Informácie

12.4.3: Šírenie signálu - Biológia

12.4.3: Šírenie signálu - Biológia


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.

Zručnosti na rozvoj

  • Vysvetlite, ako väzba ligandu iniciuje prenos signálu v bunke
  • Poznať úlohu fosforylácie pri prenose vnútrobunkových signálov
  • Vyhodnoťte úlohu druhých poslov pri prenose signálu

Akonáhle sa ligand naviaže na receptor, signál sa prenesie cez membránu do cytoplazmy. K prenosu signálu dochádza iba s receptormi na bunkovom povrchu, pretože vnútorné receptory sú schopné priamo interagovať s DNA v jadre a iniciovať syntézu proteínov.

Keď sa ligand viaže na svoj receptor, dochádza ku konformačným zmenám, ktoré ovplyvňujú vnútrobunkovú doménu receptora. Konformačné zmeny extracelulárnej domény po väzbe ligandu sa môžu šíriť cez membránovú oblasť receptora a viesť k aktivácii intracelulárnej domény alebo jej asociovaných proteínov. V niektorých prípadoch spôsobuje väzba ligandu dimerizáciu receptora, čo znamená, že dva receptory sa na seba viažu a vytvárajú stabilný komplex nazývaný dimér. Dimér je chemická zlúčenina vytvorená spojením dvoch molekúl (často identických). Väzba receptorov týmto spôsobom umožňuje, aby sa ich vnútrobunkové domény dostali do úzkeho kontaktu a navzájom sa aktivovali.

Väzba spúšťa signalizačnú cestu

Keď sa ligand naviaže na receptor na bunkovom povrchu, aktivácia intracelulárnych komponentov receptora spustí reťazec udalostí, ktorý sa nazýva signálna dráha alebo signálna kaskáda. V signálnej dráhe interagujú druhí poslovia, enzýmy a aktivované proteíny so špecifickými proteínmi, ktoré sa následne aktivujú v reťazovej reakcii, ktorá nakoniec vedie k zmene prostredia bunky (obrázok (PageIndex{1})). Udalosti v kaskáde sa vyskytujú v sérii, podobne ako prúd tečie v rieke. Interakcie, ktoré sa vyskytnú pred určitým bodom, sú definované ako upstream udalosti a udalosti po tomto bode sa nazývajú downstream udalosti.

Art Connection

Pri určitých rakovinách je aktivita GTPázy G-proteínu RAS inhibovaná. To znamená, že proteín RAS už nemôže hydrolyzovať GTP na GDP. Aký vplyv by to malo na následné bunkové udalosti?

Signálne dráhy sa môžu veľmi rýchlo skomplikovať, pretože väčšina bunkových proteínov môže ovplyvniť rôzne následné udalosti v závislosti od podmienok v bunke. Jedna dráha sa môže rozvetvovať smerom k rôznym koncovým bodom na základe súhry medzi dvoma alebo viacerými signálnymi dráhami a rovnaké ligandy sa často používajú na iniciáciu rôznych signálov v rôznych typoch buniek. Táto variácia v reakcii je spôsobená rozdielmi v expresii proteínov v rôznych typoch buniek. Ďalším komplikujúcim prvkom je signálna integrácia dráh, v ktorej sa signály z dvoch alebo viacerých rôznych receptorov na bunkovom povrchu spájajú, aby aktivovali rovnakú odpoveď v bunke. Tento proces môže zabezpečiť splnenie viacerých externých požiadaviek predtým, ako sa bunka zaviaže ku konkrétnej odpovedi.

Účinky extracelulárnych signálov môžu byť tiež zosilnené enzymatickými kaskádami. Pri iniciácii signálu sa jediný ligand viaže na jeden receptor. Aktivácia enzýmu spojeného s receptorom však môže aktivovať mnohé kópie zložky signálnej kaskády, ktorá zosilňuje signál.

Metódy intracelulárnej signalizácie

Indukcia signálnej dráhy závisí od modifikácie bunkovej zložky enzýmom. Existuje množstvo enzymatických modifikácií, ktoré môžu nastať, a tie sú následne rozpoznané ďalšou zložkou v smere toku. Nasledujú niektoré z bežnejších udalostí v intracelulárnej signalizácii.

Jednou z najbežnejších chemických modifikácií, ktoré sa vyskytujú v signálnych dráhach, je pridanie fosfátovej skupiny (PO4–3) na molekulu, ako je proteín v procese nazývanom fosforylácia. Fosfát môže byť pridaný k nukleotidu, ako je GMP, za vzniku GDP alebo GTP. Fosfáty sa tiež často pridávajú do serínových, treonínových a tyrozínových zvyškov proteínov, kde nahrádzajú hydroxylovú skupinu aminokyseliny (obrázok (PageIndex{2})). Prenos fosfátu je katalyzovaný enzýmom nazývaným kináza. Rôzne kinázy sú pomenované podľa substrátu, ktorý fosforylujú. Fosforylácia serínových a treonínových zvyškov často aktivuje enzýmy. Fosforylácia tyrozínových zvyškov môže buď ovplyvniť aktivitu enzýmu, alebo vytvoriť väzobné miesto, ktoré interaguje s downstream zložkami v signálnej kaskáde. Fosforylácia môže aktivovať alebo inaktivovať enzýmy a zvrátenie fosforylácie, defosforylácia fosfatázou, zvráti účinok.

Druhí poslovia

Druhí poslovia sú malé molekuly, ktoré šíria signál potom, čo bol iniciovaný naviazaním signálnej molekuly na receptor. Tieto molekuly pomáhajú šíriť signál cez cytoplazmu tým, že menia správanie určitých bunkových proteínov.

Vápnikový ión je široko používaný druhý posol. Voľná ​​koncentrácia vápenatých iónov (Ca2+) v bunke je veľmi nízka, pretože iónové pumpy v plazmatickej membráne nepretržite používajú adenozín-5'-trifosfát (ATP) na jeho odstránenie. Na signalizačné účely, Ca2+ je uložený v cytoplazmatických vezikulách, ako je endoplazmatické retikulum, alebo je prístupný zvonku bunky. Keď dôjde k signalizácii, ligandom riadené vápnikové iónové kanály umožňujú vyššie hladiny Ca2+ ktoré sú prítomné mimo bunky (alebo v intracelulárnych skladovacích kompartmentoch), aby prúdili do cytoplazmy, čo zvyšuje koncentráciu cytoplazmatického Ca2+. Reakcia na zvýšenie Ca2+ sa líši v závislosti od príslušného typu bunky. Napríklad v β-bunkách pankreasu sa Ca2+ signalizácia vedie k uvoľňovaniu inzulínu a vo svalových bunkách k zvýšeniu Ca2+ vedie k svalovým kontrakciám.

Ďalší druhý posol používaný v mnohých rôznych typoch buniek je cyklický AMP (cAMP). Cyklický AMP je syntetizovaný enzýmom adenylylcyklázou z ATP (obrázok (PageIndex{3})). Hlavnou úlohou cAMP v bunkách je viazať sa a aktivovať enzým nazývaný cAMP-dependentná kináza (A-kináza). A-kináza reguluje mnoho životne dôležitých metabolických dráh: fosforyluje serínové a treonínové zvyšky svojich cieľových proteínov, čím ich v tomto procese aktivuje. A-kináza sa nachádza v mnohých rôznych typoch buniek a cieľové proteíny v každom druhu bunky sú odlišné. Rozdiely vedú k variácii odpovedí na cAMP v rôznych bunkách.

Inozitol fosfolipidy, ktoré sú prítomné v malých koncentráciách v plazmatickej membráne, sú lipidy, ktoré sa môžu tiež premeniť na druhých poslov. Pretože tieto molekuly sú membránovými komponentmi, nachádzajú sa v blízkosti membránovo viazaných receptorov a môžu s nimi ľahko interagovať. Fosfatidylinozitol (PI) je hlavný fosfolipid, ktorý hrá úlohu v bunkovej signalizácii. Enzýmy známe ako kinázy fosforylujú PI za vzniku PI-fosfátu (PIP) a PI-bisfosfátu (PIP2).

Enzým fosfolipáza C štiepi PIP2 za vzniku diacylglycerolu (DAG) a inozitoltrifosfátu (IP3) (Obrázok (PageIndex{4})). Tieto produkty štiepenia PIP2 slúžiť ako druhí poslovia. Diacylglycerol (DAG) zostáva v plazmatickej membráne a aktivuje proteínkinázu C (PKC), ktorá potom fosforyluje serínové a treonínové zvyšky vo svojich cieľových proteínoch. IP3 difunduje do cytoplazmy a viaže sa na ligandom riadené vápnikové kanály v endoplazmatickom retikule, čím uvoľňuje Ca2+ ktorá pokračuje v signálnej kaskáde.

Zhrnutie

Väzba ligandu na receptor umožňuje prenos signálu cez bunku. Reťazec udalostí, ktorý prenáša signál cez bunku, sa nazýva signálna dráha alebo kaskáda. Signálne dráhy sú často veľmi zložité kvôli interakcii medzi rôznymi proteínmi. Hlavnou zložkou bunkových signálnych kaskád je fosforylácia molekúl enzýmami známymi ako kinázy. Fosforylácia pridáva fosfátovú skupinu k serínovým, treonínovým a tyrozínovým zvyškom v proteíne, mení ich tvar a aktivuje alebo inaktivuje proteín. Malé molekuly, ako sú nukleotidy, môžu byť tiež fosforylované. Druhí poslovia sú malé neproteínové molekuly, ktoré sa používajú na prenos signálu v bunke. Niektoré príklady druhých poslov sú vápenaté ióny (Ca2+), cyklický AMP (cAMP), diacylglycerol (DAG) a inozitoltrifosfát (IP3).

Art Connections

[link] Pri niektorých rakovinách je aktivita GTPázy G-proteínu RAS inhibovaná. Aký vplyv by to malo na následné bunkové udalosti?

[link] ERK by sa stal trvalo aktivovaným, čo by viedlo k bunkovej proliferácii, migrácii, adhézii a rastu nových krvných ciev. Apoptóza by bola inhibovaná.

Slovník pojmov

cyklický AMP (cAMP)
druhý posol, ktorý je odvodený od ATP
cyklická AMP-dependentná kináza
(tiež proteínkináza A alebo PKA) kináza, ktorá sa aktivuje väzbou na cAMP
diacylglycerol (DAG)
produkt štiepenia PIP2 ktorý sa používa na signalizáciu v plazmatickej membráne
dimér
chemická zlúčenina, ktorá vzniká spojením dvoch molekúl
dimerizácia
(receptorových proteínov) interakcia dvoch receptorových proteínov za vzniku funkčného komplexu nazývaného dimér
inozitol fosfolipid
lipid prítomný v malých koncentráciách v plazmatickej membráne, ktorý sa premieňa na druhého posla; má inozitol (sacharid) ako svoju hydrofilnú hlavnú skupinu
inozitoltrifosfát (IP3)
produkt štiepenia PIP2 ktorý sa používa na signalizáciu v bunke
kináza
enzým, ktorý katalyzuje prenos fosfátovej skupiny z ATP na inú molekulu
druhý posol
malá, neproteínová molekula, ktorá šíri signál v bunke po aktivácii receptora spôsobuje jeho uvoľnenie
integrácia signálu
interakcia signálov z dvoch alebo viacerých rôznych receptorov na bunkovom povrchu, ktoré sa spájajú, aby aktivovali rovnakú odpoveď v bunke
prenos signálu
šírenie signálu cez cytoplazmu (a niekedy aj jadro) bunky
signálna dráha
(tiež signalizačná kaskáda) reťazec udalostí, ktoré sa vyskytujú v cytoplazme bunky na šírenie signálu z plazmatickej membrány na vyvolanie odozvy

Sekvencia jadrovej lokalizácie

A jadrový lokalizačný signál alebo sekvencie (NLS) je aminokyselinová sekvencia, ktorá „označuje“ proteín na import do bunkového jadra jadrovým transportom. [1] Typicky tento signál pozostáva z jednej alebo viacerých krátkych sekvencií kladne nabitých lyzínov alebo arginínov vystavených na povrchu proteínu. [1] Rôzne jadrové lokalizované proteíny môžu zdieľať rovnakú NLS. [1] NLS má opačnú funkciu ako jadrový exportný signál (NES), ktorý sa zameriava na proteíny z jadra.


Druhí poslovia

Druhí poslovia sú malé molekuly, ktoré šíria signál po tom, čo bol iniciovaný naviazaním signálnej molekuly na receptor. Tieto molekuly pomáhajú šíriť signál cez cytoplazmu tým, že menia správanie určitých bunkových proteínov.

Vápnikový ión je široko používaný druhý posol. Voľná ​​koncentrácia iónov vápnika (Ca2+) v bunke je veľmi nízka, pretože iónové pumpy v plazmatickej membráne nepretržite využívajú adenozín-5'-trifosfát (ATP) na jeho odstránenie. Na signalizačné účely sa Ca2+ uchováva v cytoplazmatických vezikulách, ako je endoplazmatické retikulum, alebo je prístupný zvonku bunky. Keď dôjde k signalizácii, ligandom riadené vápnikové iónové kanály umožňujú, aby vyššie hladiny Ca2+, ktoré sú prítomné mimo bunky (alebo v intracelulárnych skladovacích kompartmentoch), prúdili do cytoplazmy, čo zvyšuje koncentráciu cytoplazmatického Ca2+. Reakcia na zvýšenie Ca2+ sa líši v závislosti od typu buniek, ktoré sa podieľajú. Napríklad v β-bunkách pankreasu vedie signalizácia Ca 2+ k uvoľňovaniu inzulínu a vo svalových bunkách vedie zvýšenie Ca 2+ k svalovým kontrakciám.

Ďalší druhý posol používaný v mnohých rôznych typoch buniek je cyklický AMP (cAMP). Cyklický AMP je syntetizovaný enzýmom adenylylcyklázou z ATP (obrázok). Hlavnou úlohou cAMP v bunkách je viazať a aktivovať enzým tzv cAMP-dependentná kináza (A-kináza). A-kináza reguluje mnoho životne dôležitých metabolických dráh: fosforyluje serínové a treonínové zvyšky svojich cieľových proteínov, čím ich v tomto procese aktivuje. A-kináza sa nachádza v mnohých rôznych typoch buniek a cieľové proteíny v každom druhu bunky sú odlišné. Rozdiely vedú k variácii odpovedí na cAMP v rôznych bunkách.

Tento diagram ukazuje mechanizmus tvorby cyklického AMP (cAMP). cAMP slúži ako druhý posol na aktiváciu alebo inaktiváciu proteínov v bunke. K ukončeniu signálu dochádza, keď enzým nazývaný fosfodiesteráza konvertuje cAMP na AMP.

V malých koncentráciách prítomný v plazmatickej membráne, inozitol fosfolipidy sú lipidy, ktoré môžu byť tiež premenené na druhých poslov. Pretože tieto molekuly sú membránovými komponentmi, nachádzajú sa v blízkosti membránovo viazaných receptorov a môžu s nimi ľahko interagovať. Fosfatidylinozitol (PI) je hlavný fosfolipid, ktorý hrá úlohu v bunkovej signalizácii. Enzýmy známe ako kinázy fosforylujú PI za vzniku PI-fosfátu (PIP) a PI-bisfosfátu (PIP2).

Enzým fosfolipáza C štiepi PIP2 za vzniku diacylglycerolu (DAG) a inozitoltrifosfátu (IP3) (Obrázok). Tieto produkty štiepenia PIP2 slúžiť ako druhí poslovia. Diacylglycerol (DAG) zostáva v plazmatickej membráne a aktivuje proteínkinázu C (PKC), ktorá potom fosforyluje serínové a treonínové zvyšky vo svojich cieľových proteínoch. IP3 difunduje do cytoplazmy a viaže sa na ligandom riadené vápnikové kanály v endoplazmatickom retikule, čím uvoľňuje Ca2+, ktorý pokračuje v signálnej kaskáde.

Enzým fosfolipáza C rozkladá PIP2 do IP3 a DAG, pričom obe slúžia ako druhí poslovia.


Kontrolné otázky

Aká vlastnosť umožňuje fosforylovať zvyšky aminokyselín serín, treonín a tyrozín?

  1. Sú polárne.
  2. Sú nepolárne.
  3. Obsahujú hydroxylovú skupinu.
  4. Častejšie sa vyskytujú v sekvencii aminokyselín signálnych proteínov.

Histamín sa viaže na receptor spojený s G-proteínom H1, čím iniciuje svrbenie a zúženie dýchacích ciest spojené s alergickou odpoveďou. Ak by mutácia v pridruženej alfa podjednotke G-proteínu zabránila hydrolýze GTP, ako by sa zmenila alergická odpoveď?

  1. Závažnejšia alergická odpoveď v porovnaní s normálnou G-proteínovou signalizáciou.
  2. Menej závažná alergická odpoveď v porovnaní s normálnou G-proteínovou signalizáciou.
  3. Žiadna alergická reakcia.
  4. Žiadna zmena v porovnaní s normálnou signalizáciou G-proteínu.

Vedec pozoruje mutáciu v transmembránovej oblasti EGFR, ktorá eliminuje jeho schopnosť stabilizovať sa väzbovými interakciami počas dimerizácie po väzbe ligandu. Ktorá hypotéza týkajúca sa účinku tejto mutácie na signalizáciu EGF je s najväčšou pravdepodobnosťou správna?


Metódy intracelulárnej signalizácie

Indukcia signálnej dráhy aktivuje sekvenciu enzymatických modifikácií, ktoré sú postupne rozpoznávané ďalšou zložkou v smere.

Učebné ciele

Vysvetlite, ako väzba ligandu iniciuje prenos signálu v bunke

Kľúčové informácie

Kľúčové body

  • Fosforylácia, pridanie fosfátovej skupiny k molekule, ako je proteín, je jednou z najbežnejších chemických modifikácií, ktoré sa vyskytujú v signálnych dráhach.
  • Aktivácia druhých poslov, malých molekúl, ktoré šíria signál, je bežnou udalosťou po indukcii signálnej dráhy.
  • Vápnikový ión, cyklický AMP a inozitol fosfolipidy sú príkladmi široko používaných druhých poslov.

Kľúčové pojmy

  • druhý posol: akákoľvek látka používaná na prenos signálu v bunke, najmä taká, ktorá spúšťa kaskádu udalostí aktiváciou bunkových komponentov
  • fosforylácia: pridanie fosfátovej skupiny k zlúčenine často katalyzované enzýmami

Indukcia signálnej dráhy závisí od modifikácie bunkovej zložky enzýmom. Existuje množstvo enzymatických modifikácií, ktoré sa môžu vyskytnúť a ktoré sú postupne rozpoznané ďalšou zložkou v smere toku.

Jednou z najbežnejších chemických modifikácií, ktoré sa vyskytujú v signálnych dráhach, je pridanie fosfátovej skupiny (PO4 –3) na molekulu, ako je proteín v procese nazývanom fosforylácia. Fosfát môže byť pridaný k nukleotidu, ako je GMP, za vzniku GDP alebo GTP. Fosfáty sa tiež často pridávajú do serínových, treonínových a tyrozínových zvyškov proteínov, kde nahrádzajú hydroxylovú skupinu aminokyseliny. Prenos fosfátu je katalyzovaný enzýmom nazývaným kináza. Rôzne kinázy sú pomenované podľa substrátu, ktorý fosforylujú. Fosforylácia serínových a treonínových zvyškov často aktivuje enzýmy. Fosforylácia tyrozínových zvyškov môže buď ovplyvniť aktivitu enzýmu, alebo vytvoriť väzobné miesto, ktoré interaguje s downstream zložkami v signálnej kaskáde. Fosforylácia môže aktivovať alebo inaktivovať enzýmy, zvrátenie fosforylácie, defosforylácia fosfatázou, zvráti účinok.

Príklad fosforylácie: Pri fosforylácii proteínov sa k zvyškom aminokyselín serínu, treonínu a tyrozínu pridáva fosfátová skupina (PO4-3).

Aktivácia druhých poslov je tiež bežnou udalosťou po indukcii signálnej dráhy. Sú to malé molekuly, ktoré šíria signál po tom, čo bol iniciovaný naviazaním signálnej molekuly na receptor. Tieto molekuly pomáhajú šíriť signál cez cytoplazmu tým, že menia správanie určitých bunkových proteínov.

Vápnikový ión je široko používaný druhý posol. Voľná ​​koncentrácia iónov vápnika (Ca2+) v bunke je veľmi nízka, pretože iónové pumpy v plazmatickej membráne neustále využívajú adenozín-5′-trifosfát (ATP) na jeho odstránenie. Na signalizačné účely je Ca2+ uložený v cytoplazmatických vezikulách, ako je endoplazmatické retikulum, alebo je prístupný zvonku bunky. Keď dôjde k signalizácii, ligandom riadené vápnikové iónové kanály umožňujú, aby vyššie hladiny Ca2+, ktoré sú prítomné mimo bunky (alebo v intracelulárnych skladovacích kompartmentoch), prúdili do cytoplazmy, čo zvyšuje koncentráciu cytoplazmatického Ca2+. Reakcia na zvýšenie Ca2+ sa líši v závislosti od typu buniek, ktoré sa podieľajú. Napríklad v β-bunkách pankreasu vedie signalizácia Ca2+ k uvoľňovaniu inzulínu, zatiaľ čo vo svalových bunkách vedie zvýšenie Ca2+ k svalovým kontrakciám.

Ďalší druhý posol používaný v mnohých rôznych typoch buniek je cyklický AMP (cAMP). Cyklický AMP je syntetizovaný enzýmom adenylylcyklázou z ATP. Hlavnou úlohou cAMP v bunkách je viazať sa a aktivovať enzým nazývaný cAMP-dependentná kináza (A-kináza). A-kináza reguluje mnoho životne dôležitých metabolických dráh. Fosforyluje serínové a treonínové zvyšky svojich cieľových proteínov, čím ich v tomto procese aktivuje. A-kináza sa nachádza v mnohých rôznych typoch buniek, pričom cieľové proteíny v každom druhu bunky sú odlišné. Rozdiely vedú k variácii odpovedí na cAMP v rôznych bunkách.

Príklad cAMP ako druhého posla: Tento diagram znázorňuje mechanizmus tvorby cyklického AMP (cAMP). cAMP slúži ako druhý posol na aktiváciu alebo inaktiváciu proteínov v bunke. K ukončeniu signálu dochádza, keď enzým nazývaný fosfodiesteráza konvertuje cAMP na AMP.

Inozitol fosfolipidy, ktoré sú prítomné v malých koncentráciách v plazmatickej membráne, sú lipidy, ktoré sa môžu tiež premeniť na druhých poslov. Pretože tieto molekuly sú membránovými komponentmi, nachádzajú sa v blízkosti membránovo viazaných receptorov a môžu s nimi ľahko interagovať. Fosfatidylinozitol (PI) je hlavný fosfolipid, ktorý hrá úlohu v bunkovej signalizácii. Enzýmy známe ako kinázy fosforylujú PI za vzniku PI-fosfátu (PIP) a PI-bisfosfátu (PIP)2).


Bunková smrť

Keď je bunka poškodená, nadbytočná alebo potenciálne nebezpečná pre organizmus, bunka môže spustiť mechanizmus na spustenie programovanej bunkovej smrti, resp. apoptóza. Apoptóza umožňuje bunke zomrieť kontrolovaným spôsobom, ktorý zabraňuje uvoľneniu potenciálne škodlivých molekúl z vnútra bunky. Existuje mnoho interných kontrolných bodov, ktoré monitorujú zdravie bunky, ak sú pozorované abnormality, bunka môže spontánne spustiť proces apoptózy. V niektorých prípadoch, ako je vírusová infekcia alebo nekontrolované delenie buniek v dôsledku rakoviny, však normálne kontroly a rovnováhy bunky zlyhajú. Externá signalizácia môže tiež iniciovať apoptózu. Napríklad väčšina normálnych živočíšnych buniek má receptory, ktoré interagujú s extracelulárnou matricou, sieťou glykoproteínov, ktorá poskytuje štrukturálnu podporu bunkám v organizme. Väzba bunkových receptorov na extracelulárnu matricu iniciuje signálnu kaskádu v bunke. Ak sa však bunka vzdiali od extracelulárnej matrice, signalizácia sa zastaví a bunka podstúpi apoptózu. Tento systém bráni bunkám prechádzať telom a nekontrolovane sa množiť, ako sa to stáva pri nádorových bunkách, ktoré metastázujú.

Ďalší príklad externej signalizácie, ktorá vedie k apoptóze, sa vyskytuje pri vývoji T-buniek. T-bunky sú imunitné bunky, ktoré sa viažu na cudzie makromolekuly a častice a sú zamerané na ich zničenie imunitným systémom. Za normálnych okolností sa T-bunky nezameriavajú na „vlastné“ proteíny (tie z ich vlastného organizmu), čo je proces, ktorý môže viesť k autoimunitným ochoreniam. Aby sa rozvinula schopnosť rozlišovať medzi vlastným a iným, podstupujú nezrelé T-bunky skríning, aby sa zistilo, či sa viažu na takzvané vlastné proteíny. Ak sa T-bunkový receptor naviaže na vlastné proteíny, bunka spustí apoptózu, aby odstránila potenciálne nebezpečnú bunku.

Apoptóza je tiež nevyhnutná pre normálny embryologický vývoj. Napríklad u stavovcov rané štádiá vývoja zahŕňajú tvorbu tkaniva podobného pletivu medzi jednotlivými prstami na rukách a nohách (obrázok 2). V priebehu normálneho vývoja sa tieto nepotrebné bunky musia eliminovať, čím sa umožní vytvorenie úplne oddelených prstov na rukách a nohách. Mechanizmus bunkovej signalizácie spúšťa apoptózu, ktorá ničí bunky medzi vyvíjajúcimi sa prstami.

Obrázok 2 Histologický rez chodidla 15-dňového myšacieho embrya, vizualizovaný pomocou svetelnej mikroskopie, odhaľuje oblasti tkaniva medzi prstami na nohách, ktoré apoptóza odstráni skôr, ako myš dosiahne svoj plný gestačný vek v 27. dni. (poďakovanie: úprava diela Michala Maňasa)


Energia pre svalovú kontrakciu

Podľa teórie posuvného vlákna je ATP potrebný na poskytnutie energie pre svalovú kontrakciu. Odkiaľ pochádza tento ATP? V skutočnosti existuje viacero potenciálnych zdrojov, ako je znázornené na obrázku 12.4.5 nižšie.

  1. Ako môžete vidieť z prvého diagramu, určité množstvo ATP je už dostupné v kľudovom svale. Keď sa spustí svalová kontrakcia, tento ATP sa spotrebuje v priebehu niekoľkých sekúnd. Z kreatínfosfátu sa generuje viac ATP, ale aj tento ATP sa rýchlo spotrebuje. Za ďalších 15 sekúnd je to preč.
  2. Glukóza z krvi a glykogén uložený vo svaloch sa potom môžu použiť na tvorbu väčšieho množstva ATP. Glykogén sa rozkladá na glukózu a každá molekula glukózy produkuje dve molekuly ATP a dve molekuly pyruvátu. Pyruvát (ako kyselina pyrohroznová) sa môže použiť pri aeróbnom dýchaní, ak je k dispozícii kyslík. Alternatívne sa pyruvát môže použiť pri anaeróbnom dýchaní, ak nie je k dispozícii kyslík. Ten produkuje kyselinu mliečnu, ktorá môže prispievať k svalovej únave. Anaeróbne dýchanie sa zvyčajne vyskytuje iba počas namáhavého cvičenia, keď je potrebné toľko ATP, že do svalu nie je možné dodať dostatok kyslíka na udržanie kroku.
  3. Kľudové alebo stredne aktívne svaly môžu získať väčšinu ATP, ktoré potrebujú na kontrakcie, aeróbnym dýchaním. Tento proces prebieha v mitochondriách svalových buniek. V tomto procese glukóza a kyslík reagujú za vzniku oxidu uhličitého, vody a mnohých molekúl ATP.

Obsah

V mnohých malých organizmoch, ako sú baktérie, umožňuje snímanie kvóra jednotlivcom začať činnosť iba vtedy, keď je populácia dostatočne veľká. Táto signalizácia medzi bunkami bola prvýkrát pozorovaná v morskej baktérii Aliivibrio fischeri, ktorý pri dostatočnej hustote obyvateľstva produkuje svetlo. [10] Mechanizmus zahŕňa produkciu a detekciu signálnej molekuly a reguláciu transkripcie génu ako odpoveď. Quorum sensing funguje v gram-pozitívnych aj gram-negatívnych baktériách, a to ako v rámci, tak aj medzi druhmi. [11]

V slizniakoch sa jednotlivé bunky známe ako améby zhlukujú a vytvárajú plodnice a prípadne spóry pod vplyvom chemického signálu, pôvodne nazývaného akrazín. Jednotlivci sa pohybujú chemotaxiou, t.j. sú priťahovaní chemickým gradientom. Niektoré druhy používajú cyklický AMP ako signál iné ako napr Polysphondylium violaceum použiť iné molekuly, v jeho prípade etylester N-propionyl-gama-L-glutamyl-L-ornitín-delta-laktámu, prezývaný glorín. [12]

V rastlinách a zvieratách dochádza k signalizácii medzi bunkami buď uvoľnením do extracelulárneho priestoru, rozdeleného na parakrinnú signalizáciu (na krátke vzdialenosti) a endokrinnú signalizáciu (na veľké vzdialenosti), alebo priamym kontaktom, známym ako juxtakrinná signalizácia (napr. signalizácia zárezu). . [13] Autokrinná signalizácia je špeciálny prípad parakrinnej signalizácie, kde secernujúca bunka má schopnosť reagovať na secernovanú signalizačnú molekulu. [14] Synaptická signalizácia je špeciálny prípad parakrinnej signalizácie (pre chemické synapsie) alebo juxtakrinnej signalizácie (pre elektrické synapsie) medzi neurónmi a cieľovými bunkami.

Syntéza a uvoľnenie Upraviť

Mnohé bunkové signály sú prenášané molekulami, ktoré sú uvoľňované jednou bunkou a pohybujú sa, aby nadviazali kontakt s inou bunkou. Signálne molekuly môžu patriť do niekoľkých chemických tried: lipidy, fosfolipidy, aminokyseliny, monoamíny, proteíny, glykoproteíny alebo plyny. Signálne molekuly viažuce povrchové receptory sú vo všeobecnosti veľké a hydrofilné (napr. TRH, vazopresín, acetylcholín), zatiaľ čo tie, ktoré vstupujú do bunky, sú vo všeobecnosti malé a hydrofóbne (napr. glukokortikoidy, hormóny štítnej žľazy, cholekalciferol, kyselina retinová), ale dôležité výnimky sú početné, a tá istá molekula môže pôsobiť ako cez povrchové receptory, tak aj intrakrinným spôsobom na rôzne účinky. [14] V živočíšnych bunkách uvoľňujú špecializované bunky tieto hormóny a posielajú ich cez obehový systém do iných častí tela. Potom dosiahnu cieľové bunky, ktoré dokážu rozpoznať hormóny a reagovať na ne a vytvoriť výsledok. Toto je tiež známe ako endokrinná signalizácia. Regulátory rastu rastlín alebo rastlinné hormóny sa pohybujú bunkami alebo difundujú vzduchom ako plyn, aby dosiahli svoje ciele. [15] Sírovodík produkujú v malom množstve niektoré bunky ľudského tela a má množstvo biologických signalizačných funkcií. V súčasnosti sú známe len dva ďalšie takéto plyny, ktoré pôsobia ako signálne molekuly v ľudskom tele: oxid dusnatý a oxid uhoľnatý. [16]

Exocytóza Edit

Exocytóza je proces, pri ktorom bunka transportuje molekuly, ako sú neurotransmitery a proteíny, von z bunky. Exocytóza ako aktívny transportný mechanizmus vyžaduje použitie energie na transport materiálu. Exocytózu a jej náprotivok, endocytózu, využívajú všetky bunky, pretože väčšina chemických látok, ktoré sú pre ne dôležité, sú veľké polárne molekuly, ktoré pasívnymi prostriedkami nedokážu prejsť cez hydrofóbnu časť bunkovej membrány. Exocytóza je proces, pri ktorom sa uvoľňuje veľké množstvo molekúl, takže ide o formu hromadného transportu. Exocytóza sa vyskytuje prostredníctvom sekrečných portálov na bunkovej plazmatickej membráne nazývanej porozómy. Porozómy sú permanentná miskovitá lipoproteínová štruktúra na bunkovej plazmatickej membráne, kde sa sekrečné vezikuly prechodne ukotvia a spoja, aby sa uvoľnil intravezikulárny obsah z bunky.

Pri exocytóze sa sekrečné vezikuly viazané na membránu prenesú do bunkovej membrány, kde sa ukotvia a spoja v porozómoch a ich obsah (t. j. vo vode rozpustné molekuly) sa vylúči do extracelulárneho prostredia. Táto sekrécia je možná, pretože vezikula sa prechodne spája s plazmatickou membránou. V kontexte neurotransmisie sa neurotransmitery typicky uvoľňujú zo synaptických vezikúl do synaptickej štrbiny prostredníctvom exocytózy, neurotransmitery sa však môžu uvoľňovať aj reverzným transportom cez membránové transportné proteíny.

Úprava formulárov

Autokrinná úprava

Autokrinná signalizácia zahŕňa bunku, ktorá vylučuje hormón alebo chemický posol (nazývaný autokrinný prostriedok), ktorý sa viaže na autokrinné receptory na tej istej bunke, čo vedie k zmenám v samotnej bunke. [17] Dá sa to porovnať s parakrinnou signalizáciou, intrakrinnou signalizáciou alebo klasickou endokrinnou signalizáciou.

Parakrinná úprava

Pri parakrinnej signalizácii bunka produkuje signál na vyvolanie zmien v blízkych bunkách, čím sa mení správanie týchto buniek. Signalizačné molekuly známe ako parakrinné faktory difundujú na relatívne krátku vzdialenosť (lokálne pôsobenie), na rozdiel od bunkovej signalizácie endokrinnými faktormi, hormónmi, ktoré prechádzajú podstatne dlhšie vzdialenosti prostredníctvom juxtakrinných interakcií obehového systému a autokrinnej signalizácie. Bunky, ktoré produkujú parakrinné faktory, ich vylučujú do bezprostredného extracelulárneho prostredia. Faktory potom putujú do blízkych buniek, v ktorých gradient prijatého faktora určuje výsledok. Presná vzdialenosť, ktorú môžu parakrinné faktory prejsť, však nie je istá.

Parakrinné signály, ako je kyselina retinová, sa zameriavajú iba na bunky v blízkosti emitujúcej bunky. [18] Neurotransmitery predstavujú ďalší príklad parakrinného signálu.

Niektoré signálne molekuly môžu fungovať ako hormón aj ako neurotransmiter. Napríklad epinefrín a norepinefrín môžu fungovať ako hormóny, keď sa uvoľňujú z nadobličiek a sú transportované do srdca prostredníctvom krvného obehu. Norepinefrín môžu tiež produkovať neuróny, aby fungoval ako neurotransmiter v mozgu. [19] Estrogén môže byť uvoľňovaný vaječníkmi a fungovať ako hormón alebo pôsobiť lokálne prostredníctvom parakrinnej alebo autokrinnej signalizácie. [20]

Aj keď parakrinná signalizácia vyvoláva v indukovaných bunkách rôznorodú škálu reakcií, väčšina parakrinných faktorov využíva relatívne efektívny súbor receptorov a dráh. V skutočnosti je známe, že rôzne orgány v tele - dokonca aj medzi rôznymi druhmi - využívajú podobné súbory parakrinných faktorov v odlišnom vývoji. [21] Vysoko konzervované receptory a dráhy môžu byť organizované do štyroch veľkých rodín na základe podobných štruktúr: rodina fibroblastového rastového faktora (FGF), rodina Hedgehog, rodina Wnt a superrodina TGF-β. Väzba parakrinného faktora na jeho príslušný receptor iniciuje kaskády prenosu signálu, čo vyvoláva rôzne reakcie.

Endokrinná úprava

Endokrinné signály sa nazývajú hormóny. Hormóny sú produkované endokrinnými bunkami a putujú krvou do všetkých častí tela. Špecifickosť signalizácie môže byť kontrolovaná, ak iba niektoré bunky môžu reagovať na konkrétny hormón. Endokrinná signalizácia zahŕňa uvoľňovanie hormónov vnútornými žľazami organizmu priamo do obehového systému, regulujúc vzdialené cieľové orgány. U stavovcov je hypotalamus nervovým riadiacim centrom pre všetky endokrinné systémy. U ľudí sú hlavnými endokrinnými žľazami štítna žľaza a nadobličky. Štúdium endokrinného systému a jeho porúch je známe ako endokrinológia.

Juxtakrinná úprava

Juxtakrinná signalizácia je typ signalizácie bunka-bunka alebo bunka-extracelulárna matrica v mnohobunkových organizmoch, ktorá si vyžaduje úzky kontakt. Existujú tri typy:

  1. Membránový ligand (proteín, oligosacharid, lipid) a membránový proteín dvoch susedných buniek interagujú.
  2. Komunikačné spojenie spája intracelulárne kompartmenty dvoch susedných buniek, čo umožňuje prechod relatívne malých molekúl.
  3. Glykoproteín extracelulárnej matrice a membránový proteín interagujú.

Okrem toho v jednobunkových organizmoch, ako sú baktérie, juxtakrinná signalizácia znamená interakcie prostredníctvom membránového kontaktu. Juxtakrínová signalizácia bola pozorovaná pre niektoré rastové faktory, cytokínové a chemokínové bunkové signály, ktoré hrajú dôležitú úlohu v imunitnej odpovedi.

Bunky dostávajú informácie od svojich susedov prostredníctvom triedy proteínov známych ako receptory. Receptory sa môžu viazať s niektorými molekulami (ligandy) alebo môžu interagovať s fyzikálnymi činiteľmi, ako je svetlo, mechanická teplota, tlak atď. K príjmu dochádza, keď cieľová bunka (akákoľvek bunka s receptorovým proteínom špecifickým pre signálnu molekulu) deteguje signál, zvyčajne v vo forme malej, vo vode rozpustnej molekuly, prostredníctvom väzby na receptorový proteín na povrchu bunky alebo akonáhle je vo vnútri bunky, signálna molekula sa môže viazať na intracelulárne receptory, iné prvky alebo stimulovať aktivitu enzýmu (napr. plyny), ako napr. pri intrakrinnej signalizácii.

Signálne molekuly interagujú s cieľovou bunkou ako ligand k receptorom bunkového povrchu a/alebo vstupom do bunky cez jej membránu alebo endocytózou na intrakrinnú signalizáciu. Vo všeobecnosti to vedie k aktivácii druhých poslov, čo vedie k rôznym fyziologickým účinkom. U mnohých cicavcov si skoré embryonálne bunky vymieňajú signály s bunkami maternice. [22] V ľudskom gastrointestinálnom trakte si baktérie vymieňajú signály medzi sebou navzájom as bunkami ľudského epitelu a imunitného systému. [23] Pre kvások Saccharomyces cerevisiae počas párenia niektoré bunky vysielajú do svojho prostredia peptidový signál (feromóny párovacieho faktora). Peptid párovacieho faktora sa môže viazať na bunkový povrchový receptor na iných kvasinkových bunkách a prinútiť ich, aby sa pripravili na párenie. [24]

Receptory bunkového povrchu Edit

Receptory bunkového povrchu hrajú zásadnú úlohu v biologických systémoch jednobunkových a mnohobunkových organizmov a nesprávne fungovanie alebo poškodenie týchto proteínov je spojené s rakovinou, srdcovými chorobami a astmou. [25] Tieto transmembránové receptory sú schopné prenášať informácie zvonku bunky dovnútra, pretože menia konformáciu, keď sa na ňu naviaže špecifický ligand. Pri pohľade na tri hlavné typy receptorov: receptory spojené s iónovými kanálmi, receptory spojené s G proteínom a receptory spojené s enzýmami).

Receptory spojené s iónovým kanálom Edit

Receptory spojené s iónovými kanálmi sú skupinou transmembránových proteínov s iónovými kanálmi, ktoré sa otvárajú, aby umožnili iónom, ako je Na+, K+, Ca2+ a/alebo Cl- prejsť cez membránu v reakcii na väzbu chemického posla ( ligand), ako je neurotransmiter. [26] [27] [28]

Keď je presynaptický neurón excitovaný, uvoľňuje neurotransmiter z vezikúl do synaptickej štrbiny. Neurotransmiter sa potom viaže na receptory umiestnené na postsynaptickom neuróne. Ak sú tieto receptory iónovými kanálmi riadenými ligandom, výsledná konformačná zmena otvára iónové kanály, čo vedie k toku iónov cez bunkovú membránu. To následne vedie buď k depolarizácii, v prípade excitačnej receptorovej odpovede, alebo k hyperpolarizácii v prípade inhibičnej odpovede.

Tieto receptorové proteíny sa typicky skladajú z aspoň dvoch rôznych domén: transmembránovej domény, ktorá zahŕňa iónové póry, a extracelulárnej domény, ktorá zahŕňa miesto viazania ligandu (alosterické väzbové miesto). Táto modularita umožnila prístup „rozdeľuj a panuj“ pri hľadaní štruktúry proteínov (kryštalizácia každej domény samostatne). 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. [ potrebná citácia ]

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. [ potrebná citácia ]

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

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 Acetylcholín
(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 Génový prejav
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 Génový prejav
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 Génový prejav
Cytoplasmic Steroid receptors Steroid hormones,
Thyroid hormones,
Retinoic acid etc
Work as/ interact with transcription factors Génový prejav

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 elegans, 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

Na konci tejto časti budete môcť:

  • 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. Udalosti v kaskáde sa vyskytujú v sérii, podobne ako prúd tečie v rieke. Interakcie, ktoré sa vyskytnú pred určitým bodom, sú definované ako upstream udalosti a udalosti po tomto bode sa nazývajú downstream udalosti.


Pri určitých rakovinách je aktivita GTPázy G-proteínu RAS inhibovaná. To znamená, že proteín RAS už nemôže hydrolyzovať GTP na GDP. Aký vplyv by to malo na následné bunkové udalosti?

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. Jedna dráha sa môže rozvetvovať smerom k rôznym koncovým bodom na základe súhry medzi dvoma alebo viacerými signálnymi dráhami a rovnaké ligandy sa často používajú na iniciáciu rôznych signálov v rôznych typoch buniek. Táto variácia v reakcii je spôsobená rozdielmi v expresii proteínov v rôznych typoch buniek. Ďalším komplikujúcim prvkom je signálna integrácia dráh, v ktorej sa signály z dvoch alebo viacerých rôznych receptorov na bunkovom povrchu spájajú, aby aktivovali rovnakú odpoveď v bunke. Tento proces môže zabezpečiť splnenie viacerých externých požiadaviek predtým, ako sa bunka zaviaže ku konkrétnej odpovedi.

Účinky extracelulárnych signálov môžu byť tiež zosilnené enzymatickými kaskádami. Pri iniciácii signálu sa jediný ligand viaže na jeden receptor. Aktivácia enzýmu spojeného s receptorom však môže aktivovať mnohé kópie zložky signálnej kaskády, ktorá zosilňuje signál.

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.

Phosphorylation

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.


Zhrnutie sekcie

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).

Otázky týkajúce sa vizuálneho pripojenia

(Figure) In certain cancers, the GTPase activity of the RAS G-protein is inhibited. To znamená, že proteín RAS už nemôže hydrolyzovať GTP na GDP. Aký vplyv by to malo na následné bunkové udalosti?

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

Kontrolné otázky

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.

Otázky kritického myslenia

The same second messengers are used in many different cells, but the response to second messengers is different in each cell. How is this possible?

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).

Slovník pojmov


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.

Oddychový potenciál:

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.


Pozri si video: Seriál: Šírenie TV signálu V.a (Septembra 2022).


Komentáre:

  1. Maura

    Už dlho som chcel vidieť

  2. Eusebius

    Áno, teraz je to jasné ... a potom som hneď nerozumel

  3. Ra

    Tento úžasný nápad práve vyrytý

  4. Jedaiah

    existuje nieco podobne?

  5. Disho

    It should be in the quotation book



Napíšte správu