Informácie

9: Bunková komunikácia – biológia

9: Bunková komunikácia – 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.

Zatiaľ čo potreba bunkovej komunikácie vo väčších organizmoch sa zdá byť zrejmá, dokonca aj jednobunkové organizmy spolu komunikujú. Efektívna a bezchybná funkcia komunikačných systémov je životne dôležitá pre celý život, ako ho poznáme.

  • 9.0: Predohra k bunkovej komunikácii
    V mnohobunkových organizmoch bunky neustále vysielajú a prijímajú chemické správy, aby koordinovali činnosť vzdialených orgánov, tkanív a buniek. Schopnosť posielať správy rýchlo a efektívne umožňuje bunkám koordinovať a dolaďovať ich funkcie.
  • 9.1: Signalizačné molekuly a bunkové receptory
    Chemické signály sú uvoľňované signálnymi bunkami vo forme malých, zvyčajne prchavých alebo rozpustných molekúl nazývaných ligandy. Ligand je molekula, ktorá viaže inú špecifickú molekulu, v niektorých prípadoch dodáva signál v procese. Ligandy možno teda považovať za signálne molekuly. Ligandy interagujú s proteínmi v cieľových bunkách, čo sú bunky, ktoré sú ovplyvnené chemickými signálmi; tieto proteíny sa tiež nazývajú receptory.
  • 9.2: Šírenie signálu
    Akonáhle sa ligand naviaže na receptor, signál sa prenesie cez membránu do cytoplazmy. Pokračovanie signálu týmto spôsobom sa nazýva prenos signálu. 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.
  • 9.3: Reakcia na signál
    Vnútri bunky sa ligandy viažu na svoje vnútorné receptory, čo im umožňuje priamo ovplyvňovať bunkovú DNA a mechanizmus produkujúci proteíny. Pomocou signálnych transdukčných dráh vytvárajú receptory v plazmatickej membráne rôzne účinky na bunku. Výsledky signálnych dráh sú mimoriadne rôznorodé a závisia od typu zapojenej bunky, ako aj od vonkajších a vnútorných podmienok. Malá vzorka odpovedí je popísaná nižšie.
  • 9.4: Signalizácia v jednobunkových organizmoch
    Vnútorná bunková signalizácia umožňuje baktériám reagovať na environmentálne podnety, ako sú hladiny živín, niektoré jednobunkové organizmy tiež uvoľňujú molekuly, aby si navzájom signalizovali.
  • 9.E: Bunková komunikácia (cvičenia)

Biológia Kapitola 9 - Bunková komunikácia

Táto kapitola sa týka bunkovej komunikácie. Ide o dôležitý a komplexný proces, ktorý knihy vo všeobecnosti pomerne dobre sumarizujú, no zahŕňa množstvo detailov, vďaka ktorým sa tieto informácie môžu zdať mnohým skľučujúce. Hlavným cieľom je, aby ste porozumeli niektorým zo spôsobov, akými bunky medzi sebou hovoria.

Bunková komunikácia sa používa na párenie medzi jednobunkovými organizmami, lokálnu komunikáciu medzi susednými bunkami, komunikáciu na veľké vzdialenosti pomocou hormónov (dokonca aj bunkovú komunikáciu medzi človekom pomocou feromónov) a úzku komunikáciu prostredníctvom priameho kontaktu (gap junctions, plazmodesmata a väzba na proteíny rozpoznávajúce bunky ).

Základné štádiá bunkovej signalizácie sú: 1) Signálna molekula (ligand) sa viaže na receptor (recepciu) – tieto receptory sa nachádzajú na membráne alebo v cytoplazme. Väčšina receptorov sa nachádza na bunkovom povrchu (prečo si myslíte, že je to tak?) 2) Prenos signálu – signálna molekula určitým spôsobom zmení receptor, ktorý iniciuje transdukciu. Transdukcia premieňa signál vyvolaný zmeneným receptorom na formu, ktorá môže vyvolať bunkovú odpoveď. 3) Odozva – môže ísť o takmer akúkoľvek bunkovú aktivitu (t. j. aktiváciu určitého enzýmu, podporu transkripcie DNA, spôsobenie pohybu komponentov cytoskeletu atď.). Odpoveď môže byť aj negatívna (t. j. inhibovať aktiváciu niečoho).

Kniha rozoberá 3 základné typy receptorov, ktoré sa nachádzajú na bunkovej membráne. Budeme diskutovať iba o týchto a diskutovať o dobre akceptovaných úlohách, ktoré každý z týchto receptorov hrá, avšak všimnite si, že tieto receptory sú oveľa zložitejšie, ako je diskutované v kapitole (napríklad receptor spojený s G-proteínom môže spôsobiť prenos signálu mnohými inými metódami okrem g-proteínov).

Receptory bunkovej membrány: Receptory spojené s G-proteínom – tieto receptory sa spájajú s proteínom nazývaným G-proteín. Tento proteín môže byť „zapnutý“ a „vypnutý“ receptorom na základe signálnej molekuly, ktorá sa naň viaže. Keď je G-proteín „zapnutý“, môže to viesť k odpovedi. Najčastejšie ide o aktiváciu enzýmu. Kniha odhaduje, že 60 % liekov používaných v súčasnosti na trhu pôsobí tak, že ovplyvňuje aktivitu receptorov páru G-proteínu.

2 hlavné reakcie sprostredkované receptormi spojenými s G-proteínom, o ktorých budete v biológii často počuť, sú aktivácia kináz a uvoľnenie vápnika z intracelulárneho skladovania. Kináza je enzým, ktorý fosforyluje (umiestňuje fosfátovú skupinu) iné molekuly. Fosforylácia kinázami je jednou z hlavných metód aktivácie proteínov. Uvoľňovanie vápnika hrá dôležitú úlohu v mnohých bunkových funkciách, ktoré sa podieľajú na veciach od svalových kontrakcií až po pamäť.

Tyrozínkinázové receptory – Tieto receptory pôsobia priamou fosforyláciou proteínov. Po fosfylácii môžu tieto proteíny vyvolať bunkové reakcie. Kniha naznačuje, že tyrozínkinázy môžu aktivovať viac dráh súčasne ako receptory spojené s G-proteínom (s nedávnou komplexnosťou reakcií receptorov spojených s G-proteínom by som s týmto tvrdením nemusel súhlasiť).

Ligandom riadené iónové kanály – Tieto receptory prenášajú svoj signál otvorením póru, keď sa ligand naviaže na receptor. Tento pór umožní určitým iónom prejsť cez membránu. Jednou z hlavných úloh iónových kanálov je šírenie elektrických signálov v nervovom systéme.

Intracelulárne receptory: Receptory, o ktorých sme doteraz diskutovali, majú tendenciu viazať sa na ligandy, ktoré nemôžu prejsť cez bunkovú membránu. Niektoré látky, ako sú plyny (hlavný je oxid dusnatý) a steroidy, môžu voľne prechádzať cez bunkovú membránu

teda nepotrebujú mať receptory na bunkovom povrchu. Mnohé z týchto látok budú mať vo vnútri bunky rôzne formy receptorov. Mnohé z týchto látok putujú priamo do jadra a menia transkripciu DNA.

Zvyšok kapitoly sa venuje niektorým zložitostiam prenosu signálu a niekoľkým z mnohých reakcií, ktoré možno aktivovať. Z toho je hlavnou vecou pochopiť, že väzba jedného ligandu na receptor môže spôsobiť veľkú kaskádu signálov, ktoré často zosilnia počiatočnú odpoveď. Dve z hlavných odpovedí, ktoré si treba zapamätať, sú fosforylačné kaskády kinázami a vápniková signalizácia (nemusíte si však pamätať zložité detaily zobrazených obrázkov).


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]

U rastlín a živočíchov 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 noradrenalín 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 na niektoré molekuly (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 vnútrobunkové 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 endocytózu 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 sú 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, pre excitačnú receptorovú odpoveď, alebo hyperpolarizácii, pri inhibičnej reakcii.

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). Funkciou takýchto receptorov umiestnených v synapsiách je previesť chemický signál presynapticky uvoľneného neurotransmitera priamo a veľmi rýchlo na postsynaptický elektrický signál. Mnohé LIC sú dodatočne modulované alosterickými ligandmi, blokátormi kanálov, iónmi alebo membránovým potenciálom. LIC sú klasifikované do troch superrodín, ktorým chýba evolučný vzťah: cys-loop receptory, ionotropné glutamátové receptory a ATP-gated kanály.

Receptory spojené s G proteínom Edit

Receptory spojené s G proteínom sú veľkou skupinou evolučne príbuzných proteínov, ktoré sú receptormi bunkového povrchu, ktoré detegujú molekuly mimo bunky a aktivujú bunkové reakcie. V spojení s G proteínmi sa nazývajú sedemtransmembránové receptory, pretože prechádzajú cez bunkovú membránu sedemkrát. [29] Ligandy sa môžu viazať buď na extracelulárny N-koniec a slučky (napr. glutamátové receptory) alebo na väzbové miesto v rámci transmembránových helixov (rodina podobná rodopsínu). Všetky sú aktivované agonistami, hoci je možné pozorovať aj spontánnu autoaktiváciu prázdneho receptora. [29]

Receptory spojené s G proteínom sa nachádzajú iba v eukaryotoch vrátane kvasiniek, choanoflagelátov [30] a zvierat. Ligandy, ktoré viažu a aktivujú tieto receptory, zahŕňajú zlúčeniny citlivé na svetlo, pachy, feromóny, hormóny a neurotransmitery a líšia sa veľkosťou od malých molekúl cez peptidy až po veľké proteíny. Receptory spojené s G proteínom sa podieľajú na mnohých ochoreniach.

Existujú dve hlavné dráhy prenosu signálu zahŕňajúce receptory spojené s G proteínom: signálna dráha cAMP a signálna dráha fosfatidylinozitolu. [31] Keď sa ligand naviaže na GPCR, spôsobí konformačnú zmenu v GPCR, čo mu umožní pôsobiť ako guanínový nukleotidový výmenný faktor (GEF). GPCR potom môže aktivovať asociovaný G proteín výmenou GDP naviazaného na G proteín za GTP. α podjednotka G proteínu spolu s naviazaným GTP sa potom môžu oddeliť od β a γ podjednotiek, aby ďalej ovplyvnili intracelulárne signálne proteíny alebo zacielili funkčné proteíny priamo v závislosti od typu α podjednotky (Gαs, Gai/o, Gαq/11, Gα12/13). [32] : 1160

Receptory spojené s G proteínom sú dôležitým cieľom liekov a približne 34 % [33] všetkých liekov schválených Úradom pre potraviny a liečivá (FDA) sa zameriava na 108 členov tejto rodiny. Globálny objem predaja týchto liekov sa k roku 2018 odhaduje na 180 miliárd amerických dolárov [aktualizácia]. [33] Odhaduje sa, že GPCR sú cieľmi pre približne 50 % liekov, ktoré sú v súčasnosti na trhu, najmä kvôli ich zapojeniu do signálnych dráh súvisiacich s mnohými chorobami, tj duševnými, metabolickými vrátane endokrinologických porúch, imunologickými vrátane vírusových infekcií, kardiovaskulárnymi, zápalovými, poruchy zmyslov a rakovina. Dávno objavené spojenie medzi GPCR a mnohými endogénnymi a exogénnymi látkami, výsledkom čoho je napr. analgézia, je ďalšou dynamicky sa rozvíjajúcou oblasťou farmaceutického výskumu. [29]

Enzýmovo viazané receptory Edit

Receptory spojené s enzýmom (alebo katalytické receptory) sú transmembránové receptory, ktoré po aktivácii extracelulárnym ligandom spôsobujú enzymatickú aktivitu na intracelulárnej strane. [34] Katalytický receptor je teda integrálny membránový proteín, ktorý má enzymatické, katalytické a receptorové funkcie. [35]

Majú dve dôležité domény, extracelulárnu doménu viažucu ligand a intracelulárnu doménu, ktorá má katalytickú funkciu a jedinú transmembránovú špirálu. Signálna molekula sa viaže na receptor na vonkajšej strane bunky a spôsobuje konformačnú zmenu na katalytickej funkcii umiestnenej na receptore vo vnútri bunky. Príklady enzymatickej aktivity zahŕňajú:

Intracelulárne receptory Edit

Receptor steroidného hormónu Edit

Receptory steroidných hormónov sa nachádzajú v jadre, cytosóle a tiež na plazmatickej membráne cieľových buniek. Vo všeobecnosti sú to intracelulárne receptory (typicky cytoplazmatické alebo jadrové) a iniciujú prenos signálu pre steroidné hormóny, čo vedie k zmenám v génovej expresii v priebehu niekoľkých hodín až dní. Najlepšie preštudované receptory steroidných hormónov sú členmi podrodiny jadrových receptorov 3 (NR3), ktoré zahŕňajú receptory pre estrogén (skupina NR3A) [37] a 3-ketosteroidy (skupina NR3C). [38] Okrem jadrových receptorov pôsobí niekoľko receptorov a iónových kanálov spojených s G proteínom ako receptory na povrchu buniek pre určité steroidné hormóny.

Pri väzbe na signálnu molekulu sa receptorový proteín nejakým spôsobom zmení a spustí proces transdukcie, ktorý môže nastať v jedinom kroku alebo ako séria zmien v sekvencii rôznych molekúl (nazývaná signálna transdukčná dráha). Molekuly, ktoré tvoria tieto dráhy, sú známe ako reléové molekuly. Viacstupňový proces v štádiu transdukcie sa často skladá z aktivácie proteínov pridaním alebo odstránením fosfátových skupín alebo dokonca uvoľnením iných malých molekúl alebo iónov, ktoré môžu pôsobiť ako poslovia. Zosilnenie signálu je jednou z výhod tejto viacstupňovej sekvencie. Medzi ďalšie výhody patrí viac príležitostí na reguláciu ako jednoduchšie systémy a jemné doladenie odozvy v jednobunkovom aj mnohobunkovom organizme. [15]

V niektorých prípadoch je aktivácia receptora spôsobená väzbou ligandu na receptor priamo spojená s odpoveďou bunky na ligand. Napríklad neurotransmiter GABA môže aktivovať receptor na bunkovom povrchu, ktorý je súčasťou iónového kanála. Väzba GABA na GABAA receptor na neuróne otvára chloridovo selektívny iónový kanál, ktorý je súčasťou receptora. GABAA aktivácia receptora umožňuje, aby sa negatívne nabité chloridové ióny dostali do neurónu, čo inhibuje schopnosť neurónu produkovať akčné potenciály. Avšak pre mnohé receptory bunkového povrchu nie sú interakcie ligand-receptor priamo spojené s odpoveďou bunky. Aktivovaný receptor musí najprv interagovať s inými proteínmi vo vnútri bunky predtým, ako sa dosiahne konečný fyziologický účinok ligandu na správanie bunky. Po aktivácii receptora sa často zmení správanie reťazca niekoľkých interagujúcich bunkových proteínov. Celý súbor zmien buniek vyvolaných aktiváciou receptora sa nazýva mechanizmus alebo dráha prenosu signálu. [39]

Zložitejšia dráha prenosu signálu je znázornená na obrázku 3. Táto dráha zahŕňa zmeny interakcií proteín-proteín vo vnútri bunky, ktoré sú indukované vonkajším signálom. Mnoho rastových faktorov sa viaže na receptory na bunkovom povrchu a stimuluje bunky, aby postupovali bunkovým cyklom a delili sa. Niektoré z týchto receptorov sú kinázy, ktoré začnú fosforylovať seba a iné proteíny, keď sa viažu na ligand. Táto fosforylácia môže generovať väzbové miesto pre iný proteín a tak indukovať interakciu proteín-proteín. Na obrázku 3 sa ligand (nazývaný epidermálny rastový faktor alebo EGF) viaže na receptor (nazývaný EGFR). To aktivuje receptor, aby sa sám fosforyloval. Fosforylovaný receptor sa viaže na adaptorový proteín (GRB2), ktorý spája signál s ďalšími následnými signálnymi procesmi. Napríklad jedna z dráh signálnej transdukcie, ktoré sú aktivované, sa nazýva dráha mitogénom aktivovanej proteínkinázy (MAPK). Zložka prenosu signálu označená ako "MAPK" v dráhe sa pôvodne nazývala "ERK", takže dráha sa nazýva dráha MAPK/ERK. Proteín MAPK je enzým, proteínkináza, ktorá môže pripojiť fosfát k cieľovým proteínom, ako je transkripčný faktor MYC, a tak zmeniť transkripciu génu a v konečnom dôsledku aj progresiu bunkového cyklu. Mnohé bunkové proteíny sú aktivované po smere od receptorov rastových faktorov (ako je EGFR), ktoré iniciujú túto dráhu prenosu signálu. [ potrebná citácia ]

Niektoré signálne transdukčné dráhy reagujú odlišne v závislosti od množstva signálov prijatých bunkou. Napríklad hedgehog proteín aktivuje rôzne gény v závislosti od množstva prítomného hedgehog proteínu. [ potrebná citácia ]

Komplexné viaczložkové dráhy prenosu signálu poskytujú príležitosti na spätnú väzbu, zosilnenie signálu a interakcie vo vnútri jednej bunky medzi viacerými signálmi a signálnymi dráhami. [ potrebná citácia ]

Špecifická bunková odpoveď je výsledkom transdukovaného signálu v konečnom štádiu bunkovej signalizácie. Touto odpoveďou môže byť v podstate akákoľvek bunková aktivita, ktorá je prítomná v tele. Môže urýchliť preskupenie cytoskeletu alebo dokonca ako katalýzu enzýmom. Všetky tieto tri kroky bunkovej signalizácie zaisťujú, že správne bunky sa správajú tak, ako bolo povedané, v správnom čase a v synchronizácii s inými bunkami a ich vlastnými funkciami v organizme. Na konci vedie koniec signálnej dráhy k regulácii bunkovej aktivity. Táto odpoveď môže prebiehať v jadre alebo v cytoplazme bunky. Väčšina signálnych dráh riadi syntézu proteínov zapínaním a vypínaním určitých génov v jadre. [40]

V jednobunkových organizmoch, ako sú baktérie, môže byť signalizácia použitá na „aktiváciu“ rovesníkov zo spiaceho stavu, zvýšenie virulencie, obranu proti bakteriofágom atď. má potenciál vytvoriť pozitívnu spätnú väzbu, ktorá generuje koordinovanú reakciu. V tejto súvislosti sa signálne molekuly nazývajú autoinduktory. [42] [43] [44] Tento signalizačný mechanizmus sa mohol podieľať na evolúcii od jednobunkových k mnohobunkovým organizmom. [42] [45] Baktérie využívajú aj signalizáciu závislú od kontaktu, najmä na obmedzenie svojho rastu. [46]

Signálne molekuly používané mnohobunkovými organizmami sa často nazývajú feromóny. Môžu mať také účely, ako je varovanie pred nebezpečenstvom, indikácia ponuky potravy alebo pomoc pri reprodukcii. [47]

Krátkodobé bunkové odpovede Edit

Stručný prehľad niektorých signálnych dráh (založených na rodinách receptorov), ktorých výsledkom sú krátkodobo pôsobiace bunkové reakcie
Rodina receptorov Príklad ligandov/aktivátorov (zátvorka: receptor pre to) Príklad efektorov Ďalšie následné účinky
Ligandom hradené iónové kanály Acetylcholín
(Ako je nikotínový acetylcholínový receptor),
Zmeny priepustnosti membrán Zmena membránového potenciálu
Receptor siedmich špirál Svetlo (rodopsín),
dopamín (dopamínový receptor),
GABA (GABA receptor),
Prostaglandín (prostaglandínový receptor) atď.
Trimérny G proteín adenylátcykláza,
cGMP fosfodiesteráza,
G-proteínový hradlový iónový kanál atď.
Dvojzložkový Rôzne aktivátory histidínkináza Regulátor odozvy - bičíkový pohyb, expresia génov
Membránová guanylylcykláza Atriálny natriuretický peptid,
Peptid z vajíčka morského ježka atď.
cGMP Regulácia kináz a kanálov - rôzne akcie
Cytoplazmatická guanylylcykláza Oxid dusnatý (receptor oxidu dusnatého) cGMP Regulácia cGMP Gated Channels, kinázy
integríny Fibronektíny, iné proteíny extracelulárnej matrice Nereceptorová tyrozínkináza Rôznorodá odozva

Regulácia aktivity génov Edit

Stručný prehľad niektorých signálnych dráh (založených na rodinách receptorov), ktoré riadia aktivitu génov
Frizzled (špeciálny typ 7Helix receptora) Wnt Rozstrapatené, axín - APC, GSK3-beta - Beta katenín Génový prejav
Dvojzložkový Rôzne aktivátory histidínkináza Regulátor odozvy - bičíkový pohyb, expresia génov
Receptor tyrozínkinázy Inzulín (inzulínový receptor),
EGF (EGF receptor),
FGF-Alfa, FGF-Beta atď. (FGF-receptory)
Ras, MAP-kinázy, PLC, PI3-kinázy Zmena génovej expresie
Cytokínové receptory erytropoetín,
Rastový hormón (receptor rastového hormónu),
IFN-Gamma (IFN-Gamma receptor) atď
JAK kináza STAT transkripčný faktor – génová expresia
Receptory spojené s tyrozínkinázou MHC-peptidový komplex - TCR, Antigény - BCR Cytoplazmatická tyrozínkináza Génový prejav
Receptor serín/treonín kináza aktivín (aktivínový receptor),
inhibín,
Kostný morfogenetický proteín (BMP receptor),
TGF-beta
Smad transkripčné faktory Kontrola génovej expresie
Receptory spojené so sfingomyelinázou IL-1 (IL-1 receptor),
TNF (TNF-receptory)
Ceramidmi aktivované kinázy Génový prejav
Cytoplazmatické steroidné receptory Steroidné hormóny,
hormóny štítnej žľazy,
Kyselina retinová atď
Pracujte ako / interagujte s transkripčnými faktormi Génový prejav

Signalizačná dráha zárezu Edit

Notch je proteín bunkového povrchu, ktorý funguje ako receptor. Zvieratá majú malú sadu génov, ktoré kódujú signálne proteíny, ktoré špecificky interagujú s receptormi Notch a stimulujú odozvu v bunkách, ktoré exprimujú Notch na svojom povrchu. Molekuly, ktoré aktivujú (alebo v niektorých prípadoch inhibujú) receptory, môžu byť klasifikované ako hormóny, neurotransmitery, cytokíny a rastové faktory, všeobecne nazývané receptorové ligandy. 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]


Inference and analysis of cell-cell communication using CellChat

Understanding global communications among cells requires accurate representation of cell-cell signaling links and effective systems-level analyses of those links. We construct a database of interactions among ligands, receptors and their cofactors that accurately represent known heteromeric molecular complexes. We then develop CellChat, a tool that is able to quantitatively infer and analyze intercellular communication networks from single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) data. CellChat predicts major signaling inputs and outputs for cells and how those cells and signals coordinate for functions using network analysis and pattern recognition approaches. Through manifold learning and quantitative contrasts, CellChat classifies signaling pathways and delineates conserved and context-specific pathways across different datasets. Applying CellChat to mouse and human skin datasets shows its ability to extract complex signaling patterns. Our versatile and easy-to-use toolkit CellChat and a web-based Explorer ( http://www.cellchat.org/ ) will help discover novel intercellular communications and build cell-cell communication atlases in diverse tissues.

Vyhlásenie o konflikte záujmov

Autori nedeklarujú žiadne konkurenčné záujmy.

Figúrky

Fig. 1. Overview of CellChat.

Fig. 1. Overview of CellChat.

Fig. 2. CellChat analysis of the communications…

Fig. 2. CellChat analysis of the communications between skin cells during wound repair.

Fig. 3. Application of CellChat to continuous…

Fig. 3. Application of CellChat to continuous cell states along pseudotemporal trajectories during embryonic skin…

Fig. 4. Application of CellChat to communications…

Fig. 4. Application of CellChat to communications between spatially colocalized cell populations.

Fig. 5. Comparison analysis of epidermal-dermal communications…

Fig. 5. Comparison analysis of epidermal-dermal communications between different skin developmental stages.

Fig. 6. Joint identification of conserved and…

Fig. 6. Joint identification of conserved and context-specific communication patterns between two skin states.

Fig. 7. Identification of major signaling changes…

Fig. 7. Identification of major signaling changes in diseased human skin.


Úvod

Have you ever become separated from a friend while in a crowd? If so, you know the challenge of searching for someone when surrounded by thousands of other people. If you and your friend have cell phones, your chances of finding each other are good. A cell phone’s ability to send and receive messages makes it an ideal communication device. (credit: modification of work by Vincent and Bella Productions)

Imagine what life would be like if you and the people around you could not communicate. You would not be able to express your wishes to others, nor could you ask questions to find out more about your environment. Social organization is dependent on communication between the individuals that comprise that society without communication, society would fall apart.

As with people, it is vital for individual cells to be able to interact with their environment. This is true whether a cell is growing by itself in a pond or is one of many cells that form a larger organism. In order to properly respond to external stimuli, cells have developed complex mechanisms of communication that can receive a message, transfer the information across the plasma membrane, and then produce changes within the cell in response to the message.

In multicellular organisms, cells send and receive chemical messages constantly to coordinate the actions of distant organs, tissues, and cells. The ability to send messages quickly and efficiently enables cells to coordinate and fine-tune their functions.

While the necessity for cellular communication in larger organisms seems obvious, even single-celled organisms communicate with each other. Yeast cells signal each other to aid mating. Some forms of bacteria coordinate their actions in order to form large complexes called biofilms or to organize the production of toxins to remove competing organisms. The ability of cells to communicate through chemical signals originated in single cells and was essential for the evolution of multicellular organisms. The efficient and error-free function of communication systems is vital for all life as we know it.


Tether together

Proving that something is a tether is not always straightforward. That’s because multiple tether proteins often hold two organelles together and, as with a tower of Jenga blocks, removing one might not cause the structure to collapse.

Scott Emr, a yeast biologist at Cornell University in Ithaca, New York, encountered this when he began studying contact sites between the ER and the plasma membrane. His group eventually identified six tethering components, any one of which could correctly hold the tether together 4 . His team could disrupt the bond only by eliminating all six proteins.

The quest to identify tethers is also complicated by the elaborate network of interactions between organelles. At first, all interactions seemed to involve the ER. But scientists began to document other couplings. And they soon realized that cells can reroute transport when direct shipping lanes are blocked.

That’s what teams led by Schuldiner and Christian Ungermann at the University of Osnabrück, Germany, independently discovered in 2014. After knocking out the usual tether between the ER and mitochondria in yeast, both groups found 5 , 6 that lipids could still travel in a relay-like fashion between the two organelles through a back-channel — the vacuole. This fluid-filled sac serves as the cell’s storage locker for food and other nutrients.

Other studies revealed even more complex arrangements of connections. Mitochondrial biologist Jodi Nunnari at the University of California, Davis, and her then colleague, cell biologist Laura Lackner, classified 7 a super-contact zone containing at least two tethers and three organelles — the ER, mitochondria and the plasma membrane. “It really seems like this is some sort of functional hub that the cell has created,” says Lackner, now at Northwestern University in Evanston, Illinois. “It brings in a whole other layer of spatial organization.”


Možnosti prístupu

Získajte úplný prístup k denníku na 1 rok

Všetky ceny sú ceny NET.
DPH bude pripočítané neskôr v pokladni.
Výpočet dane bude dokončený pri pokladni.

Získajte časovo obmedzený alebo úplný prístup k článku na ReadCube.

Všetky ceny sú ceny NET.


The cell membrane

A thin membrane, typically between 4 and 10 nanometers (nm 1 nm = 10 −9 metre) in thickness, surrounds every living cell, delimiting the cell from the environment around it. Enclosed by this cell membrane (also known as the plasma membrane) are the cell’s constituents, often large, water-soluble, highly charged molecules such as proteins, nucleic acids, carbohydrates, and substances involved in cellular metabolism. Outside the cell, in the surrounding water-based environment, are ions, acids, and alkalis that are toxic to the cell, as well as nutrients that the cell must absorb in order to live and grow. The cell membrane, therefore, has two functions: first, to be a barrier keeping the constituents of the cell in and unwanted substances out and, second, to be a gate allowing transport into the cell of essential nutrients and movement from the cell of waste products.


9: Cell Communication - Biology

The Journal of Cell Communication and Signaling provides a forum for fundamental and translational research. In particular, it publishes papers discussing intercellular and intracellular signaling pathways that are particularly important to understand how cells interact with each other and with the surrounding environment, and how cellular behavior contributes to pathological states. JCCS encourages the submission of research manuscripts, timely reviews a short commentaries discussing recent publications, key developments and controversies.

Research manuscripts can be published under two different sections :.

V Pathology and Translational Research Section (Section Editor Andrew Leask) , manuscripts report original research dealing with celllular aspects of normal and pathological signaling and communication, with a particular interest in translational research.

V Molecular Signaling Section (Section Editor Satoshi Kubota) manuscripts report original signaling research performed at molecular levels with a particular interest in the functions of intracellular and membrane components involved in cell signaling.

The Review Section (Section Editor David Brigstock) is a venue for publication of review articles that summarize recent advances and discoveries, identify gaps and debates, and outline future directions in all aspects of cell signaling and communication. The Journal is particularly interested in focused and authoratative mini-reviews that will allow the reader to gain a rapid understanding of the material presented. Mini-reviews should not exceed 5000 words, excluding the abstract and bibliography. No more than 80 references should be cited. Inclusion of figures to help summarize the major concepts is encouraged. Authors are requested to contact the Section Editor with a proposed outline of their article before subm ission so that its suitability for publication in the journal can be assessed.

The ‘At the Forefront of Unforeseen Science’section (Section Editor Bernard Perbal publishes peer-reviewed articles reporting on groundbreaking discoveries that promise to have an impact on the future of mankind. The manuscripts should be written in the form of a concise analysis and review of exciting advances in any scientific field that will offer novel perspectives that could open new avenues for research and applications

The Bits & Bytessection (Section Editors Andrew Leask and Herman Yeger) provides a forum for the rapid distribution of short commentaries on recent publications and news that are of interest to the scientific community. These commentaries also appear on the Web site of the International CCN Society (http://ccnsociety.com) as soon as they are accepted.

Listy redaktorovi, which should be original research manuscripts reporting findings of wide interest to the scientific community. Letters typically do not exceed 2-4 pages and report early but ground breaking studies that deserve accelerated processing. The letters undergo strict peer review. The number of figures and or tables is limited to 3. The text is not to exceed 2000 words, and reference should be kept to a minimum. The preliminary review process is conducted under the responsibility of the Editor in Chief. Manuscripts that do not comply with the 'Letter' requirements are transferred to regular section editors.

About the Editors:

Bernard Perbal : http://ccnsociety.com/about_the_iccns/president.html
Andrew Leask : http://ccnsociety.com/about_the_iccns/member_a_leask.html
Satoshi Kubota : http://ccnsociety.com/about_the_iccns/member_s_kubota.html
David Brigstock : http://ccnsociety.com/about_the_iccns/member_d_brigstock.html

General Details on the Submission and Publication Procedures:

- No Page Charges
- No Fees for Online and Print Color Images
- Optional Open Access Publication Fee (APC) – USD 3000,- / Euro 2200,-

  • Addresses all aspects of cell-cell, cell-matrix communication, and intracellular signaling
  • Covers receptors, ligands, and other biomolecules participating in cellular signaling pathways


Pozri si video: Biológia 5, 6 - Mäkkýše, Lastúrniky (August 2022).