Introducere în semnalizarea celulară

De gândești la celulele tale ca la niște simple elemente de bază, inconștiente și statice ca niște cărămizi dintr-un perete? Dacă da, gândește-te din nou! Celulele pot detecta ce se întâmplă în jurul lor și pot răspunde în timp real la semne de la vecinii și mediul lor. Chiar în acest moment, celulele tale trimit și primesc milioane de mesaje sub formă de molecule chimice semnalizatoare!

În cadrul acestui articol, vom analiza principiile de bază ale comunicării celulelor între ele. Întâi, vom discuta cum funcționează semnalizarea celulară, iar apoi vom trece la diverse tipuri de semnalizare, scurtă și lungă, care se petrec în corpurile noastre.

În general, celulele comunică prin intermediul semnalelor chimice. Aceste semnale, care sunt proteine sau alte molecule produse de o celulă semnalizatoare, sunt, de-obicei, secretate de celulă și eliberate în spațiul extracelular. Acolo, pot pluti - ca mesaje într-o sticlă - până la celulele învecinate.

Nu toate celulele pot ”auzi” anumite mesaje chimice. Pentru a detecta un semnal (adică a fi o celulă țintă), o celulă învecinată trebuie să aibă receptorul potrivit pentru semnalul respectiv. Atunci când o moleculă semnal se leagă de receptor, modifică forma sau activitatea receptorului, cauzând o schimbare în interiorul celulei. Moleculele semnal sunt deseori numite liganzi, un termen general pentru molecule care se leagă în mod specific de alte molecule (precum receptorii).

Mesajul transportat de liganzi este, deseori, transmis printr-un lanț de mesageri chimici din interiorul celulei. În cele din urmă, aceasta duce la o modificare în celulă, precum schimbarea activității unei gene sau inducția unui întreg proces, ca diviziunea celulară. Deci, semnalul intercelular (între celule) original este transformat într-un semnal intracelular (în celulă) care declanșează un răspuns.

Poți învăța mai multe despre cum funcționează acestea în articolele despre liganzi și receptori, releu de semnalizare și răspunsuri celulare.

Semnalizarea celulă-celulă implică transmisia unui semnal de la o celulă semnalizatoare la o celulă țintă. Totuși, nu toate celule semnalizatoare și țintă sunt apropiate, iar nu toate perechile de celule fac schimb de semnale în același mod.

Există patru categorii de bază de semnalizare chimică prezente în organisme pluicelulare: semnalizare paracrină, autocrină, endocrină și semnalizare prin contact direct. Diferența principală dintre diversele tipuri de semnalizare este distanța pe care trebuie să o parcurgă semnalul prin organism pentru a ajunge la celula receptor.

Adesea, celulele apropiate una față de alta comunică prin intermediul eliberării de mesageri chimici (liganzi care pot difuza prin spațiul dintre celule). Acest tip de semnalizare, în care celulele comunică pe distanțe relativ mici, este cunoscut ca semnalizare paracrină.

Semnalizarea paracrină permite celulelor să coordoneze activitățile cu vecinii lor la nivel local. Deși sunt folosite în multe țesuturi și contexte diferite, semnalele paracrine sunt importante în particular în timpul dezvoltării, atunci când permit unui grup de celule să-i spună altuia din apropierea sa ce identitate celulară să ia.

Un exemplu unic de semnalizare paracrină este semnalizarea sinaptică, unde celulele nervoase transmit semnale. Numele acestui proces vine de la sinapsă, joncțiunea dintre două celule nervoase, unde se petrece transmisia semnalului.

Când neuronul semnalizator se activează, un impuls electric se deplasează rapid prin celulă, călătorind printr-o extensie lungă și fibroasă, numită axon. Când impulsul ajunge la sinapsă, acesta declanșează eliberarea de liganzi numiți neurotransmițători, care traversează rapid mica distanță dintre celulele nervoase. Atunci când neurotransmițătorii ajung la celula receptoare, aceștia se leagă de receptori și declanșează o modificare chimică în interiorul celulei (adesea, deschizând canele de ioni și schimbând potențialul electric prin membrană).

Neurotransmițătorii eliberați în sinapsa chimică se degradează rapid sau sunt preluați de celula semnalizatoare. Aceasta ”resetează” sistemul pentru ca sinapsa să fie preparată să răspundă rapid la următorul semnal.

În semnalizarea autocrină, o celulă trimite un semnal către sine, eliberând un ligand care se unește cu receptorii de pe propria suprafață (sau în funcție de tipul de semnal, de receptorii din interiorul celulei). Acest lucru poate părea ciudat pentru activitatea celulei, dar semnalizarea autocrină joacă un rol important în multe procese.

De exemplu, semnalizarea autocrină este importantă în timpul dezvoltării, ajutând celulele să preia și consolideze identitatea lor corectă. Din punct de vedere medical, semnalarea autocrină este importantă în cazul cancerului și se crede că joacă un rol cheie în metastaza (răspândirea cancerului de la locul inițial la alte părți ale organismului)$^6$start superscript, 6, end superscript. În multe cazuri, un semnal poate avea atât efecte autocrine, cât și paracrine; țintind atât celula expeditoare precum și alte celule similare din zonă.

Atunci când celulele trebuie să transmită semnale pe distanțe lungi, ele folosesc adesea sistemul circulator ca o rețea de distribuție pentru mesajele pe care le trimit. În semnalizare endocrină pe distanțe lungi, semnalele sunt produse de celule specializate și sunt eliberate în fluxul sanguin, care le transportă către celulele țintă în părți îndepărtate ale corpului. Semnalele care sunt produse într-o parte a corpului și călătoresc prin umori pentru a atinge ținte îndepărtate sunt cunoscute ca hormoni.

La om, glandele endocrine care eliberează hormoni includ tiroida, hipotalamusul și hipofiza, precum și gonadele (testicule și ovare) și pancreasul. Fiecare glandă endocrină eliberează unul sau mai multe tipuri de hormoni, dintre care multe sunt regulatoare principale în dezvoltare și fiziologie.

De exemplu, hipofiza eliberează hormonul de creștere (GH), care stimulează creșterea, în special a scheletului și cartilajului. Ca majoritatea hormonilor, GH afectează multe tipuri diferite de celule din organism. Dintre acestea, celulele cartilaginoase oferă un exemplu al modului în care funcționează GH: se leagă de receptorii de pe suprafața acestor celule și îi încurajează să se dividă $^7$start superscript, 7, end superscript.

Joncțiunile intracelulare ale animalelor și plasmodesmata din plante sunt canale mici care leagă direct celulele învecinate. Aceste canale pline cu apă permit moleculelor semnal mici, numite mediatori intracelulari, să difuze între cele două celule. Moleculele și ionii mici se pot mișca între celule, dar moleculele mari precum proteinele și ADN-ul nu se pot trece prin canale fără asistență specială.

Transferul de molecule semnal transmite starea actuală a unei celule către celula sa vecină. Acest lucru permite unui grup de celule să își coordoneze răspunsul la un semnal pe care numai una dintre ele l-a primit. În plante, există plasmodesmata între aproape toate celulele, transformând întreaga plantă într-o singură rețea gigant.

În altă formă de semnalizare directă, două celule se pot uni una cu alta deoarece transportă proteine complementare pe suprafețele lor. Când proteinele se leagă una de cealaltă, această interacțiune modifică forma uneia sau a ambelor proteine, transmițând un semnal. Acest tip de semnalizare este deosebit de importantă în sistemul imunitar, unde celulele imune utilizează markere pe suprafața celulară pentru a recunoaște celulele "proprii" (celulele proprii ale organismului) și celulele infectate cu patogeni$^{9}$start superscript, 9, end superscript.