ŠŪNU KOMUNIKĀCIJA: VEIDI, NOZĪME, PIEMĒRI - BIOLOĢIJA - 2025

Mobilo sakaru , ko sauc arī par starpšūnu komunikācija, ir pārraide ekstracelulāro signāla molekulām. Šīs molekulas sākas no signālu ģenerējošās šūnas un saistās ar receptoriem mērķa šūnā, radot specifisku reakciju.

Signāla molekula var būt maza molekula (piemērs: aminoskābe), peptīds vai olbaltumviela. Tāpēc komunikācija, kas ir ķīmiska, ir raksturīga vienšūnu un daudzšūnu organismiem.

Avots: pixabay.com

Baktērijās signāla molekulas ir baktēriju feromoni. Tie ir nepieciešami tādām funkcijām kā horizontāla gēnu pārnešana, bioluminiscence, bioplēves veidošanās, kā arī antibiotiku un patogēnu faktoru ražošanai.

Daudzšūnu organismos šūnu komunikācija var notikt starp blakus esošām šūnām vai starp atsevišķām šūnām. Pēdējā gadījumā signāla molekulām vajadzētu izkliedēties un pārvietoties lielos attālumos. Starp signālu funkcijām ir izmaiņas gēnu ekspresijā, morfoloģijā un šūnu kustībā.

Šūnu komunikāciju var veikt arī ārpusšūnu pūslīši (EV), ko sauc par ektosomām un eksosomām. Dažas EV funkcijas ir: limfocītu un makrofāgu modulācija; sinaptiskās funkcijas kontrole; asinsvados un sirdī, koagulācija un angioģenēze; un RNS apmaiņa.

Veidi (sistēmas / mehānismi)

Baktērijās pastāv šūnu komunikācijas veids, ko sauc par kvoruma noteikšanu, kas sastāv no uzvedības, kas notiek tikai tad, ja baktēriju populācijas blīvums ir augsts. Kvoruma noteikšana ietver signālu molekulu, ko sauc par autovadītājiem, augstas koncentrācijas ražošanu, atbrīvošanu un sekojošu noteikšanu.

Vienšūnu eikariotos, piemēram, T. brucei, ir arī kvoruma noteikšana. Raugos seksuālā izturēšanās un šūnu diferenciācija notiek, reaģējot uz feromonu komunikāciju un apkārtējās vides izmaiņām.

Ārpusšūnu signāla molekulu, piemēram, hormonu, neirotransmiteru, augšanas faktoru vai gāzu, izmantošana augos un dzīvniekos ir svarīgs saziņas veids, kas ietver signāla molekulas sintēzi, tās atbrīvošanu, transportēšanu uz mērķa šūnu, noteikšanu signāls un īpaša reakcija.

Saistībā ar signāla molekulas transportēšanu dzīvniekiem molekulas darbības attālums nosaka divu veidu signālus: 1) autokrīns un parakrīns, kas attiecīgi darbojas uz vienu un to pašu šūnu un uz blakus esošajām šūnām; 2) endokrīnā sistēma, kas iedarbojas uz tālu mērķa šūnu, un to pārvadā asinsritē.

Šūnu komunikācija ar ārpusšūnu vezikulām ir svarīgs šūnu saziņas veids eikariotu organismos un Archaea.

Pieaugot vienšūnu eikariotu vai baktēriju populācijai, tā sasniedz pietiekamu šūnu skaitu vai kvorumu, kas rada induktora koncentrāciju, kas šūnās spēj radīt efektu. Tas ir skaitīšanas mehānisms.

Baktērijās ir zināmi trīs veidu kvoruma noteikšanas sistēmas: viens ir gramnegatīvs; cits grampozitīvs; un vēl viens uz gramnegatīvo Vibrio harveyi.

Gramnegatīvās baktērijās autoinduktors ir acilēts homoserīna laktons. Šo vielu sintezē LuxI tipa ferments un pasīvi difūzē caur membrānu, uzkrājoties ārpusšūnu un intracelulārā telpā. Kad ir sasniegta stimulējošā koncentrācija, tiek aktivizēta QS regulēto gēnu transkripcija.

Gramnegatīvās baktērijās autoinduktori ir modificēti peptīdi, kas tiek eksportēti uz ārpusšūnu telpu, kur tie mijiedarbojas kopā ar membrānas olbaltumvielām. Notiek fosforilēšanas kaskāde, kas aktivizē olbaltumvielas, kas saistās ar DNS un kontrolē mērķa gēnu transkripciju.

Vibrio harveyi ražo divus autovadītājus, kas apzīmēti ar HAI-1 un A1-2. HAI-1 ir acilēts laktona homoserīns, bet tā sintēze nav atkarīga no LuxI. A1-2 ir furanosilborāta diesters. Abas vielas darbojas caur fosforilēšanas kaskādi, līdzīgi kā citas gramnegatīvās baktērijas. Šis QS tips kontrolē bioluminiscenci.

Ķīmiskā komunikācija

Signāla molekulas vai ligandu īpaša saistīšanās ar receptoru olbaltumvielām rada īpašu šūnu reakciju. Katram šūnu tipam ir noteikta veida receptori. Kaut arī noteikta veida receptorus var atrast arī dažāda veida šūnās, un tie rada atšķirīgu reakciju uz to pašu ligandu.

Signāla molekulas raksturs nosaka ceļu, kas tiks izmantots, lai iekļūtu šūnā. Piemēram, hidrofobie hormoni, piemēram, steroīdi, izkliedējas caur lipīdu divslāņu slāni un saistās ar receptoriem, veidojot kompleksus, kas regulē specifisku gēnu ekspresiju.

Gāzes, piemēram, slāpekļa oksīds un oglekļa monoksīds, izkliedējas caur membrānu un parasti aktivizē ciklisko GMP ražojošo guanililciklāzi. Lielākā daļa signāla molekulu ir hidrofīlas.

Tās receptori atrodas uz šūnas virsmas. Receptori darbojas kā signālu tulki, kas maina mērķa šūnas izturēšanos.

Šūnu virsmas receptorus iedala: a) receptoros, kas saistīti ar G proteīnu; b) receptoriem ar enzīmu aktivitāti, piemēram, tirozīnkināze; un c) jonu kanālu receptori.

Ar G proteīnu saistīto receptoru raksturojums

G proteīnu saistītie receptori ir atrodami visos eikariotos. Kopumā tie ir receptori ar septiņiem domēniem, kas šķērso membrānu, ar N-termināla reģionu šūnas ārpuses virzienā un C-galu virzienā uz šūnas iekšpusi. Šie receptori asociējas ar G proteīnu, kas pārveido signālus.

Kad ligands saistās ar receptoru, aktivizējas G proteīns. Tas, savukārt, aktivizē efektoru fermentu, kas ražo otro intracelulāro kurjeru, kas var būt ciklisks adenozīna monofosfāts (cAMP), arahidonskābe, diacilglicerīns vai inozitol-3-fosfāts, kas darbojas kā signāla pastiprinātājs. sākotnējais.

G proteīnam ir trīs apakšvienības: alfa, beta un gamma. G olbaltumvielu aktivizēšana ietver IK disociāciju no G olbaltumvielām un GTP saistīšanos ar alfa apakšvienību. G _alfa- GTP kompleksā tie atdalās no beta un gamma apakšvienībām, īpaši mijiedarbojoties ar efektorproteīniem, tos aktivizējot.

CAMP ceļu var aktivizēt ar beta-adrenerģiskiem receptoriem. CAMP ražo adenililciklāze. Fosfoinozīta ceļu aktivizē muskarīna acetilholīna receptori. Viņi aktivizē fosfolipāzi C. Arahidonskābes ceļu aktivizē histamīna receptori. Aktivizē fosfolipāzi A2.

CAMP ceļš

Binding ligands receptoram, stimulējošais proteīns G (G _s ), saistās ar IKP, izraisa apmaiņu IKP par GTP, un disociācijas no alfa subvienību G _s no beta un gamma apakšvienību. G _alfa- GTP komplekss asociējas ar adenilciklāzes domēnu, aktivizējot fermentu un no ATP ražojot cAMP.

CAMP saistās ar cAMP atkarīgās proteīna kināzes regulatīvajām apakšvienībām. Atbrīvo katalītiskās apakšvienības, kas fosforilē olbaltumvielas, kas regulē šūnu reakcijas. Šo ceļu regulē divu veidu fermenti, proti, fosfodiesterāzes un olbaltumvielu fosfatāzes.

Fosfoinozīta ceļš

Ligandu saistīšana ar receptoru aktivizē G proteīnu (G _q ), kas aktivizē fosfolipāzes C (PLC). Šis ferments sadala fosfatidil-inozitol 1,4,5-bisfosfātu (PIP ₂ ) divos otrajos ziņnešos - inozitol 1,4,5-trifosfātā (IP ₃ ) un diacilglicerīnā (DAG).

IP ₃ izkliedējas citoplazmā un saistās ar receptoriem endoplazmatiskajā retikulumā, izraisot Ca ⁺² izdalīšanos no iekšpuses. DAG paliek membrānā un aktivizē olbaltumvielu kināzi C (PKC). Dažām PKC izoformām nepieciešams Ca ⁺² .

Arahidonskābes ceļš

Ligandu saistīšana ar receptoru izraisa G olbaltumvielu beta un gamma subvienības, lai aktivizētu fosfolipāzi A ₂ (PLA ₂ ). Šis enzīms hidrolizē fosfatidilinozitolu (PI) plazmas membrānā, atbrīvojot arahidonskābi, kuru metabolizē dažādi ceļi, piemēram, 5 un 12-lipoksigenāze un ciklooksigenāze.

Receptoru tirozīnkināzes raksturojums

Receptoru tirozīnkināzei (RTK) ir ārpusšūnu regulējošie domēni un intracelulārie katalītiskie domēni. Atšķirībā no G olbaltumvielām saistītā receptora, tirozīnkināzes receptoru polipeptīdu ķēde tikai vienu reizi šķērso plazmas membrānu.

Ligandu, kas ir hormons vai augšanas faktors, saistīšanās ar regulatīvo domēnu izraisa divu receptoru apakšvienību asociāciju. Tas ļauj autofosforilēt tirozīna atlikuma receptoru un aktivizēt olbaltumvielu fosforilēšanas kaskādes.

Receptoru tirozīnkināzes (RTK) fosforilētie tirozīna atlikumi mijiedarbojas ar adaptera proteīniem, kas savieno aktivēto receptoru ar signāla pārvades ceļa komponentiem. Adapteru olbaltumvielas kalpo daudzproteīnu signālu kompleksu veidošanai.

RTK saistās ar dažādiem peptīdiem, piemēram: epidermas augšanas faktors; fibroblastu augšanas faktori; smadzeņu augšanas faktori; nervu augšanas faktors; un insulīns.

Uztvērēju vispārīgais raksturojums

Virsmas receptoru aktivizēšana rada izmaiņas olbaltumvielu fosforilācijā, aktivizējot divu veidu proteīnkināzes: tirozīnkināzi un serīna un treonīna kināzes.

Serīna un treonīna kināzes ir: no cAMP atkarīgs proteīna kināze; no cGMP atkarīgā proteīna kināze; proteīnkināze C; un no Ca ⁺² / no kalmodulīna atkarīgais proteīns . Šajās olbaltumvielu kināzēs, izņemot no cAMP atkarīgo kināzi, katalītiskais un regulējošais domēns atrodas tajā pašā polipeptīdu ķēdē.

Otrais kurjers saistās ar šīm serīna un treonīna kināzēm, aktivizējot tās.

Jonu kanālu receptoru raksturojums

Jonu kanālu receptoriem ir šādas īpašības: a) tie vada jonus; b) atpazīt un atlasīt noteiktus jonus; c) atvērt un aizvērt, reaģējot uz ķīmiskiem, elektriskiem vai mehāniskiem signāliem.

Jonu kanālu receptori var būt monomēri, vai arī tie var būt heteroligomēri vai homoligomēri, kuru polipeptīdu ķēdes reģioni šķērso plazmas membrānu. Ir trīs jonu kanālu grupas: a) ligandu vārtu kanāli; b) spraugas krustojuma kanāli; un c) no Na ⁺ atkarīgi sprieguma kanāli .

Daži jonu kanālu receptoru piemēri ir neiromuskulārā savienojuma acetilholīna receptori un jonotropie glutamāta receptori, NMDA un ne-NMDA, centrālajā nervu sistēmā.

Saziņa ar ārpusšūnu vezikulām

Āršūnu pūslīši (EV) ir ektosomu un eksosomu sajaukums, kas atbild par bioloģiskās informācijas (RNS, fermentu, reaktīvo skābekļa sugu utt.) Pārnešanu starp šūnu un šūnu. Abu pūslīšu izcelsme ir atšķirīga.

Ektosomas ir pūslīši, kas rodas, izdaloties no plazmas membrānas, kam seko to atdalīšana un izdalīšana ārpusšūnu telpā.

Pirmkārt, notiek membrānas olbaltumvielu klasterizācija diskrētos domēnos. Tad olbaltumvielu lipīdu enkuri lūmenā uzkrāj citosoliskos olbaltumvielas un RNS, tādējādi audzējot pumpuru.

Exosomas ir pūslīši, kas veidojas no multiveikulāriem ķermeņiem (MVB) un eksocitozes rezultātā tiek atbrīvoti ārpusšūnu telpā. MVB ir vēlīnās endosomas, kurās ir intraluminālie pūslīši (ILV). MVB var saplūst ar lizosomām un turpināt degradācijas ceļu vai atbrīvot ILVS kā eksosomas eksocitozes rezultātā.

EV dažādos veidos mijiedarbojas ar mērķa šūnu: 1) EV membrānas izzušana un tajā esošo aktīvo faktoru atbrīvošanās; 2) EV nodibina kontaktu ar mērķa šūnas virsmu, kurā tās saplūst, atbrīvojot to saturu citosolā; un 3) EV pilnībā uztver makroinocitoze un fagocitoze.

Svarīgums

Starpšūnu komunikācijas funkciju daudzveidība vien norāda uz tās nozīmi. Daži piemēri parāda dažādu mobilo sakaru veidu nozīmi.

- Kvoruma noteikšanas nozīme. QS regulē dažādus procesus, piemēram, virulenci sugas iekšienē, vai dažādu sugu vai ģinšu mikroorganismus. Piemēram, viens Staphylococcus aureus celms izmanto signāla molekulu kvoruma jutībā, lai inficētu saimnieku, un kavē to darīt citus S. aureus celmus.

- Ķīmiskās komunikācijas nozīme. Ķīmiskais marķējums ir nepieciešams daudzšūnu organismu izdzīvošanai un reproduktīvajiem panākumiem.

Piemēram, ieprogrammēta šūnu nāve, kas regulē daudzšūnu attīstību, noņem veselas struktūras un ļauj attīstīt specifiskus audus. To visu ietekmē trofiskie faktori.

- EV nozīmīgums. Viņiem ir svarīga loma diabēta, iekaisuma, kā arī neirodeģeneratīvo un sirds un asinsvadu slimību gadījumos. Normālu šūnu un vēža šūnu EV ļoti atšķiras. EV var būt faktori, kas veicina vai nomāc vēža fenotipu mērķa šūnās.

Atsauces

1. Alberts, B., Džonsons, A., Lūiss, J., et al. 2007. Šūnas molekulārā bioloģija. Garland Science, Ņujorka.
2. Bassler, BL 2002. Small Talk: šūnu un šūnu komunikācija baktērijās. Cell, 109: 421-424.
3. Cocucci, E. un Meldolesi, J. 2015. Ektosomas un eksosomas: ārpussavienības pūslīšu neskaidrību novēršana. Tendences šūnu bioloģijā, xx: 1. – 9.
4. Kandel, E., Schwarts, JH, and Jessell, T., 2000. Neironu zinātnes principi. McGraw-Hill ASV.
5. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Šūnu un molekulārā bioloģija. Redakcija Medica Panamericana, Buenosairesa, Bogota, Karakasa, Madride, Meksika, Sāo Paulo.
6. Pappas, KM, Weingart, CL, Winans, SC 2004. Ķīmiskā komunikācija proteobaktērijās: signālu sintāžu un receptoru bioķīmiskie un strukturālie pētījumi, kas nepieciešami starpšūnu signalizēšanai. Molecular Microbiology, 53: 755–769.
7. Perbal, B. 2003. Komunikācija ir atslēga. Šūnu komunikācija un signalizācija. Redakcija, 1.-4.