Signalų perdavimas (ląstelių signalizacija) — apibrėžimas ir mechanizmai

Signalo perdavimas (ląstelių signalizacija): kas tai, kaip veikia receptoriai, antrieji pasiuntiniai ir signalų kaskados — mechanizmai, stiprinimas ir biologiniai atsakai.

Signalo perdavimas biologijoje yra ląstelinis mechanizmas, kuriuo cheminis ar fizinis stimulas paverčiamas ląstelės atsaku. Procesas susideda iš kelių nuoseklių žingsnių: receptoriaus aktyvacijos, signalo transdukcijos viduje ir galutinio atsako. Pagrindiniai etapai trumpai:

1. Signalinė molekulė prisijungia prie ląstelės membranoje esančio receptoriaus baltymo.
2. Antrasis pasiuntinys perduoda signalą į ląstelę, ir ląstelėje įvyksta pokytis.

Mechanizmai ir receptorių tipai

Signalo perdavimas prasideda nuo signalo patekimo į ląstelės receptorių ir baigiasi ląstelės funkcijos pokyčiu. Receptoriai gali būti skirtingose vietose ir veikti įvairiai:

• Jungimosi kanalai (ligand-gated ion channels) – atsidaro arba užsidaro prisijungus ligandui, leidžiantys ištirpus jonams pratekėti (tai greitas mechanizmas, susijęs su jonų srauto). Tai būdinga sinaptinei signalizacijai.
• G baltymų susieti receptoriai (GPCR) – aktyvavę receptoriumi perduoda signalą per G baltymus, kurie valdo fermentus ar jonų kanalus; jie sukelia gamybą antrųjų pasiuntinių (pvz., cAMP).
• Receptorių tirozinkinazės (RTK) – membraniniai receptoriai, kurie aktyvuojant fosforilina tarpusavyje baltymus, pradėdami kaskadas (pvz., augimo faktorių signalizacija).
• Intraceliuliniai receptoriai – kai kurie signalai, pavyzdžiui, testosteronas, gali prasiskverbti pro membraną ir tiesiogiai prisijungti prie receptorių citoplazmoje arba branduolyje, reguliuodami DNR raišką.

Signalo transdukcija ir antrieji pasiuntiniai

Po receptoriaus aktyvacijos signalas dažnai perduodamas per baltymų fosforilinimą, G baltymus, ar mažas molekules – antrinius pasiuntinius. Dažniausiai pasitaikantys antrieji pasiuntiniai ir mediatoriai:

• cAMP ir cGMP
• IP3 ir DAG
• Ca2+ (kalcio) koncentracijos pokyčiai
• NO (azoto oksidas) ir kiti laisvieji mediatoriai

Šiuos signalus perteikia ir moduliuoja fermentai, tokie kaip kinazės (pvz., PKA, PKC, MAPK) bei fosfatazės. Tokia kaskadinė perdavimo seka dar vadinama „antrųjų pasiuntinių keliu“.

Signalų kaskados, sustiprinimas ir kryžminis ryšys

Kartais ląstelėje vyksta signalų kaskada. Kiekviename kaskados žingsnyje signalas gali būti sustiprintas, todėl vienas mažas signalas gali sukelti daugybę išvestinių reakcijų. Pvz., aktyvus fermentas gali fosforilinti daug tikslinių baltymų arba įjungti kitą kinazę, kuri toliau daugina signalą (MAPK kaskada yra geras pavyzdys).

Be to, signalų keliai dažnai „kalbasi“ tarpusavyje (cross-talk), leidžiantys ląstelei integruoti kelis aplinkos signalus ir priimti tinkamą sprendimą.

Laiko skalė ir išėjimo efektai

Tokie procesai gali vykti nuo milisekundžių iki parų ar net dienų: greiti atsakai apima jonų kanalų atsidarymą ar fermentų aktyvumo pokyčius (milisekundės–sekundės), o lėtesni – genų raiškos modifikacijas arba morfologinius pokyčius (valandos–dienos). Kaip minėta, diapazonas apima nuo jonų srauto iki genų raiškos pakeitimų genų raiškos atveju.

Galutiniai ląstelės atsakai gali būti labai įvairūs: fermentų aktyvumo keitimas, metabolizmo pokyčiai, baltymų sintezė, DNR transkripcija, ląstelės dalijimasis, judrumas ar net apoptinis (programuotos mirties) atsakas.

Reguliavimas ir signalo nutraukimas

Signalo perdavimas yra griežtai reguliuojamas. Nutraukimo mechanizmai apima:

• receptorių desensitizaciją ir endocitozę (receptoriai pašalinami iš membranos),
• antrinių pasiuntinių metabolizmą (pvz., fosfodiesterazių veikla, skaidanti cAMP),
• fosfatazių veiklą, grąžinančią baltymus į nefosforilintą būseną,
• kalcio jonų pompavimą į organeles ar iš ląstelės, mažinant Ca2+ signalą.

Signalų tipai tarp ląstelių

Signalo pobūdis priklauso nuo atstumo ir perdavimo būdo:

• Endokrininė – hormonas išskiriamas į kraują ir veikia nutolusias ląsteles;
• Parakrininė – signalas veikia kaimynines ląsteles;
• Autokrininė – ląstelė reaguoja į pati save išskirtus signalus;
• Juxtakrininė – tiesioginis kontaktinis signalas per membraninius baltymus;
• Sinaptinė – nervų ląstelių atveju signalo perdavimas per sinapses (greiti ioniniai pokyčiai ir neurotransmiteriai).

Vienaląsčiai ir daugialąsčiai organizmai

Bakterijose ir kituose vienaląsčiuose organizmuose ląstelės turimi perdavimo procesai riboja būdų, kuriais ji gali reaguoti į aplinką, skaičių. Daugialąsčiuose organizmuose atskirų ląstelių elgsenai koordinuoti naudojama daug skirtingų signalų perdavimo procesų. Tokiu būdu organizuojama viso organizmo funkcija: audiniai ir organai reaguoja suderintai, o imuninė, endokrininė bei nervinė sistemos naudoja skirtingus signalų tipų repertuarus. Kuo sudėtingesnis organizmas, tuo sudėtingesnį signalų perdavimo procesų repertuarą jis turi turėti.

Reikšmė sveikatai ir ligoms

Išorinės ir vidinės aplinkos jutimas ląstelės lygmeniu priklauso nuo signalų perdavimo. Daugelis ligų, tokių kaip diabetas (sutrikusi insulino signalizacija), širdies ligos (pvz., beta‑adrenoreceptorių vadybos pokyčiai), autoimunitetas (neįprasta imuninė signalizacija) ir vėžys, atsiranda dėl signalų perdavimo kelių defektų ar geninių pakitimų signalų komponentuose. Tai rodo, kad signalų perdavimas yra kritiškai svarbus tiek biologijai, tiek medicinai; daugelis gydymo būdų (pvz., receptoriniai inhibitoriai, kinazių inhibitoriai) taikomi būtent šiems keliams koreguoti.

Evoliucinė prigimtis

Šios ląstelių komunikacijos sistemos yra labai senos ir aptinkamos visuose metazoa. Pagrindiniai mechanizmai (receptoriai, antriniai pasiuntiniai, kinazės) konservuoti per evoliuciją, nors jų dėka atsirado didžiulė funkcijų įvairovė ir kompleksinės reguliacijos sistemos.

Santrauka: signalo perdavimas yra receptorių priimtas ir per antrinius pasiuntinius perduodamas procesas, kuris per kaskadas ir sustiprinimą paveikia ląstelės elgesį. Jis užtikrina, kad ląstelės galėtų tiksliai reaguoti į vidinę ir išorinę aplinką, o jo sutrikimai dažnai lemia ligas.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra signalo perdavimas?

K: Kokie yra du signalo perdavimo etapai?

Klausimas: Kaip signalai gali būti sustiprinti bet kuriame iš signalo perdavimo etapų?

K: Kur ląstelėse yra receptoriai?

K: Kaip ląstelėse veikia cheminiai signalai?

Klausimas: Kaip paprastai šie procesai vyksta greitai?

K: Kodėl svarbu suprasti, kaip veikia signalų perdavimas?

Paieška pagal raidę