Conţinutul principal

Curs: Biblioteca de biologie > Unitatea 13

Lecția 1: Cum își transmit celulele semnale

Căi de semnalizare

Află cum sunt transmise semnalele în interiorul unei celule, începând de la receptorul membranei celulare. Lanțurile de molecule care transmit semnale intracelulare sunt cunoscute sub denumirea de căi de transducție a semnalului intracelular.

Introducere

Odată ce o moleculă semnal (lingand) de la o celulă s-a legat de receptorul altei celule, este semnalizarea celulară completă?

Dacă discutăm despre receptori intracelulari, care își leagă liganzii în interiorul celulei și activează genele direct, răspunsul poate fi da. Totuși, în majoritatea cazurilor, răspunsul este nu-nici pe departe! În cazul receptorilor de pe membrana celulară, semnalul treuie să fie transmis prin intermediul altor molecule în celulă, ca într-un roc de "telefonul fără fir".

Lanțurile de molecule care transmit semnalele în interiorul celulei se numesc căi de transducție a semnalelor intracelulare. Mai departe, ne vom uita la caracteristicile generale ale căilor de transducție a semnalelor intracelulare, dar și la câteva mecanisme de transmisie utilizate adesea în cadrul acestor căi.

Formarea de legături inițiază o cale de semnalizare

Atunci când un ligand se leagă de un receptor de la suprafața celulei, domeniul intracelular (partea din interiorul celulei) al receptorului se modifică într-un fel sau altul. De-obicei, își schimbă forma, fapt care îl poate face activ ca enzimă sau îi permite să lege alte molecule.

Modificarea receptorului declanșează o serie de evenimente semnalizatoare. De exemplu, receptoru; poate aprinde altă moleculă semnal din interiorul celulei, care își activează propria țintă. Reacția în lanț poate declanșa o modificare a comportamentului sau caracteristicilor celulei, precum în animația de mai jos.

Datorită fluxului direcționat de informații, termenul de în amonte este foloseit pentru a descrie molecule și evenimente de la începutul lanțului transmițător, în timp ce în aval poate fi folosit pentru a le descrie pe cele care se petrec mai târziu (relativ la o anumită moleculă). De exemplu, în diagramă, receptorul este în aval față de ligand dar în amonte față de proteinele din citosol. Multe căi de transducție a semnalelor amplifică semnalul inițial, deci o moleculă de ligand poate duce la activarea oricărei molecule a unui ținte aflate în aval.

Moleculele care transmit un mesaj sunt, deseori, proteine. Totuși, o moleculă non-proteică precum ionii și fosfolipidele poate juca un rol important.

Fosforilarea

Animația de mai sus prezintă mai multe puncte (moelcule semnal) marcate "pornite" sau "oprite". Ce înseamnă ca un punct să fie pronit sau oprit? Proteinele pot fi activate sau inactivate într-o varietate de moduri. Totuși, una dintre cele mai comune metode de a modifica activitatea proteică este adaosul unei grupări fosfat la una sau mai multe zone pe proteină, proces numit fosforilare.

Grupările fosfat nu pot fi atașate de orice parte a proteinei. În schimb, sunt, de-obicei, legate de unul dintre cei trei aminoacizi care conțin grupări hidroxil (-OH) în catenele laterale: tirosina, treonina și serina. Transferul grupării fosfat este catalizat de o enzimă numită kinază, iar celulele conțin multe cinaze diferite care fosforilează diverse ținte.

Fosforilarea acționează, deseori, ca un întrerupător, dar efectele sale variază în funcție de proteină. Uneori, fosforilarea face o proteină mai activă (de exemplu, crescând nivelul catalizării sau lăsând-o să se lege de un partener). În alte cazuri, fosforilarea poate inactiva proteina sau îi poate determina descompunea.

Cum se face că adăugarea unui mici grupări fosfat poate avea un efect asemenea de mare asupra comportamentului proteinelor? Răspunsul poate fi dat de biochimia de bază: adăugarea unei grupări fosfat atașează o masă mare de sarcină negativă la suprafața proteinei.

Această sarcină negativă poate să atragă sau să respingă aminoacizii chiar din interiorul proteinei, schimbându-i forma. Deoarece funcția unei proteine depinde de structura acesteia, modificarea formei proteinei îi poate afecta capacitatea de a funcționa ca enzimă, crescând sau scăzându-i activitatea. Alternativ, fosforilarea poate oferi un loc de ancorare pentru un partener de interacțiune (de exemplu, unul cu încărcătura mare pozitivă) sau poate împiedica legarea unui alt partener.

Acestea sunt doar câteva exemple, dar dau o idee despre cum grupul de fosfat poate afecta direct comportamentul chimic al unei proteine.

În general, fosforilarea nu este permanentă. Pentru a întoarce proteinele înapoi la starea lor non-fosforilată, celulele au enzime numite fosfataze, care elimină o grupare fosfat din țintele lor.

Exemplu de fosforilare: cascada de semnalizare MAPK

Pentru a înțelege mai bine cum funcționează fosforilarea, hai să examinăm un exemplu real al unei căi de semnalizare care utilizează această tehnică: semnalizarea factorului de creștere. Mai exact, ne vom uita la o parte a căii factorului de creștere epidermică (EGF) care acționează printr-o serie de kinaze pentru a produce un răspuns celular.

Această diagramă arată o parte a căii de semnalizare a factorului de creștere epidermică:

Fosforilarea (marcată ca P) este importantă în multe etape ale acesteui traseu.

Când liganzii factorului de creștere se leagă de receptorii lor, receptorii se împerechează și acționează ca și kinaze, legând grupurile de fosfat de cozile intracelulare ale partenerilor. Citește mai multe în articolul despre receptori and ligandzi.
Receptorii activați declanșează o serie de evenimente (pe care nu le prezentăm aici deoarece nu implică fosforilarea). Aceste evenimente activează kinaza Raf.
Raf activați fosforilează și activează MEK, care fosforilează și activează ERK-urile.
ERK-urile fosforilează și activează o varietate de molecule țintă. Acestea includ factori de transcriere, cum ar fi c-Myc, precum și ținte citoplasmatice. Țintele activate promovează creșterea și diviziunea celulară.

Împreună, Raf, MEK și ERK alcătuiesc o cale de semnalizare cu trei niveluri de kinază numită o cascadă proteinkinază activată de mitogen (MAPK). (Un mitogen este un semnal care face ca celulele să fie supuse procesului mitoză, sau să se dividă. Deoarece joacă un rol central în promovarea diviziunii celulare, genele care codifică receptorul factorului de creștere, Raf, și c-Myc sunt toate proto-oncogene, însemnând că formele hiperactive ale acestor proteine sunt asociate cu cancer

^{1}

Căile de semnalizare MAP kinază sunt răspândite în biologie: se găsesc într-o gamă largă de organisme, de la oameni la drojdii și plante. Asemănarea cascadelor MAPK din diverse organisme sugerează că această cale a apărut devreme în istoria evolutivă a vieții și era deja prezentă într-un strămoș comun al animalelor moderne. plante și fungi

^{2}

Mesageri secundari

Deși proteinele sunt importante pentru căile de transducție a semnalelor, alte tipuri de molecule pot participa. Multe căi implică mesageri secundari, molecule mici, non-proteice care transmit un semnal inițiat de legarea unui ligand ("mesagerul primar") de receptorul său.

Mesagerii secundari includ ioni

{Ca}^{2 +}

; AMP ciclic (cAMP), un derivat al ATP; și fosfați de inositol, care sunt constituiți din fosfolipide.

Ioni de calciu

Ionii de calciu sunt un tip de mesager secundar foarte răspândit. În majoritatea celulelor, concentrația ionilor de calciu (

{Ca}^{2 +}

) în citosol este foarte mica, ionii pompați în plasmă vor pune membrana la muncă să îi îndepărteze. Cu scop de semnalizator,

{Ca}^{2 +}

pot fi colectați în compartimente cum ar fi reticulul endoplasmic.

Pe căile prin care se utilizează ionii de calciu ca mesager secundar, evenimentele de semnalizare în amonte eliberează un ligand care se leagă de canalele ionice ligand-dependente și le deschide. Aceste canale se deschid și permit nivelelor mai mari de

{Ca}^{2 +}

care sunt prezente în afara celulei (sau în compartimentele intracelulare) să intre în citoplasmă, ridicând concentrația citoplasmatică

{Ca}^{2 +}

Cum ajută

{Ca}^{2 +}

eliberat transmiterea semnalului? Unele proteine din celulă au locuri de legare pentru ionii

{Ca}^{2 +}

, iar ionii eliberați se atașează la aceste proteine și le modifică forma (și astfel activitatea acestora). Proteinele prezente și răspunsul produs sunt diferite în diferite tipuri de celule. De exemplu,

{Ca}^{2 +}

semnalizând în celulele β ale pancreasului duce la eliberarea de insulină, în timp ce

{Ca}^{2 +}

semnalizând în celulele musculare duce la contracție musculară.

AMP ciclic (cAMP)

Un alt mesager secundar utilizat în multe tipuri diferite de celule este adenozin monofosfat ciclic (AMP ciclic sau cAMP), o moleculă mică fabricată din ATP. Ca răspuns la semnale, o enzimă numită adenilciclază transformă ATP în cAMP, eliminând doi fosfați și legând fosfatul rămas de zaharul în formă de inel.

Odată generat, cAMP poate activa o enzimă numită protein-kinaza A (PKA), permițându-i să își fosforileze țintele și să transmită semnalul. Protein kinaza A se găsește într-o varietate de tipuri de celule și are proteine țintă diferite în fiecare dintre ele. Acest lucru permite aceluiași mesager cAMP să producă răspunsuri diferite în contexte diferite.

Semnalizarea cAMP este oprită de enzimele numite fosfodiesteraze, care rup inelul cAMP și îl transformă în adenozin monofosfat (AMP).

Fosfați Inositol

Deși considerăm fosfolipidele din membrana plasmatică ca și componente structurale ale celulei, acestea pot fi, de asemenea, participanți importanți la semnalizare. Fosfolipidele numite fosfatidilinozitol pot fi fosforilate și sparte în două, eliberând două fragmente care acționează ambele ca mesageri secundari.

O lipidă din acest grup care este deosebit de importantă în semnalizare se numește

{PIP}_{2}

. Ca răspuns la un semnal, o enzimă numită fosfolipiază C sparge

{PIP}_{2}

în două fragmente, DAG și

{IP}_{3}

. Ambele fragmente rezultate pot acționa ca mesageri secundari.

DAG rămâne în membrana plasmatică și poate activa o țintă numită protein-kinază C (PKC), permițându-i să își fosforileze propriile ținte.

{IP}_{3}

difuzează în citoplasmă și se poate lega de canalele ligand dependente de calciu din reticulul endoplasmic, eliberând

{Ca}^{2 +}

care continuă cascada de semnalizare.

Și...este chiar mai complicat decât atât!

Căile de semnalizare pot deveni foarte complexe în scurt timp. De exemplu, versiunea completă a căii de semnalizare a factorului de creștere epidermică, pe care ai văzut-o mai devreme, arată ca o imensă coafură și are nevoie de un întreg poster dacă încerci să o desenezi! Poți vedea asta în videoclipul lui Sal's despre calea MAPK.

Această complexitate apare deoarece traseele pot, și adesea o fac, interacționa cu alte căi. Când căile interacționează, ele permit celulei să efectueze operații logice și "calculează" cel mai bun răspuns la surse multiple de informații. De exemplu, pot fi necesare semnale din două căi diferite pentru a activa un răspuns, acesta este ca un „AND logic”. Alternativ, oricare din două căi poate declanșa același răspuns, acesta fiind un "SAU" logic.

O altă sursă de complexitate în semnalizare este dată de faptul că aceeași moleculă de semnalizare poate produce rezultate diferite, în funcție de moleculele care sunt deja prezente în celulă

^{3}

. De exemplu, ligandul acetilcolina determină efecte opuse la nivelul mușchiului scheletic și al inimii, deoarece aceste tipuri de celule produc diferite tipuri de receptori de acetilcolină care activează căi diferite

^{4, 5, 6}

Acestea sunt doar câteva exemple ale complexității care face studiul căilor de semnalizare provocativ dar și fascinant. Căi de semnalizare celulară, în special calea factorului de creștere epidermică pe care ai văzut-o mai devreme, reprezintă o preocupare de studiu pentru cercetătorii care dezvoltă medicamente noi împotriva cancerului

^{7, 8}

Surse:

Acest articol este derivat și modificat de la “Propagation of the signal,” by OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Descarcă gratuit articolul original de la http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85.

Articolul modificat este licențiat sub o licență CC-BY-NC-SA 4.0.

Lucrări citate:

Oncogene. (2016, June 29). Retrieved July 23, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Oncogene.
Widmann, Christian, Gibson, Spencer, Jarpe, Matthew B., and Johnson, Gary L. (1999). Mitogen-activated protein kinase: Conservation of a three-kinase module from yeast to human. Physiological Reviews 79(1), 143-180. http://physrev.physiology.org/content/79/1/143.long.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Cell communication. In Campbell biology (10th ed.). San Francisco, CA: Pearson, 224.
Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., and Walter, P. (2002). General principles of cell communication. In Molecular biology of the cell (4th ed.). New York, NY: Garland Science. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26813/#_A2756_.
Muscarinic acetylcholine receptor. (2015, September 28). Retrieved November 8, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Muscarinic_acetylcholine_receptor.
Klabunde, R. E. (2013). Adrenergic and cholinergic receptors in the heart. In Cardiovascular physiology concepts. Retrieved from http://www.cvphysiology.com/Blood%20Pressure/BP010.htm.
Chong, C. R. and Jänne, P. A. (2013). The quest to overcome resistance to EGFR-targeted therapies in cancer. Nature Medicine, 19, 1389-1400. http://dx.doi.org/10.1038/nm.3388.
Roberts, P. J. and Der, C. J. (2007). Targeting the Raf-MEK-ERK mitogen-activated protein kinase cascade for the treatment of cancer. Oncogene, 26, 3291-3310. http://dx.doi.org/10.1038/sj.onc.1210422.

Referințe suplimentare:

Acetylcholine. (2015, November 8). Retrieved November 8, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Acetylcholine.

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., and Walter, P. (2002). General principles of cell communication. In Molecular biology of the cell (4th ed.). New York, NY: Garland Science. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26813/.

APExBIO. (2013). EGFR [signaling pathway map]. In Tyrosine kinase/adaptors. Retrieved from http://www.apexbt.com/research-area/tyrosine-kinase/egfr.html.

Chong, C. R. and Jänne, P. A. (2013). The quest to overcome resistance to EGFR-targeted therapies in cancer. Nature Medicine, 19, 1389-1400. http://dx.doi.org/10.1038/nm.3388.

Cooper, G.M. (2000). Pathways of intracellular signal transduction. In The cell: A molecular approach (2nd ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9870/.

Ghazi, A. and VijayRaghavan, K. (2000). Developmental biology: Control by combinatorial codes. Nature, 408, 419-20. http://dx.doi.org/10.1038/35044174.

Giubellino, A., Burke, T. R., and Bottaro, D. P. (2008). Grb2 Signaling in cell motility and cancer. Expert Opin. Ther. Targets, 12(8), 1021-1033. Retrieved from www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2764957/.

Klabunde, R. E. (2013). Adrenergic and cholinergic receptors in the heart. In Cardiovascular physiology concepts. Retrieved from http://www.cvphysiology.com/Blood%20Pressure/BP010.htm.

Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D., and Darnell, J. (2000). Second messengers. In Molecular cell biology (4th ed., section 20.6). New York, NY: W. H. Freeman. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21705/.

MAPK/ERK pathway. (2015, November 2). Retrieved November 7, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/MAPK/ERK_pathway.

Matallanas, D., Birtwistle, M., Romano, D., Zebisch, A., Rasch, J., von Kriegsheim, A., and Kolch, W. (2011). Raf family kinases: Old dogs have learned new tricks. Genes Cancer, 2(3), 232-260. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21779496.

McCain, J. (2013). The MAPK (ERK) pathway: Investigational combinations for the treatment of BRAF-mutated metastatic melanoma. Pharmacy and Therapeutics, 38(2), 105-108. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3628180/.

McCubrey, J. A., Steelman, L. S., Chappell, W. H., Abrams, S. L., Wong, E. W. T., Chang, F., Lehmann, B., Terrian, D. M., Milella, M., Tafuri, A., Stivala, F., Libra, M., Basecke, J., Evangelisti, C., Martelli, A. M., and Franklin, R. A. (2007). Roles of the Raf/MEK/ERK pathway in cell growth, malignant transformation and drug resistance. Biochimica et Biophysica Acta - Molecular Cell Research, 1773(8), 1263-1284. http://dx.doi.org/10.1016/j.bbamcr.2006.10.001.

Muscarinic acetylcholine receptor. (2015, September 28). Retrieved November 8, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Muscarinic_acetylcholine_receptor.

Myc. (2015, October 8). Retrieved November 7, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Myc.

Nuclear proto-oncogenes and transcription factors. (2013). In S. Pelengaris and M. Khan (Eds.), Biology of cancer: A bridge from bench to bedside (2nd ed.). Oxford, UK: Wiley-Blackwell.

Oncogene. (2016, June 29). Retrieved July 23, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Oncogene.

Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate. (2015, August 5). Retrieved November 7, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Phosphatidylinositol_4,5-bisphosphate.

Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H., and Heller, H.C. (2004). Muscle contraction. In Life: the science of biology (7th ed., pp. 904-911). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Ras subfamily. (2015, October 29). Retrieved November 7, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Ras_subfamily.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). Cell communication. In Biology (10th ed., AP ed., pp. 168-185). New York, NY: McGraw-Hill.

R & D Systems. (2015). The ERK signal transduction pathway. In Articles. Retrieved from https://www.rndsystems.com/resources/articles/erk-signal-transduction-pathway.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Cell communication. In Campbell biology (10th ed., pp. 210-231). San Francisco, CA: Pearson.

Roberts, P. J. și Der, C. J. (2007). Targeting the Raf-MEK-ERK mitogen-activated protein kinase cascade for the treatment of cancer. Oncogene, 26, 3291-3310. http://dx.doi.org/10.1038/sj.onc.1210422.

Widmann, Christian, Gibson, Spencer, Jarpe, Matthew B., and Johnson, Gary L. (1999). Mitogen-activated protein kinase: Conservation of a three-kinase module from yeast to human. Physiological Reviews 79(1), 143-180. http://physrev.physiology.org/content/79/1/143.long

Vrei să te alături conversației?

Conectare

Ordonare după:

Nici o postare încă.

Înțelegi engleza? Dă clic aici pentru a vedea mai multe discuții care au loc pe site-ul în limba engleză al Khan Academy.