsia signalo kaskadą.

Santrauka

Ligando prisijungimas prie receptoriaus leidžia perduoti signalą per ląstelę. Įvykių grandinė, perduodanti signalą per ląstelę, vadinama signalizacijos keliu arba kaskada. Signalizacijos keliai dažnai yra labai sudėtingi dėl skirtingų baltymų sąveikos. Pagrindinis ląstelių signalizacijos kaskadų komponentas yra molekulių fosforilinimas fermentais, žinomais kaip kinazės. Fosforilinimas prideda fosfatų grupę prie serino, treonino ir tirozino likučių baltyme, pakeičiant jų formas ir suaktyvinant arba inaktyvuojant baltymą. Mažos molekulės, tokios kaip nukleotidai, taip pat gali būti fosforilintos. Antrieji pasiuntiniai yra mažos nebaltyminės molekulės, naudojamos signalui perduoti ląstelėje. Kai kurie antrųjų pasiuntinių pavyzdžiai yra kalcio jonai (Ca2+), ciklinis AMP (cAMP), diacilglicerolis (DAG) ir inozitolio trifosfatas (IP3).

Meno jungtys

[nuoroda] Sergant tam tikromis vėžio formomis, RAS G baltymo GTPazės aktyvumas yra slopinamas. Kokį poveikį tai turėtų tolesniems ląstelių įvykiams?

[nuoroda] ERK suaktyvėtų visam laikui, dėl to ląstelių proliferacija, migracija, adhezija ir naujų kraujagyslių augimas. Apoptozė būtų slopinama.

Žodynėlis

ciklinis AMP (cAMP)
antrasis pasiuntinys, gaunamas iš ATP
ciklinė nuo AMP priklausoma kinazė
(taip pat proteinkinazė A arba PKA) kinazė, kuri aktyvuojama prisijungiant prie cAMP
diacilglicerolis (DAG)
PIP skilimo produktas2 kuris naudojamas signalams perduoti plazmos membranoje
dimeris
Cheminis junginys, susidarantis susijungus dviem molekulėms
dimerizacija
(receptorių baltymų) dviejų receptorių baltymų sąveika, kad susidarytų funkcinis kompleksas, vadinamas dimeru
inozitolio fosfolipidas
plazmos membranoje esančios mažos koncentracijos lipidų, kurie paverčiami antruoju pasiuntiniu; jo hidrofilinė pagrindinė grupė turi inozitolį (angliavandenį).
inozitolio trifosfatas (IP3)
PIP skilimo produktas2 kuris naudojamas signalams perduoti ląstelės viduje
kinazė
fermentas, katalizuojantis fosfato grupės perkėlimą iš ATP į kitą molekulę
antrasis pasiuntinys
maža nebaltyminė molekulė, kuri skleidžia signalą ląstelėje, aktyvavus receptorių, sukelia jo išsiskyrimą
signalo integracija
signalų sąveika iš dviejų ar daugiau skirtingų ląstelės paviršiaus receptorių, kurie susilieja, kad suaktyvintų tą patį atsaką ląstelėje
signalo perdavimas
signalo sklidimas per ląstelės citoplazmą (o kartais ir branduolį).
signalizacijos kelias
(taip pat signalizacijos kaskada) įvykių grandinė, kuri vyksta ląstelės citoplazmoje, kad iš plazmos membranos sklinda signalas ir sukeltų atsaką

Branduolinės lokalizacijos seka

A branduolio lokalizacijos signalas arba seka (NLS) yra aminorūgščių seka, kuri „pažymi“ baltymą, kad būtų galima jį pernešti į ląstelės branduolį. [1] Paprastai šį signalą sudaro viena ar daugiau trumpų teigiamai įkrautų lizinų arba argininų sekų, veikiančių baltymo paviršiuje. [1] Skirtingi branduolyje lokalizuoti baltymai gali turėti tą patį NLS. [1] NLS atlieka priešingą branduolinio eksporto signalo (NES) funkciją, kuri nukreipia baltymus iš branduolio.


Antrieji pasiuntiniai

Antrieji pasiuntiniai yra mažos molekulės, kurios skleidžia signalą po to, kai jį inicijuoja signalinės molekulės prisijungimas prie receptoriaus. Šios molekulės padeda skleisti signalą per citoplazmą, pakeisdamos tam tikrų ląstelių baltymų elgesį.

Kalcio jonai yra plačiai naudojamas antrasis pasiuntinys. Laisvoji kalcio jonų (Ca 2+ ) koncentracija ląstelėje yra labai maža, nes jonų siurbliai plazmos membranoje nuolat naudoja adenozino-5'-trifosfatą (ATP), kad jį pašalintų. Signalizacijos tikslais Ca 2+ yra saugomas citoplazminėse pūslelėse, tokiose kaip endoplazminis tinklas, arba pasiekiamas iš ląstelės išorės. Kai vyksta signalizacija, ligandų valdomi kalcio jonų kanalai leidžia didesniam Ca 2+ kiekiui, esančiam už ląstelės ribų (arba tarpląsteliniuose saugojimo skyriuose), patekti į citoplazmą, o tai padidina citoplazminio Ca 2+ koncentraciją. Atsakas į Ca 2+ padidėjimą skiriasi priklausomai nuo dalyvaujančios ląstelės tipo. Pavyzdžiui, kasos β ląstelėse Ca 2+ signalizacija sukelia insulino išsiskyrimą, o raumenų ląstelėse Ca 2+ padidėjimas sukelia raumenų susitraukimus.

Kitas antrasis pasiuntinys, naudojamas daugelyje skirtingų ląstelių tipų, yra ciklinis AMP (cAMP). Ciklinį AMP sintetina fermentas adenililciklazė iš ATP (pav.). Pagrindinis cAMP vaidmuo ląstelėse yra prisijungti prie fermento, vadinamo fermentu, ir jį aktyvuoti Nuo cAMP priklausoma kinazė (A-kinazė). A-kinazė reguliuoja daugelį gyvybiškai svarbių medžiagų apykaitos kelių: ji fosforilina savo tikslinių baltymų serino ir treonino likučius, aktyvuodama juos proceso metu. A-kinazė randama daugelyje skirtingų tipų ląstelių, o kiekvienos rūšies ląstelės tiksliniai baltymai yra skirtingi. Dėl skirtumų skirtingose ​​ląstelėse skiriasi atsakas į cAMP.

Šioje diagramoje parodytas ciklinio AMP (cAMP) susidarymo mechanizmas. cAMP tarnauja kaip antrasis pasiuntinys, kuris aktyvuoja arba inaktyvuoja baltymus ląstelėje. Signalas nutrūksta, kai fermentas, vadinamas fosfodiesteraze, paverčia cAMP į AMP.

Mažomis koncentracijomis yra plazmos membranoje, inozitolio fosfolipidai yra lipidai, kurie taip pat gali būti paverčiami antraisiais pasiuntiniais. Kadangi šios molekulės yra membranos komponentai, jos yra šalia membranoje susietų receptorių ir gali lengvai su jais sąveikauti. Fosfatidilinozitolis (PI) yra pagrindinis fosfolipidas, kuris atlieka ląstelių signalizacijos vaidmenį. Fermentai, žinomi kaip kinazės, fosforilina PI, kad susidarytų PI-fosfatas (PIP) ir PI-bisfosfatas (PIP)2).

Fermentas fosfolipazė C skaldo PIP2 sudaryti diacilglicerolį (DAG) ir inozitolio trifosfatą (IP3) (Paveikslas). Šie PIP skilimo produktai2 tarnauti kaip antrieji pasiuntiniai. Diacilglicerolis (DAG) lieka plazmos membranoje ir aktyvuoja proteinkinazę C (PKC), kuri vėliau fosforilina serino ir treonino likučius tiksliniuose baltymuose. IP3 difunduoja į citoplazmą ir jungiasi prie ligandų valdomų kalcio kanalų endoplazminiame tinkle ir išskiria Ca 2+, kuris tęsia signalo kaskadą.

Fermentas fosfolipazė C skaido PIP2 į IP3 ir DAG, kurie abu tarnauja kaip antrieji pasiuntiniai.


Peržiūros klausimai

Kokia savybė įgalina aminorūgščių serino, treonino ir tirozino likučius fosforilinti?

  1. Jie yra poliniai.
  2. Jie yra nepoliniai.
  3. Juose yra hidroksilo grupė.
  4. Jie dažniau pasitaiko signalinių baltymų aminorūgščių sekoje.

Histaminas prisijungia prie su H1 G baltymu susietų receptorių, kad sukeltų niežėjimą ir kvėpavimo takų susiaurėjimą, susijusį su alergine reakcija. Jei susijusio G baltymo alfa subvieneto mutacija neleistų GTP hidrolizei, kaip pasikeistų alerginis atsakas?

  1. Sunkesnė alerginė reakcija, palyginti su įprastu G baltymo signalizavimu.
  2. Mažiau stiprus alerginis atsakas, palyginti su įprastu G-baltymų signalizavimu.
  3. Nėra alerginės reakcijos.
  4. Jokių pokyčių, palyginti su įprastu G-baltymų signalizavimu.

Mokslininkas pastebi mutaciją transmembraninėje EGFR srityje, kuri pašalina jo gebėjimą stabilizuotis jungiantis sąveika dimerizacijos metu po ligando surišimo. Kuri hipotezė dėl šios mutacijos poveikio EGF signalizacijai greičiausiai yra teisinga?


Intraląstelinio signalizavimo metodai

Signalizacijos kelio indukcija suaktyvina fermentinių modifikacijų seką, kurią savo ruožtu atpažįsta kitas komponentas pasroviui.

Mokymosi tikslai

Paaiškinkite, kaip ligando surišimas inicijuoja signalo perdavimą visoje ląstelėje

Raktai išsinešti

Pagrindiniai klausimai

  • Fosforilinimas, fosfato grupės pridėjimas prie molekulės, tokios kaip baltymas, yra viena iš labiausiai paplitusių cheminių modifikacijų, atsirandančių signalizacijos keliuose.
  • Antrųjų pasiuntinių, mažų molekulių, skleidžiančių signalą, aktyvavimas yra įprastas įvykis po signalizacijos kelio indukcijos.
  • Kalcio jonai, ciklinis AMP ir inozitolio fosfolipidai yra plačiai naudojamų antrųjų pasiuntinių pavyzdžiai.

Pagrindinės sąlygos

  • antrasis pasiuntinys: bet kokia medžiaga, naudojama signalui perduoti ląstelėje, ypač ta, kuri sukelia įvykių pakopą, aktyvuodama ląstelių komponentus
  • fosforilinimas: fosfato grupės pridėjimas prie junginio, kurį dažnai katalizuoja fermentai

Signalizacijos kelio indukcija priklauso nuo ląstelės komponento modifikavimo fermentu. Gali atsirasti daug fermentinių modifikacijų, kurias savo ruožtu atpažįsta kitas komponentas pasroviui.

Viena iš labiausiai paplitusių cheminių modifikacijų, atsirandančių signalizacijos keliuose, yra fosfatų grupės (PO) pridėjimas.4 –3) molekulei, tokiai kaip baltymas, vykstant procesui, vadinamam fosforilinimu. Fosfatas gali būti pridedamas prie nukleotidų, tokių kaip GMP, kad susidarytų GDP arba GTP. Fosfatai taip pat dažnai dedami į baltymų serino, treonino ir tirozino liekanas, kur jie pakeičia aminorūgšties hidroksilo grupę. Fosfato pernešimą katalizuoja fermentas, vadinamas kinaze. Įvairios kinazės pavadintos pagal substratą, kurį jos fosforilina. Serino ir treonino likučių fosforilinimas dažnai suaktyvina fermentus. Tirozino liekanų fosforilinimas gali paveikti fermento aktyvumą arba sukurti surišimo vietą, kuri sąveikauja su signalizacijos kaskados komponentais. Fosforilinimas gali suaktyvinti arba inaktyvuoti fermentus, o fosforilinimo atšaukimas, defosforilinimas fosfataze, pakeis poveikį.

Fosforilinimo pavyzdys: Baltymų fosforilinimo metu fosfatų grupė (PO4-3) pridedama prie aminorūgščių serino, treonino ir tirozino liekanų.

Antrųjų pasiuntinių aktyvavimas taip pat yra dažnas įvykis po signalizacijos kelio indukcijos. Tai mažos molekulės, kurios skleidžia signalą po to, kai jį inicijuoja signalinės molekulės prisijungimas prie receptoriaus. Šios molekulės padeda skleisti signalą per citoplazmą, pakeisdamos tam tikrų ląstelių baltymų elgesį.

Kalcio jonai yra plačiai naudojamas antrasis pasiuntinys. Laisvoji kalcio jonų (Ca 2+ ) koncentracija ląstelėje yra labai maža, nes jonų siurbliai plazmos membranoje nuolat naudoja adenozino-5′-trifosfatą (ATP), kad jį pašalintų. Signalizacijos tikslais Ca 2+ yra saugomas citoplazminėse pūslelėse, tokiose kaip endoplazminis tinklas, arba pasiekiamas iš ląstelės išorės. Kai įvyksta signalizacija, ligandų valdomi kalcio jonų kanalai leidžia didesniam Ca 2+ kiekiui, esančiam už ląstelės ribų (arba intraląstelinėse saugyklose), patekti į citoplazmą, o tai padidina citoplazminio Ca 2+ koncentraciją. Atsakas į Ca 2+ padidėjimą skiriasi priklausomai nuo dalyvaujančios ląstelės tipo. Pavyzdžiui, kasos β ląstelėse Ca 2+ signalizacija sukelia insulino išsiskyrimą, o raumenų ląstelėse Ca 2+ padidėjimas sukelia raumenų susitraukimus.

Kitas antrasis pasiuntinys, naudojamas daugelyje skirtingų ląstelių tipų, yra ciklinis AMP (cAMP). Ciklinį AMP sintetina fermentas adenililciklazė iš ATP. Pagrindinis cAMP vaidmuo ląstelėse yra prisijungti prie fermento, vadinamo nuo cAMP priklausoma kinaze (A-kinazė), ir jį aktyvuoti. A-kinazė reguliuoja daugelį gyvybiškai svarbių medžiagų apykaitos takų. Jis fosforilina savo tikslinių baltymų serino ir treonino likučius, suaktyvindamas juos proceso metu. A-kinazė randama daugelyje skirtingų tipų ląstelių, kiekvienos rūšies ląstelės tiksliniai baltymai yra skirtingi. Dėl skirtumų skirtingose ​​ląstelėse skiriasi atsakas į cAMP.

cAMP kaip antrojo pasiuntinio pavyzdys: Šioje diagramoje parodytas ciklinio AMP (cAMP) susidarymo mechanizmas. cAMP tarnauja kaip antrasis pasiuntinys, kuris aktyvuoja arba inaktyvuoja baltymus ląstelėje. Signalas nutrūksta, kai fermentas, vadinamas fosfodiesteraze, paverčia cAMP į AMP.

Inozitolio fosfolipidai, esantys nedidelėmis koncentracijomis plazmos membranoje, yra lipidai, kurie taip pat gali būti paverčiami antraisiais pasiuntiniais. Kadangi šios molekulės yra membranos komponentai, jos yra šalia membranoje susietų receptorių ir gali lengvai su jais sąveikauti. Fosfatidilinozitolis (PI) yra pagrindinis fosfolipidas, kuris atlieka ląstelių signalizacijos vaidmenį. Fermentai, žinomi kaip kinazės, fosforilina PI, kad susidarytų PI-fosfatas (PIP) ir PI-bisfosfatas (PIP)2).


Ląstelės mirtis

Kai ląstelė yra pažeista, perteklinė arba potencialiai pavojinga organizmui, ląstelė gali inicijuoti mechanizmą, sukeliantį užprogramuotą ląstelės mirtį arba apoptozė. Apoptozė leidžia ląstelei mirti kontroliuojamu būdu, o tai neleidžia iš ląstelės vidaus išsiskirti potencialiai žalingoms molekulėms. Yra daug vidinių kontrolinių punktų, kurie stebi ląstelės sveikatą, jei pastebimi anomalijos, ląstelė gali spontaniškai inicijuoti apoptozės procesą. Tačiau kai kuriais atvejais, pavyzdžiui, virusinės infekcijos ar nekontroliuojamo ląstelių dalijimosi dėl vėžio, normalios ląstelės patikros ir pusiausvyros nepavyksta. Išorinis signalizavimas taip pat gali inicijuoti apoptozę. Pavyzdžiui, dauguma normalių gyvūnų ląstelių turi receptorius, kurie sąveikauja su ekstraląsteline matrica – glikoproteinų tinklu, kuris suteikia struktūrinę paramą organizmo ląstelėms. Ląstelių receptorių prisijungimas prie tarpląstelinės matricos inicijuoja signalizacijos kaskadą ląstelėje. Tačiau, jei ląstelė tolsta nuo tarpląstelinės matricos, signalizacija nutrūksta ir ląstelėje vyksta apoptozė. Ši sistema neleidžia ląstelėms judėti per kūną ir nekontroliuojamai daugintis, kaip tai atsitinka su metastazuojančiomis naviko ląstelėmis.

Kitas išorinio signalizacijos, sukeliančios apoptozę, pavyzdys yra T-ląstelių vystymesi. T ląstelės yra imuninės ląstelės, kurios jungiasi su svetimomis makromolekulėmis ir dalelėmis ir nukreipia jas, kad imuninė sistema sunaikintų. Paprastai T-ląstelės nesikreipia į „savarankiškus“ baltymus (savo organizmo baltymus), o tai gali sukelti autoimunines ligas. Siekiant išsiugdyti gebėjimą atskirti save nuo savęs, nesubrendusioms T-ląstelėms atliekama atranka, siekiant nustatyti, ar jos jungiasi su vadinamaisiais savaiminiais baltymais. Jei T-ląstelių receptorius jungiasi prie savarankiškų baltymų, ląstelė inicijuoja apoptozę, kad pašalintų potencialiai pavojingą ląstelę.

Apoptozė taip pat būtina normaliam embrioniniam vystymuisi. Pavyzdžiui, stuburiniams gyvūnams ankstyvosiose vystymosi stadijose tarp atskirų rankų ir kojų pirštų susidaro į tinklą panašus audinys (2 pav.). Normalaus vystymosi metu šios nereikalingos ląstelės turi būti pašalintos, kad susidarytų visiškai atskirti rankų ir kojų pirštai. Ląstelių signalizacijos mechanizmas sukelia apoptozę, kuri sunaikina ląsteles tarp besivystančių skaitmenų.

2 paveikslas 15 dienų senumo pelės embriono pėdos histologinis pjūvis, vizualizuotas naudojant šviesos mikroskopiją, atskleidžia tarp pirštų esančias audinių sritis, kurias apoptozė pašalins, kol pelė pasieks visą nėštumo amžių 27 dieną. (kreditas: Michalo Mañaso darbo modifikacija)


Energija raumenų susitraukimui

Remiantis slankiojančių siūlų teorija, ATP reikalingas energijai raumenims susitraukti. Iš kur atsiranda šis ATP? Tiesą sakant, yra keli galimi šaltiniai, kaip parodyta 12.4.5 paveiksle toliau.

  1. Kaip matote iš pirmosios diagramos, šiek tiek ATP jau yra ramybės būsenoje. Prasidėjus raumenų susitraukimui šis ATP išnaudojamas vos per kelias sekundes. Iš kreatino fosfato susidaro daugiau ATP, tačiau šis ATP taip pat greitai sunaudojamas. Tai praeina dar po 15 sekundžių.
  2. Gliukozė iš kraujo ir raumenyse saugomas glikogenas gali būti panaudoti daugiau ATP gaminti. Glikogenas skyla ir susidaro gliukozė, o kiekviena gliukozės molekulė gamina dvi ATP molekules ir dvi piruvato molekules. Piruvatas (kaip piruvo rūgštis) gali būti naudojamas aerobiniam kvėpavimui, jei yra deguonies. Arba piruvatas gali būti naudojamas anaerobiniam kvėpavimui, jei nėra deguonies. Pastaroji gamina pieno rūgštį, kuri gali prisidėti prie raumenų nuovargio. Anaerobinis kvėpavimas paprastai įvyksta tik intensyvaus fizinio krūvio metu, kai reikia tiek daug ATP, kad į raumenis nepatenka pakankamai deguonies.
  3. Poilsio metu arba vidutiniškai aktyvūs raumenys gali gauti didžiąją dalį ATP, reikalingo susitraukimams aerobiniu kvėpavimu. Šis procesas vyksta raumenų ląstelių mitochondrijose. Proceso metu gliukozė ir deguonis reaguoja, kad susidarytų anglies dioksidas, vanduo ir daug ATP molekulių.

Turinys

Daugelyje mažų organizmų, tokių kaip bakterijos, kvorumo jutimas leidžia asmenims pradėti veiklą tik tada, kai populiacija yra pakankamai didelė. Šis signalas tarp ląstelių pirmą kartą buvo pastebėtas jūrų bakterijoje Aliivibrio fischeri, kuri gamina šviesą, kai populiacija pakankamai tanki. [10] Mechanizmas apima signalinės molekulės gamybą ir aptikimą bei atsako genų transkripcijos reguliavimą. Kvorumo jutimas veikia tiek gramteigiamų, tiek gramneigiamų bakterijų viduje ir tarp rūšių. [11]

Gleblių pelėsiuose atskiros ląstelės, žinomos kaip amebos, agreguojasi, sudarydamos vaisiakūnius ir galiausiai sporas, veikiamos cheminio signalo, iš pradžių pavadinto akrazinu. Asmenys juda chemotaksės būdu, ty juos traukia cheminis gradientas. Kai kurios rūšys naudoja ciklinį AMP kaip signalą, kitos, pvz., Polysphondylium violaceum naudokite kitas molekules, šiuo atveju N-propionil-gama-L-glutamil-L-ornitino-delta-laktamo etilo esteris, pravarde glorinas. [12]

Augaluose ir gyvūnuose signalai tarp ląstelių vyksta arba išleidžiant į tarpląstelinę erdvę, padalytą į parakrininę signalizaciją (trumpais atstumais) ir endokrininę signalizaciją (ilgais atstumais), arba tiesioginiu kontaktu, vadinamu jukstakrininiu signalizavimu (pvz., įpjovos signalizacija). . [13] Autokrininis signalizavimas yra ypatingas parakrininės signalizacijos atvejis, kai išskirianti ląstelė turi galimybę reaguoti į išskiriamą signalinę molekulę. [14] Sinapsinis signalizavimas yra ypatingas parakrininės signalizacijos (cheminėms sinapsėms) arba jukstakrininėms (elektrinėms sinapsėms) tarp neuronų ir tikslinių ląstelių atvejis.

Sintezuokite ir atleiskite Redaguoti

Daugelį ląstelių signalų neša molekulės, kurias išskiria viena ląstelė ir kurios juda, kad susisiektų su kita ląstele. Signalinės molekulės gali priklausyti kelioms cheminėms klasėms: lipidams, fosfolipidams, aminorūgštims, monoaminams, baltymams, glikoproteinams arba dujoms. Signalinės molekulės, jungiančios paviršiaus receptorius, paprastai yra didelės ir hidrofilinės (pvz., TRH, vazopresinas, acetilcholinas), o į ląstelę patenkančios molekulės paprastai yra mažos ir hidrofobinės (pvz., gliukokortikoidai, skydliaukės hormonai, cholekalciferolis, retinoinė rūgštis), tačiau yra daug svarbių išimčių. ir ta pati molekulė gali veikti tiek per paviršiaus receptorius, tiek intrakrininiu būdu, sukeldama skirtingus efektus. [14] Gyvūnų ląstelėse specializuotos ląstelės išskiria šiuos hormonus ir per kraujotakos sistemą siunčia juos į kitas kūno dalis. Tada jie pasiekia tikslines ląsteles, kurios gali atpažinti hormonus, reaguoti į juos ir sukurti rezultatą. Tai taip pat žinoma kaip endokrininė signalizacija. Augalų augimo reguliatoriai arba augalų hormonai juda per ląsteles arba sklinda per orą kaip dujos, kad pasiektų savo tikslą. [15] Kai kurios žmogaus kūno ląstelės gamina nedidelius vandenilio sulfido kiekius ir atlieka daugybę biologinių signalizacijos funkcijų. Šiuo metu žinomos tik dvi kitos tokios dujos, kurios žmogaus organizme veikia kaip signalinės molekulės: azoto oksidas ir anglies monoksidas. [16]

Egzocitozė Redaguoti

Egzocitozė yra procesas, kurio metu ląstelė išneša iš ląstelės molekules, tokias kaip neurotransmiteriai ir baltymai. Kaip aktyvus transportavimo mechanizmas, egzocitozė reikalauja naudoti energiją medžiagai transportuoti. Egzocitozę ir jos atitikmenį endocitozę naudoja visos ląstelės, nes dauguma joms svarbių cheminių medžiagų yra didelės polinės molekulės, kurios negali pasyviomis priemonėmis praeiti pro hidrofobinę ląstelės membranos dalį. Egzocitozė yra procesas, kurio metu išsiskiria didelis kiekis molekulių, todėl tai yra masinio transportavimo forma. Egzocitozė vyksta per sekretorinius portalus ląstelės plazmos membranoje, vadinamoje porosomomis. Porosomos yra nuolatinė puodelio formos lipoproteinų struktūra ląstelės plazmos membranoje, kur sekrecinės pūslelės laikinai susijungia ir susilieja, kad iš ląstelės išskirtų vezikulinį turinį.

Egzocitozės metu su membrana susietos sekrecinės pūslelės nunešamos į ląstelės membraną, kur susijungia ir susilieja prie porosomų, o jų turinys (t. y. vandenyje tirpios molekulės) išskiriamas į tarpląstelinę aplinką. Ši sekrecija yra įmanoma, nes pūslelė laikinai susilieja su plazmine membrana. Neurotransmiteriai paprastai išsiskiria iš sinapsinių pūslelių į sinapsinį plyšį per egzocitozę, tačiau neurotransmiteriai taip pat gali būti išleisti atvirkštiniu transportu per membranos transportavimo baltymus.

Redaguoti formas

Autokrininis redagavimas

Autokrininis signalizavimas apima ląstelę, išskiriančią hormoną arba cheminį pasiuntinį (vadinamą autokrininiu agentu), kuris jungiasi prie autokrininių receptorių toje pačioje ląstelėje ir sukelia pokyčius pačioje ląstelėje. [17] Tai galima palyginti su parakrinine signalizacija, intrakrinine signalizacija arba klasikine endokrinine signalizacija.

Paracrine Redaguoti

Per parakrininę signalizaciją ląstelė sukuria signalą, kad sukeltų pokyčius netoliese esančiose ląstelėse, pakeisdama tų ląstelių elgesį. Signalizacinės molekulės, žinomos kaip parakrininiai veiksniai, pasklinda santykinai trumpu atstumu (vietinis veikimas), o ne signalus ląstelėms perduoda endokrininiai veiksniai – hormonai, kurie per kraujotakos sistemą nukeliauja daug didesnius atstumus per juktakrininę sąveiką ir autokrininę signalizaciją. Ląstelės, gaminančios parakrininius faktorius, išskiria juos į tiesioginę tarpląstelinę aplinką. Tada veiksniai keliauja į netoliese esančias ląsteles, kuriose gauto faktoriaus gradientas lemia rezultatą. Tačiau tikslus atstumas, kurį gali nukeliauti parakrininiai veiksniai, nėra tikras.

Parakrininiai signalai, tokie kaip retinoinė rūgštis, nukreipti tik į ląsteles, esančias šalia spinduliuojančios ląstelės. [18] Neurotransmiteriai yra dar vienas parakrininio signalo pavyzdys.

Kai kurios signalinės molekulės gali veikti ir kaip hormonas, ir kaip neurotransmiteris. Pavyzdžiui, epinefrinas ir norepinefrinas gali veikti kaip hormonai, kai jie išsiskiria iš antinksčių ir yra pernešami į širdį kraujo srove. Norepinefriną taip pat gali gaminti neuronai, kad jis veiktų kaip neurotransmiteris smegenyse. [19] Estrogenas gali būti išskiriamas kiaušidėse ir veikti kaip hormonas arba veikti lokaliai per parakrininę arba autokrininę signalizaciją. [20]

Nors parakrininė signalizacija sukelia įvairių atsakymų indukuotose ląstelėse, dauguma parakrininių veiksnių naudoja santykinai supaprastintą receptorių ir kelių rinkinį. Tiesą sakant, yra žinoma, kad skirtingi kūno organai – net ir tarp skirtingų rūšių – naudoja panašius parakrininių faktorių rinkinius skirtingam vystymuisi. [21] Labai konservuoti receptoriai ir keliai gali būti suskirstyti į keturias pagrindines šeimas, pagrįstas panašiomis struktūromis: fibroblastų augimo faktoriaus (FGF) šeima, Hedgehog šeima, Wnt šeima ir TGF-β superšeima. Parakrininio faktoriaus prisijungimas prie atitinkamo receptoriaus inicijuoja signalo perdavimo kaskadas, sukeldamas skirtingas reakcijas.

Endokrininės sistemos redagavimas

Endokrininė signalai vadinami hormonais. Hormonus gamina endokrininės ląstelės ir jie keliauja per kraują, kad pasiektų visas kūno dalis. Signalizacijos specifiškumą galima kontroliuoti, jei tik kai kurios ląstelės gali reaguoti į tam tikrą hormoną. Endokrininė signalizacija apima hormonų išskyrimą per vidines organizmo liaukas tiesiai į kraujotakos sistemą, reguliuojančią tolimus tikslinius organus. Stuburiniams gyvūnams pagumburis yra visų endokrininių sistemų nervų valdymo centras. Žmonėms pagrindinės endokrininės liaukos yra skydliaukė ir antinksčiai. Endokrininės sistemos ir jos sutrikimų tyrimas žinomas kaip endokrinologija.

Juxtacrine Redaguoti

Jukstakrino signalizacija yra ląstelių ir ląstelių arba tarpląstelinės matricos signalizacijos tipas daugialąsčiuose organizmuose, kuriam reikalingas glaudus kontaktas. Yra trys tipai:

  1. Membraninis ligandas (baltymas, oligosacharidas, lipidas) ir dviejų gretimų ląstelių membraninis baltymas sąveikauja.
  2. Ryšio jungtis sujungia dviejų gretimų ląstelių tarpląstelinius skyrius, leidžiančius palyginti mažas molekules.
  3. Tarpląstelinis matricos glikoproteinas ir membraninis baltymas sąveikauja.

Be to, vienaląsčiuose organizmuose, tokiuose kaip bakterijos, jukstakrino signalizacija reiškia sąveiką membranos kontakto būdu. Buvo pastebėtas kai kurių augimo faktorių, citokinų ir chemokinų ląstelių signalų signalizavimas, vaidinantis svarbų vaidmenį imuniniame atsake.

Ląstelės gauna informaciją iš savo kaimynų per baltymų klasę, žinomą kaip receptoriai. Receptoriai gali jungtis su kai kuriomis molekulėmis (ligandais) arba sąveikauti su fiziniais veiksniais, tokiais kaip šviesa, mechaninė temperatūra, slėgis ir kt. Priėmimas įvyksta, kai tikslinė ląstelė (bet kuri ląstelė, turinti specifinį signalo molekulei receptoriaus baltymą) aptinka signalą, paprastai mažos, vandenyje tirpios molekulės forma, prisijungdama prie receptorių baltymo ląstelės paviršiuje arba patekusi į ląstelę, signalinė molekulė gali prisijungti prie tarpląstelinių receptorių, kitų elementų arba stimuliuoti fermentų aktyvumą (pvz., dujas). intrakrininėje signalizacijoje.

Signalizuojančios molekulės sąveikauja su tiksline ląstele kaip ląstelės paviršiaus receptorių ligandas ir (arba) patenka į ląstelę per jos membraną arba endocitozę intrakrininiam signalui perduoti. Tai paprastai sukelia antrųjų pasiuntinių aktyvavimą, o tai sukelia įvairius fiziologinius efektus. Daugelio žinduolių ankstyvosios embriono ląstelės keičiasi signalais su gimdos ląstelėmis. [22] Žmogaus virškinimo trakte bakterijos keičiasi signalais tarpusavyje ir su žmogaus epitelio bei imuninės sistemos ląstelėmis. [23] Dėl mielių Saccharomyces cerevisiae poravimosi metu kai kurios ląstelės į savo aplinką siunčia peptidinį signalą (poravimosi faktoriaus feromonus). Poravimosi faktoriaus peptidas gali prisijungti prie kitų mielių ląstelių paviršiaus receptorių ir paskatinti jas pasiruošti poravimuisi. [24]

Ląstelių paviršiaus receptoriai Redaguoti

Ląstelių paviršiaus receptoriai atlieka esminį vaidmenį vienaląsčių ir daugialąsčių organizmų biologinėse sistemose, o šių baltymų veikimo sutrikimas arba pažeidimas yra susijęs su vėžiu, širdies ligomis ir astma. [25] Šie transmembraniniai receptoriai gali perduoti informaciją iš ląstelės išorės į vidų, nes keičia konformaciją, kai prie jos prisijungia specifinis ligandas. Pažvelgus į tris pagrindinius receptorių tipus: su jonų kanalais susietus receptorius, su G baltymu susietus receptorius ir su fermentais susietus receptorius).

Jonų kanalais susieti receptoriai Redaguoti

Jonų kanalais susieti receptoriai yra grupė transmembraninių jonų kanalų baltymų, kurie atsidaro, kad jonams, tokiems kaip Na +, K +, Ca 2+ ir (arba) Cl -, galėtų praeiti pro membraną, reaguojant į cheminio pasiuntinio prisijungimą ( ty ligandas), pvz., neurotransmiteris. [26] [27] [28]

Kai presinapsinis neuronas sužadinamas, jis iš pūslelių į sinapsinį plyšį išskiria neuromediatorių. Tada neurotransmiteris prisijungia prie receptorių, esančių postsinapsiniame neurone. Jei šie receptoriai yra ligandų valdomi jonų kanalai, dėl to atsirandantis konformacinis pokytis atveria jonų kanalus, o tai veda prie jonų srauto per ląstelės membraną. Tai, savo ruožtu, sukelia arba depoliarizaciją, sukeliančią sužadinimo receptorių atsaką, arba hiperpoliarizaciją, sukeliančią slopinamąjį atsaką.

Šie receptorių baltymai paprastai susideda iš mažiausiai dviejų skirtingų domenų: transmembraninio domeno, apimančio jonų poras, ir tarpląstelinio domeno, apimančio ligando surišimo vietą (allosterinę surišimo vietą). Šis moduliškumas įgalino „skaldyk ir valdyk“ metodą ieškant baltymų struktūros (kristalizuojant kiekvieną domeną atskirai). The function of such receptors located at synapses is to convert the chemical signal of presynaptically released neurotransmitter directly and very quickly into a postsynaptic electrical signal. Many LICs are additionally modulated by allosteric ligands, by channel blockers, ions, or the membrane potential. LICs are classified into three superfamilies which lack evolutionary relationship: cys-loop receptors, ionotropic glutamate receptors and ATP-gated channels.

G protein–coupled receptors Edit

G protein-coupled receptors are a large group of evolutionarily-related proteins that are cell surface receptors that detect molecules outside the cell and activate cellular responses. Coupling with G proteins, they are called seven-transmembrane receptors because they pass through the cell membrane seven times. [29] Ligands can bind either to extracellular N-terminus and loops (e.g. glutamate receptors) or to the binding site within transmembrane helices (Rhodopsin-like family). They are all activated by agonists although a spontaneous auto-activation of an empty receptor can also be observed. [29]

G protein-coupled receptors are found only in eukaryotes, including yeast, choanoflagellates, [30] and animals. The ligands that bind and activate these receptors include light-sensitive compounds, odors, pheromones, hormones, and neurotransmitters, and vary in size from small molecules to peptides to large proteins. G protein-coupled receptors are involved in many diseases.

There are two principal signal transduction pathways involving the G protein-coupled receptors: cAMP signal pathway and phosphatidylinositol signal pathway. [31] When a ligand binds to the GPCR it causes a conformational change in the GPCR, which allows it to act as a guanine nucleotide exchange factor (GEF). The GPCR can then activate an associated G protein by exchanging the GDP bound to the G protein for a GTP. The G protein's α subunit, together with the bound GTP, can then dissociate from the β and γ subunits to further affect intracellular signaling proteins or target functional proteins directly depending on the α subunit type (Gαs, Gαi/o, Gαq/11, Gα12/13). [32] : 1160

G protein-coupled receptors are an important drug target and approximately 34% [33] of all Food and Drug Administration (FDA) approved drugs target 108 members of this family. The global sales volume for these drugs is estimated to be 180 billion US dollars as of 2018 [update] . [33] It is estimated that GPCRs are targets for about 50% of drugs currently on the market, mainly due to their involvement in signaling pathways related to many diseases i.e. mental, metabolic including endocrinological disorders, immunological including viral infections, cardiovascular, inflammatory, senses disorders, and cancer. The long ago discovered association between GPCRs and many endogenous and exogenous substances, resulting in e.g. analgesia, is another dynamically developing field of the pharmaceutical research. [29]

Enzyme-linked receptors Edit

Enzyme-linked receptors (or catalytic receptors) are transmembrane receptor that, upon activation by an extracellular ligand, causes enzymatic activity on the intracellular side. [34] Hence a catalytic receptor is an integral membrane protein possessing both enzymatic, catalytic, and receptor functions. [35]

They have two important domains, an extra-cellular ligand binding domain and an intracellular domain, which has a catalytic function and a single transmembrane helix. The signaling molecule binds to the receptor on the outside of the cell and causes a conformational change on the catalytic function located on the receptor inside the cell. Examples of the enzymatic activity include:

Intracellular receptors Edit

Steroid hormone receptor Edit

Steroid hormone receptors are found in the nucleus, cytosol, and also on the plasma membrane of target cells. They are generally intracellular receptors (typically cytoplasmic or nuclear) and initiate signal transduction for steroid hormones which lead to changes in gene expression over a time period of hours to days. The best studied steroid hormone receptors are members of the nuclear receptor subfamily 3 (NR3) that include receptors for estrogen (group NR3A) [37] and 3-ketosteroids (group NR3C). [38] In addition to nuclear receptors, several G protein-coupled receptors and ion channels act as cell surface receptors for certain steroid hormones.

When binding to the signaling molecule, the receptor protein changes in some way and starts the process of transduction, which can occur in a single step or as a series of changes in a sequence of different molecules (called a signal transduction pathway). The molecules that compose these pathways are known as relay molecules. The multistep process of the transduction stage is often composed of the activation of proteins by addition or removal of phosphate groups or even the release of other small molecules or ions that can act as messengers. The amplifying of a signal is one of the benefits to this multiple step sequence. Other benefits include more opportunities for regulation than simpler systems do and the fine- tuning of the response, in both unicellular and multicellular organism. [15]

In some cases, receptor activation caused by ligand binding to a receptor is directly coupled to the cell's response to the ligand. For example, the neurotransmitter GABA can activate a cell surface receptor that is part of an ion channel. GABA binding to a GABAA receptor on a neuron opens a chloride-selective ion channel that is part of the receptor. GABAA receptor activation allows negatively charged chloride ions to move into the neuron, which inhibits the ability of the neuron to produce action potentials. However, for many cell surface receptors, ligand-receptor interactions are not directly linked to the cell's response. The activated receptor must first interact with other proteins inside the cell before the ultimate physiological effect of the ligand on the cell's behavior is produced. Often, the behavior of a chain of several interacting cell proteins is altered following receptor activation. The entire set of cell changes induced by receptor activation is called a signal transduction mechanism or pathway. [39]

A more complex signal transduction pathway is shown in Figure 3. This pathway involves changes of protein–protein interactions inside the cell, induced by an external signal. Many growth factors bind to receptors at the cell surface and stimulate cells to progress through the cell cycle and divide. Several of these receptors are kinases that start to phosphorylate themselves and other proteins when binding to a ligand. This phosphorylation can generate a binding site for a different protein and thus induce protein–protein interaction. In Figure 3, the ligand (called epidermal growth factor, or EGF) binds to the receptor (called EGFR). This activates the receptor to phosphorylate itself. The phosphorylated receptor binds to an adaptor protein (GRB2), which couples the signal to further downstream signaling processes. For example, one of the signal transduction pathways that are activated is called the mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway. The signal transduction component labeled as "MAPK" in the pathway was originally called "ERK," so the pathway is called the MAPK/ERK pathway. The MAPK protein is an enzyme, a protein kinase that can attach phosphate to target proteins such as the transcription factor MYC and, thus, alter gene transcription and, ultimately, cell cycle progression. Many cellular proteins are activated downstream of the growth factor receptors (such as EGFR) that initiate this signal transduction pathway. [ reikalinga citata ]

Some signaling transduction pathways respond differently, depending on the amount of signaling received by the cell. For instance, the hedgehog protein activates different genes, depending on the amount of hedgehog protein present. [ reikalinga citata ]

Complex multi-component signal transduction pathways provide opportunities for feedback, signal amplification, and interactions inside one cell between multiple signals and signaling pathways. [ reikalinga citata ]

A specific cellular response is the result of the transduced signal in the final stage of cell signaling. This response can essentially be any cellular activity that is present in a body. It can spur the rearrangement of the cytoskeleton, or even as catalysis by an enzyme. These three steps of cell signaling all ensure that the right cells are behaving as told, at the right time, and in synchronization with other cells and their own functions within the organism. At the end, the end of a signal pathway leads to the regulation of a cellular activity. This response can take place in the nucleus or in the cytoplasm of the cell. A majority of signaling pathways control protein synthesis by turning certain genes on and off in the nucleus. [40]

In unicellular organisms such as bacteria, signaling can be used to 'activate' peers from a dormant state, enhance virulence, defend against bacteriophages, etc. [41] In quorum sensing, which is also found in social insects, the multiplicity of individual signals has the potentiality to create a positive feedback loop, generating coordinated response. In this context, the signaling molecules are called autoinducers. [42] [43] [44] This signaling mechanism may have been involved in evolution from unicellular to multicellular organisms. [42] [45] Bacteria also use contact-dependent signaling, notably to limit their growth. [46]

Signaling molecules used by multicellular organisms are often called pheromones. They can have such purposes as alerting against danger, indicating food supply, or assisting in reproduction. [47]

Short-term cellular responses Edit

Brief overview of some signaling pathways (based on receptor families) that result in short-acting cellular responses
Receptor Family Example of Ligands/ activators (Bracket: receptor for it) Example of effectors Further downstream effects
Ligand Gated Ion Channels Acetilcholinas
(Such as Nicotinic acetylcholine receptor),
Changes in membrane permeability Change in membrane potential
Seven Helix Receptor Light(Rhodopsin),
Dopamine (Dopamine receptor),
GABA (GABA receptor),
Prostaglandin (prostaglandin receptor) etc.
Trimeric G protein Adenylate Cyclase,
cGMP phosphodiesterase,
G-protein gated ion channel, etc.
Two Component Diverse activators Histidine Kinase Response Regulator - flagellar movement, Gene expression
Membrane Guanylyl Cyclase Atrial natriuretic peptide,
Sea urching egg peptide etc.
cGMP Regulation of Kinases and channels- Diverse actions
Cytoplasmic Guanylyl cyclase Nitric Oxide(Nitric oxide receptor) cGMP Regulation of cGMP Gated channels, Kinases
Integrins Fibronectins, other extracellular matrix proteins Nonreceptor tyrosine kinase Diverse response

Regulating gene activity Edit

Brief overview of some signaling pathways (based on receptor families) that control gene activity
Frizzled (Special type of 7Helix receptor) Wnt Dishevelled, axin - APC, GSK3-beta - Beta catenin Genų ekspresija
Two Component Diverse activators Histidine Kinase Response Regulator - flagellar movement, Gene expression
Receptor Tyrosine Kinase Insulin (insulin receptor),
EGF (EGF receptor),
FGF-Alpha, FGF-Beta, etc (FGF-receptors)
Ras, MAP-kinases, PLC, PI3-Kinase Gene expression change
Cytokine receptors Erythropoietin,
Growth Hormone (Growth Hormone Receptor),
IFN-Gamma (IFN-Gamma receptor) etc
JAK kinase STAT transcription factor - Gene expression
Tyrosine kinase Linked- receptors MHC-peptide complex - TCR, Antigens - BCR Cytoplasmic Tyrosine Kinase Genų ekspresija
Receptor Serine/Threonine Kinase Activin(activin receptor),
Inhibin,
Bone-morphogenetic protein(BMP Receptor),
TGF-beta
Smad transcription factors Control of gene expression
Sphingomyelinase linked receptors IL-1(IL-1 receptor),
TNF (TNF-receptors)
Ceramide activated kinases Genų ekspresija
Cytoplasmic Steroid receptors Steroid hormones,
Thyroid hormones,
Retinoic acid etc
Work as/ interact with transcription factors Genų ekspresija

Notch signaling pathway Edit

Notch is a cell surface protein that functions as a receptor. Animals have a small set of genes that code for signaling proteins that interact specifically with Notch receptors and stimulate a response in cells that express Notch on their surface. Molecules that activate (or, in some cases, inhibit) receptors can be classified as hormones, neurotransmitters, cytokines, and growth factors, in general called receptor ligands. Ligand receptor interactions such as that of the Notch receptor interaction, are known to be the main interactions responsible for cell signaling mechanisms and communication. [52] notch acts as a receptor for ligands that are expressed on adjacent cells. While some receptors are cell-surface proteins, others are found inside cells. For example, estrogen is a hydrophobic molecule that can pass through the lipid bilayer of the membranes. As part of the endocrine system, intracellular estrogen receptors from a variety of cell types can be activated by estrogen produced in the ovaries.

In the case of Notch-mediated signaling, the signal transduction mechanism can be relatively simple. As shown in Figure 2, the activation of Notch can cause the Notch protein to be altered by a protease. Part of the Notch protein is released from the cell surface membrane and takes part in gene regulation. Cell signaling research involves studying the spatial and temporal dynamics of both receptors and the components of signaling pathways that are activated by receptors in various cell types. [53] [54] Emerging methods for single-cell mass-spectrometry analysis promise to enable studying signal transduction with single-cell resolution. [55]

In notch signaling, direct contact between cells allows for precise control of cell differentiation during embryonic development. In the worm Caenorhabditis elegantiškas, two cells of the developing gonad each have an equal chance of terminally differentiating or becoming a uterine precursor cell that continues to divide. The choice of which cell continues to divide is controlled by competition of cell surface signals. One cell will happen to produce more of a cell surface protein that activates the Notch receptor on the adjacent cell. This activates a feedback loop or system that reduces Notch expression in the cell that will differentiate and that increases Notch on the surface of the cell that continues as a stem cell. [56]


46 Propagation of the Signal

Šio skyriaus pabaigoje galėsite atlikti šiuos veiksmus:

  • Explain how the binding of a ligand initiates signal transduction throughout a cell
  • Recognize the role of phosphorylation in the transmission of intracellular signals
  • Evaluate the role of second messengers in signal transmission

Once a ligand binds to a receptor, the signal is transmitted through the membrane and into the cytoplasm. Continuation of a signal in this manner is called signal transduction . Signal transduction only occurs with cell-surface receptors, which cannot interact with most components of the cell such as DNA. Only internal receptors are able to interact directly with DNA in the nucleus to initiate protein synthesis.

When a ligand binds to its receptor, conformational changes occur that affect the receptor’s intracellular domain. Conformational changes of the extracellular domain upon ligand binding can propagate through the membrane region of the receptor and lead to activation of the intracellular domain or its associated proteins. In some cases, binding of the ligand causes dimerization of the receptor, which means that two receptors bind to each other to form a stable complex called a dimer. A dimer is a chemical compound formed when two molecules (often identical) join together. The binding of the receptors in this manner enables their intracellular domains to come into close contact and activate each other.

Binding Initiates a Signaling Pathway

After the ligand binds to the cell-surface receptor, the activation of the receptor’s intracellular components sets off a chain of events that is called a signaling pathway , sometimes called a signaling cascade. In a signaling pathway, second messengers–enzymes–and activated proteins interact with specific proteins, which are in turn activated in a chain reaction that eventually leads to a change in the cell’s environment ((Figure)), such as an increase in metabolism or specific gene expression. Kaskados įvykiai vyksta nuosekliai, panašiai kaip srovė teka upe. Sąveikos, įvykusios prieš tam tikrą tašką, apibrėžiamos kaip įvykiai prieš srovę, o įvykiai po to taško vadinami įvykiais pasroviui.


Esant tam tikroms vėžio formoms, RAS G baltymo GTPazės aktyvumas yra slopinamas. Tai reiškia, kad RAS baltymas nebegali hidrolizuoti GTP į BVP. Kokį poveikį tai turėtų tolesniems ląstelių įvykiams?

You can see that signaling pathways can get very complicated very quickly because most cellular proteins can affect different downstream events, depending on the conditions within the cell. Vienas kelias gali išsišakoti link skirtingų galinių taškų, remiantis dviejų ar daugiau signalizacijos kelių sąveika, o tie patys ligandai dažnai naudojami skirtingiems signalams inicijuoti skirtingų tipų ląstelėse. Šį atsako skirtumą lemia baltymų ekspresijos skirtumai skirtinguose ląstelių tipuose. Kitas sudėtingas elementas yra kelių signalų integravimas, kai dviejų ar daugiau skirtingų ląstelės paviršiaus receptorių signalai susilieja, kad suaktyvintų tą patį atsaką ląstelėje. Šis procesas gali užtikrinti, kad būtų įvykdyti keli išoriniai reikalavimai, kol ląstelė įsipareigoja atlikti konkretų atsakymą.

Ekstraląstelinių signalų poveikį taip pat gali sustiprinti fermentinės kaskados. Signalo pradžioje vienas ligandas jungiasi prie vieno receptoriaus. Tačiau suaktyvinus su receptoriais susietą fermentą, gali suaktyvėti daug signalų kaskados komponento kopijų, kurios sustiprina signalą.

Observe an animation of cell signaling at this site.

Methods of Intracellular Signaling

The induction of a signaling pathway depends on the modification of a cellular component by an enzyme. There are numerous enzymatic modifications that can occur, and they are recognized in turn by the next component downstream. The following are some of the more common events in intracellular signaling.

Fosforilinimas

One of the most common chemical modifications that occurs in signaling pathways is the addition of a phosphate group (PO4 –3 ) to a molecule such as a protein in a process called phosphorylation. The phosphate can be added to a nucleotide such as GMP to form GDP or GTP. Phosphates are also often added to serine, threonine, and tyrosine residues of proteins, where they replace the hydroxyl group of the amino acid ((Figure)). The transfer of the phosphate is catalyzed by an enzyme called a kinase . Various kinases are named for the substrate they phosphorylate. Phosphorylation of serine and threonine residues often activates enzymes. Phosphorylation of tyrosine residues can either affect the activity of an enzyme or create a binding site that interacts with downstream components in the signaling cascade. Phosphorylation may activate or inactivate enzymes, and the reversal of phosphorylation, dephosphorylation by a phosphatase, will reverse the effect.


Second Messengers

Second messengers are small molecules that propagate a signal after it has been initiated by the binding of the signaling molecule to the receptor. These molecules help to spread a signal through the cytoplasm by altering the behavior of certain cellular proteins.

Calcium ion is a widely used second messenger. The free concentration of calcium ions (Ca 2+ ) within a cell is very low because ion pumps in the plasma membrane continuously remove it by using adenosine-5′-triphosphate (ATP). For signaling purposes, Ca 2+ is stored in cytoplasmic vesicles, such as the endoplasmic reticulum, or accessed from outside the cell. When signaling occurs, ligand-gated calcium ion channels allow the higher levels of Ca 2+ that are present outside the cell (or in intracellular storage compartments) to flow into the cytoplasm, which raises the concentration of cytoplasmic Ca 2+ . The response to the increase in Ca 2+ varies and depends on the cell type involved. For example, in the β-cells of the pancreas, Ca 2+ signaling leads to the release of insulin, and in muscle cells, an increase in Ca 2+ leads to muscle contractions.

Another second messenger utilized in many different cell types is cyclic AMP (cAMP) . Cyclic AMP is synthesized by the enzyme adenylyl cyclase from ATP ((Figure)). The main role of cAMP in cells is to bind to and activate an enzyme called cAMP-dependent kinase (A-kinase) . A-kinase regulates many vital metabolic pathways: It phosphorylates serine and threonine residues of its target proteins, activating them in the process. A-kinase is found in many different types of cells, and the target proteins in each kind of cell are different. Differences give rise to the variation of the responses to cAMP in different cells.


Present in small concentrations in the plasma membrane, inositol phospholipids are lipids that can also be converted into second messengers. Because these molecules are membrane components, they are located near membrane-bound receptors and can easily interact with them. Phosphatidylinositol (PI) is the main phospholipid that plays a role in cellular signaling. Enzymes known as kinases phosphorylate PI to form PI-phosphate (PIP) and PI-bisphosphate (PIP2).

The enzyme phospholipase C cleaves PIP2 to form diacylglycerol (DAG) and inositol triphosphate (IP3) ((Figure)). These products of the cleavage of PIP2 serve as second messengers. Diacylglycerol (DAG) remains in the plasma membrane and activates protein kinase C (PKC), which then phosphorylates serine and threonine residues in its target proteins. IP3 diffuses into the cytoplasm and binds to ligand-gated calcium channels in the endoplasmic reticulum to release Ca 2+ that continues the signal cascade.


Skyriaus santrauka

Ligand binding to the receptor allows for signal transduction through the cell. The chain of events that conveys the signal through the cell is called a signaling pathway or cascade. Signaling pathways are often very complex because of the interplay between different proteins. A major component of cell signaling cascades is the phosphorylation of molecules by enzymes known as kinases. Phosphorylation adds a phosphate group to serine, threonine, and tyrosine residues in a protein, changing their shapes, and activating or inactivating the protein. Small molecules like nucleotides can also be phosphorylated. Second messengers are small, non-protein molecules that are used to transmit a signal within a cell. Some examples of second messengers are calcium ions (Ca 2+ ), cyclic AMP (cAMP), diacylglycerol (DAG), and inositol triphosphate (IP3).

Vizualinio ryšio klausimai

(Figure) In certain cancers, the GTPase activity of the RAS G-protein is inhibited. Tai reiškia, kad RAS baltymas nebegali hidrolizuoti GTP į BVP. Kokį poveikį tai turėtų tolesniems ląstelių įvykiams?

(Figure) ERK would become permanently activated, resulting in cell proliferation, migration, adhesion, and the growth of new blood vessels. Apoptosis would be inhibited.

Peržiūros klausimai

Where do DAG and IP3 originate?

  1. They are formed by phosphorylation of cAMP.
  2. They are ligands expressed by signaling cells.
  3. They are hormones that diffuse through the plasma membrane to stimulate protein production.
  4. They are the cleavage products of the inositol phospholipid, PIP2.

What property enables the residues of the amino acids serine, threonine, and tyrosine to be phosphorylated?

  1. They are polar.
  2. They are non-polar.
  3. They contain a hydroxyl group.
  4. They occur more frequently in the amino acid sequence of signaling proteins.

Histamine binds to the H1 G-protein-linked receptor to initiate the itchiness and airway constriction associated with an allergic response. If a mutation in the associated G-protein’s alpha subunit prevented the hydrolysis of GTP how would the allergic response change?

  1. More severe allergic response compared to normal G-protein signaling.
  2. Less severe allergic response compared to normal G-protein signaling.
  3. No allergic response.
  4. No change compared to normal G-protein signaling.

A scientist observes a mutation in the transmembrane region of EGFR that eliminates its ability to be stabilized by binding interactions during dimerization after ligand binding. Which hypothesis regarding the effect of this mutation on EGF signaling is most likely to be correct?

  1. EGF signaling cascades would be active for longer in the cell.
  2. EGF signaling cascades would be active for a shorter period of time in the cell.
  3. EGF signaling cascades would not occur.
  4. EGF signaling would be unaffected.

Kritinio mąstymo klausimai

The same second messengers are used in many different cells, but the response to second messengers is different in each cell. Kaip tai įmanoma?

Different cells produce different proteins, including cell-surface receptors and signaling pathway components. Therefore, they respond to different ligands, and the second messengers activate different pathways. Signal integration can also change the end result of signaling.

What would happen if the intracellular domain of a cell-surface receptor was switched with the domain from another receptor?

The binding of the ligand to the extracellular domain would activate the pathway normally activated by the receptor donating the intracellular domain.

If a cell developed a mutation in its MAP2K1 gene (encodes the MEK protein) that prevented MEK from being recognized by phosphatases, how would the EGFR signaling cascade and the cell’s behavior change?

EGF binding to EGFR initiates a signaling cascade that activates protein kinases through phosphorylation. Active Raf phosphorylates MEK, activating MEK’s kinase activity. If MEK cannot be dephosphorylated, the signaling cascade downstream of MEK will continue to be active after the EGF signal is gone. Therefore, the cell will continue to proliferate and be resistant to cell death (apoptosis).

Žodynėlis


Nerve Impulse: Definition, Propagation and Rate of Conduction

The electro­chemical wave that travels along nerve fibre and stimulates muscles, glands or other nerve cells is called nerve impulse.

Typical structure of neuron:

Neuron is the structural and functional unit of nervous system. It consists of a nerve cell body or soma and two types of processes-axon and dendrite (Fig. 8.29).

It is an irregular-shaped structure in the centre of which there lies a spherical nucleus with prominent nucleolus and Nissl granules. It also contains mitochondria, Golgi body, ribosome and ER etc.

It is the process of the cell body that carries impulse towards the cell body. It is usually short with many branches and contains Nissl granules.

It is the process of a nerve cell body that carries impulse away from it. It is usually single, long slender process and sometimes branched and contains axoplasm, neuro-fibril, etc. It terminates into branches with terminal buttons.

Classification of stimulus:

a) Subliminal stimulus:

Which can pro­duce the local excitatory state (LES) only?

b) Threshold value of stimulus:

Which can produce or transform the LES to action potential?

Propagation of Nerve Impulse:

The propagation of nerve impulse involves two major parts – A. Origin/stimu­lation of nerve impulse, B. Propagation/ travelling of nerve impulse.

A. Origin of Nerve impulse:

In resting nerve cells, the surface is posi­tively charged and the interior is negatively charged. When the surface is stimulated the stimulated point becomes negative. The fluids both inside and outside the cell are electro­lytic solution containing 150-160m Eq/litre.

Positive ions and negative ions are accumu­lated along the outer and inner surface of the cell membrane, respectively. This is achieved by Na + outside and K + inside the cell mem­brane, and because Na + is placed above the K + in the electrochemical series.

Development of local excitatory state and Development of action potential:

When stimulation is applied on the nerve cell, external Na + rushes inside the cell making the inner surface positively charged. The amount of Na + is not sufficient to gene­rate action potential and returns to the outside immediately, causing a closed cir­cuit.

Poilsio potencialas:

In resting state the nerve fibres remain in polarised state and the membrane potential lies within -70 mv. Na + concentration outside the membrane is higher than that of inside and K + concentration inside the membrane is higher than that of outside. K + can permeate through the membrane at resting condition but the Na + cannot permeate.

State of De-polarisation:

Permeability of Na + to membrane is increased only after stimulation causing de-polarisation. The tremendous increase in Na + conductance during this period is known as activation of membrane. After an initial slow rise, de-po­larisation wave overshoots rapidly and can reach the iso-potential line (above zero line) to approximately +35 mv (Fig. 8.30).

State of re-polarisation:

After reaching the iso-potential line K + begins to come out from inside the membrane, causing outside to be positive again. This is called re-polarisation.

The periodic rise of de-polarisation wave and rapid fall of re-pola­risation wave are known as spike potential.

Negative after potential:

At approxi­mately 2 /3rd of the polarisation, the rate of fall is being abruptly slowed down. This slower fall is known as negative after potential.

Positive after potential:

With the dis­appearance of the negative after potential, although the rising membrane potential is achieved, yet the resting ionic status is not established. It is achieved by the active Na + pump mechanism, which causes the posi­tive after potential. At the same time K + travels back to the inside of the membrane.

B. Propagation/travelling of nerve impulse:

1. Propagation on non-medulated nerve fibre:

According to the membrane theory, nerve impulse is a propagated wave of de-polarisation.

i) When the fibre is excited at a point, the polarity is reversed. This reversed polarity is due to increased permea­bility of Na + to the membrane, which develops de-polarisation wave.

ii) A local circuit current flows between the de-polarised membrane and the resting membrane areas.

iii) Positive current flows inward through the de-polarised membrane and out­ward through the resting membrane and in this way circuit is completed.

iv) The local de-polarisation current then exits the adjacent portion of the mem­brane progressively more and more de-polarisation.

v) The de-polarisation wave travels in all direction along the entire length of the nerve fibre.

2. Propagation in myelinated nerve fibre: Salutatory conduction:

In the myelinated nerve fibre conduction depends upon the similar pattern of circular current flow. Myelin sheath is an effective insulator. Ions cannot pass along the myelin sheaths but nodes of Ranvier permeate ions through it more easily. For this reason the impulse is transmitted from node to node rather than continuously along the entire of the nerve fibre (Fig. 8.32).

The de-polarisation in myelinated action jumps from one node of Ranvier to the next. This jumping or leaping of de-polarisation from node to node is known as saltatory con­duction.

Rate of Conduction of Nerve Impulse:

The basic principle of origin and propagation of nerve impulse is same, both in non-medulated and myelinated nerve fibres but the saltatory mechanism of conduction in myelinated nerve fibre increases the velocity of conduction more than 500 times.

The rate of conduction of a nerve impulse increases with an increase in the cross sectional diame­ter of the neuron and with increasing thick­ness of the myelin sheath. The rate of trans­mission for a given neuron is a constant. Table 8.8 gives an idea about rate of nerve impulse conduction through different nerves of various animals.