Способы передачи внутриклеточных сигналов

Внутриклеточные сигнальные пути: исключительная роль системы для организма

На сегодняшний день все еще изучаются невероятные возможности клеток, среди которых система внутриклеточной сигнализации занимает важное место.

Ответ клетки на внутренние или внешние раздражители довольно сложный. Он представляет собой так званый внутриклеточный каскад сигнальных молекул, состоящий из множества биохимических превращений. Некоторые фрагменты этой системы поддерживают выживаемость клеток, другие участвуют в апоптозе.

Понимание особенностей и механизмов функционирования сигнальных путей важно для врачей всех специальностей, в особенности для эндокринологов, иммунологов и дерматологов.

Читайте на estet-portal.com о механизмах внутриклеточной передачи, основных видах сигнальных молекул и путей, передающих информацию между клетками организма.

Разновидности молекул, принимающих участие в реализации сигнальных путей

Для того чтобы понимать механизмы формирования внутриклеточных путей передачи информации, необходимо разобраться, какими же бывают посредники – сигнальные молекулы.

Сигнальные молекулы – это различные химические вещества и их соединения, которые способны передавать внутри клетки сигналы из внешней и внутренней среды организма.

В настоящее время выделяют два вида сигнальных молекул: первичные и вторичные посредники.

Первичные мессенджеры, как правило, являются экстраклеточными сигналами. К ним относятся:

Вторичные мессенджеры характеризуются низкой молекулярной массой и высокой скоростью расщепления. К ним относятся:

Сигнальные молекулы по физико-химическим свойствам также делят на липофильные и липофобные.

Механизм внутриклеточной передачи сигнала: классические сигнальные пути

Существует несколько классических способов передачи сигнала между клетками, среди которых наиболее изученным является путь MAPK (mitogen activated protein kinase).

Механизм пути МАРК реализуется следующим образом: сначала происходит трансмембранная активация рецепторов клетки с помощью цитоплазматических и ядерных протеинов, что в дальнейшем воздействует на транскрипцию генов, метаболизм, пролиферацию клеток, апоптоз и другие процессы.

Сигналы от первичных мессенджеров распознаются благодаря тирозиназным рецепторам или рецепторам, связанными с G-белками, которые активируют ГТФазы семейства Ras и Rho. Протеинкиназы фосфорилируют белки-мишени и факторы транскрипции, которые определяют конкретные реакции клеток.

Повреждающие воздействия, такие как окислительный стресс, помимо разрушения компонентов клеток, усиливают экспрессию ряда сигнальных и защитных белков.

Читайте нас также в Instagram

Основные виды гуморальных регуляторных эффектов сигнальных молекул

Передача сигналов между молекулами имеет несколько вариантов путей:
опосредствованный путь передачи сигнала (мембранные рецепторы) и прямой путь рецепции (внутриклеточные рецепторы).

Клетки-мишени – это клетки, имеющие специализированные рецепторы на своей поверхности для определенного вида сигнальных молекул.

Регуляцию сигнальных молекул выполняют такие системы, как эндокринная, паракринная и аутокринная.

1. Эндокринная регуляция заключается в том, что посредники поступают к клеткам-мишеням из желудочно-воротной системы с током крови. Такой механизм характерный для большинства гормонов;

2. Паракринная регуляция осуществляется с помощью сигнальных молекул, которые вырабатываются в пределах одного органа;

3. Аутокринная регуляция характеризуется тем, что вещество оказывает влияние на ту же клетку, в которой оно образуется, тем самым изменяя ее функциональную активность.

Координацию нервной и гуморальной регуляции осуществляет гипоталамо-гипофизарная система.

Последствия гиперактивности некоторых сигнальных путей для организма

На примере постоянной активации сигнального каскада рецептора эпидермального фактора роста (EGFR) можно рассмотреть последствия данного процесса для клеток организма.

Семейство генов RAS имеют огромное значение для сигнального RAS-пути. Нормальный RAS находится преимущественно в неактивной, GDP-связанной форме. Активация RAS регулируется рецепторной тирозинкиназой EGFR.

После связывания рецепторной внеклеточной части тирозинкиназы с фактором роста происходит взаимное фосфорилирование ее внутриклеточных доменов. Образование активного комплекса RAS-GTP происходит в присутствии активирующего GTP-азу белка GAP, в сотни раз ускоряющего гидролиз. После гидролитического превращения GTP в GDP RAS снова инактивируется. Сигнал прерывается. Чтобы воспринять новый сигнал, если он еще существует вне клетки, цикл реактивации должен быть повторен.

Таким образом, каскадная последовательность реакций сигнального пути RAS действует как включатель, определяющий регуляцию генной экспрессии, требующуюся для реализации деления или дифференцировки клетки. Постоянная активация RAS-системы ведет к генным мутациям и злокачественному перерождению клеток.

Спасибо, что Вы остаетесь в estet-portal.com. Вам также может быть интересно: Что мы знаем про иммуноонкологию и ее роль в лечении меланом

Источник

Способы передачи внутриклеточных сигналов

Все клетки, от прокариот до клеток растений и животных, способны воспринимать сигналы извне и реагировать на них стереотипным образом, который позволяет им выживать, приспосабливаться и функционировать в соответствии с потребностями всего организма.

Эта реакция клеток выражается не просто в форме неких физических или химических явлений или изменений в их локальном окружении. Скорее, следут сказать, что клетка экспрессирует целый ансамбль сенсорных белков, или рецепторов, узнающих специфические внешние сигналы.

В ответ на эти сигналы рецепторы активируют разнообразные внутриклеточные регуляторные белки, которые, в свою очередь, обеспечивают адекватную реакцию клетки. Процесс узнавания внешнего сигнала и передачи соответствующей информации на внутриклеточные мишени называется преобразованием сигнала.

Клетка реагирует на все виды сигналов. Бактерии реагируют на питательные ингредиенты, токсины, тепло, холод, свет и химические сигналы, исходящие от других бактерий.

Клетки многоклеточных организмов экспрессируют рецепторы, специфичные по отношению к гормонам, нейромедиаторам, аутокринным и паракринным агентам (гормоноподобные вещества, секретируемые самой клеткой или ее окружением), к запаху и к молекулам, регулирующим рост или дифференцировку, а также к белкам, расположенным на поверхности клеток. Типичная клетка млекопитающих экспрессирует около пятидесяти различных рецепторов, которые проявляют чувствительность к разнообразным сигналам, а всего у млекопитающих экспрессируется несколько тысяч рецепторов.

Несмотря на большое разнообразие клеток и огромное количество веществ, которые они узнают, основные классы белков и процессы, участвующие в системе преобразования сигнала в клетках, достаточно консервативны.

• Рецепторы, связанные с G-белком, состоящие из семи спиралей, проходящих через мембрану. Они обеспечивают активацию гетеротримерных ГТФ-связывающих белков, которые называются G-белками. Эти белки связаны с внутренней стороной плазматической мембраны и передают сигналы на разные внутриклеточные белки.

• Протеинкиназные рецепторы часто представляют собой димеры белков, проходящих через мембрану, которые фосфорилируют внутриклеточные субстраты и, таким образом, изменяют форму и функции белков-мишеней. Эти протеинкиназы часто содержат домены, ответственные за взаимодействие с другими белками и принимающие участие в организации комплексов сигнальных белков, расположенных на внутренней поверхности плазматической мембраны.

• Фосфопротеинфосфатазы аннулируют эффект протеинкиназ, удаляя фосфатные группы.

• Прочие ферменты, молекулы которых проходят через мембрану, например, гуанилатциклаза, обладают структурой, близкой к рецепторным проте-инкиназам, однако характеризуются различными ферментативными активностями. Гуанилатциклаза катализирует превращение ГТФ в 3’5′-циклоГТФ, который участвует в распространении сигнала.

• Ионные каналы, хотя и имеют ряд отличий в деталях структуры, обычно представляют собой олигомеры субъединиц, из которых каждая состоит из нескольких трансмембранных сегментов. Эти субъединицы способны менять свою конформацию и относительное расположение, тем самым регулируя ионные потоки через центральную пору.

• Двухкомпонентные системы могут обладать трансмембранным расположением или локализуются в цитозоле. Число субъединиц у них также варьирует, но каждая двухкомпонентная система содержит гистидинкиназный домен или субъединицу, находящуюся под контролем сигнальной молекулы, и регулятор ответа, в структуре которого присутствует остаток аспарагиновой кислоты (Asp), способный фосфорилироваться.

• Некоторые рецепторы представляют собой трансмембранный каркас, который меняет конформацию или обладает способностью к олигомеризации своих доменов, расположенных с клеточной стороны. Это происходит в ответ на появление внеклеточных сигнальных молекул или лигандов. Таким образом, происходит отбор регуляторных белков, взаимодействующих между собой в определенных местах мембраны.

• Ядерные рецепторы представляют собой факторы транскрипции, часто гетеродимеры, которые находятся в цитоплазме до момента их активации агонистами, или постоянно присутствуют в ядре. Биохимические процессы, участвующие в преобразовании сигнала в разных клетках, поразительно сходны. Для обнаружения и обработки сигнала, клетки бактерий, грибов, растений и животных используют аналогичные белки и мультибелковые комплексы.

Например, у растений, грибов и в клетках животных обнаружены обладающие близкой структурой гетеротримерные G-белки и соответствующие им рецепторы, сохранившиеся в ходе эволюции. Аналогичным образом, в бактериях, грибах и у животных обнаружен 3’5′-циклический АМФ (цАМФ), представляющий собой внутриклеточную сигнальную молекулу; во всех клетках эукариот аналогичную роль играет Са2+. Во всех клетках в регуляции активности ферментов участвуют протеинкиназы и фосфопротеинфосфатазы.

Хотя основные биохимические компоненты и процессы передачи сигнала достаточно консервативны и используются многократно, они часто вовлекаются в самые разнообразные процессы и принимают участие в реализации множества различных физиологических реакций. Например, цАМФ образуется в бактериях, грибах и у млекопитающих с участием близких по свойствам ферментов, и в каждом организме белки-мишени для этого метаболита различны; так, для некоторых видов миксомицетов он является феромоном.

Часто для регуляции определенного процесса, например транскрипции, ионного транспорта, подвижности и метаболизма, клетки используют одни и те же сигнальные белки. Такие системы передачи сигнала собираются в сигнальные сети с тем, чтобы клетка могла координировать реакции на множественные сигналы с выполняемыми в данный момент функциями. В настоящее время в последовательностях отдельных процессов системы передачи сигнала, и в сети в целом, можно обнаружить присутствие элементов, характерных для компьютерных сетей.
Это усилители, логические шлюзы, контроль обратной и прямой связи, и память.

В дальнейших статьях вначале рассматриваются принципы организации клеточных систем передачи сигнала и общие вопросы стратегии, а затем обсуждаются соответствующие биохимические компоненты и процессы, а также пути конкретной реализации изложенных принципов.

Рецепторы группируются в относительно небольшую группу семейств,
которые характеризуются общими механизмами действия и общностью структуры.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Источник

Способы передачи внутриклеточных сигналов

• События, происходящие за пределами клетки, могут запускать внутриклеточные процессы. Это происходит с участием рецепторных белков, встроенных в мембрану.
• Рецептор проходит сквозь мембрану, и его домены расположены по обеим ее сторонам.
• При связывании лиганда с внешним доменом рецептор активируется.
• Связывание лиганда приводит к изменению структуры или функции внутреннего домена рецептора.

Способность реагировать на внешнее окружение является важнейшим свойством каждой клетки. Для одноклеточных организмов внешнее окружение представляет собой внеклеточную среду. Реакция клетки может выражаться просто в усвоении питательных веществ или носит более сложный характер.

Например, клетка может начать мигрировать по направлению к источнику питательных веществ.

У многоклеточных организмов окружение создается с участием других клеток. Поэтому способность клеток взаимодействовать друг с другом становится особенно существенной в том случае, когда они приобретают специализированные функции, которые зависят от такого взаимодействия.

Простое перемещение молекул через клеточную мембрану представляет собой не единственный путь, посредством которого клетка реагирует на внешний сигнал. Запуск реакции внутри клетки на сигнал поступивший с внешней стороны мембраны осуществляется с помощью системы передачи сигнала.

Как следует из рисунка ниже, этот механизм усиливает сигнал и запускает в клетке цепь определенных метаболических процессов.

Характерная особенность всех систем передачи сигнала состоит в том, что определенный компонент окружающей среды узнается белком, находящимся в плазматической мембране. Компонент, который играет роль триггера, называется лигандом, а белок, встроенный в плазматическую мембрану, рецептором.

Связывание лиганда с рецептором на поверхности клетки запускает процессы передачи сигнала,
в результате чего в клетке развивается ответная реакция.

Рецептор, встроенный в мембрану, и связывание лиганда с его внешним доменом запускает цепь событий, проводящих к активации внутриклеточного домена рецептора. Распространенный механизм, который реализуется при связывании лиганда, состоит в димеризации мономеров рецептора.

При образовании димеров возникает ферментативная активность. Под действием фермента изменяются другие компоненты, образуются новые субстраты и запускается вся цепь метаболических процессов. После их завершения образуется активированный конечный продукт.

На некоторых стадиях реакция может амплифицироваться и, таким образом, при одном акте взаимодействия лиганда с рецептором может образоваться много копий конечного продукта. Последний влияет на экспрессию генов или же вызывает в клетке структурные изменения.

Ответ клетки зависит от характера сигнала. Когда вблизи бактерии оказывается источник питательных веществ, то возникает каскадная цепь процессов. Все начинается с взаимодействия питательного компонента с рецептором и завершается движением жгутиков, с помощью которых бактерия продвигается к источнику питания.

Когда дрожжевая клетка, способная к спариванию, узнает небольшой полипептидный феромон, секретируемый другой клеткой, то система передачи сигнала запускает каскад событий, в результате чего две клетки начинают расти навстречу друг другу и сливаются.

У многоклеточных системы передачи сигнала могут быть взаимосвязаны с тем, чтобы обеспечить согласованный физиологический ответ организма. Когда животное получает пищу, содержание сахара в крови увеличивается.

Сахар запускает каскад процессов передачи сигнала в клетках островков поджелудочной железы, в результате чего они начинают секретировать полипептидный гормон, инсулин. Инсулин связывается с рецепторами, расположенными на большинстве клеток, и запускает процесс, позволяющий им усваивать сахар из крови. Последний запасается в виде гликогена, который служит источником энергии для организма.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

— Вернуться в содержание раздела «генетика» на нашем сайте

Источник