КЛЕТЪЧНА КОМУНИКАЦИЯ: ВИДОВЕ, ЗНАЧЕНИЕ, ПРИМЕРИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В клетъчна комуникация, наричан също междуклетъчната комуникация, е предаването на извънклетъчни сигнали молекули. Тези молекули започват от клетка, генерираща сигнал, и се свързват с рецепторите в целевата клетка, произвеждайки специфичен отговор.

Сигналната молекула може да бъде малка молекула (пример: аминокиселина), пептид или протеин. Следователно комуникацията, която е химическа, е характеристика на едноклетъчните и многоклетъчните организми.

Източник: pixabay.com

При бактериите сигналните молекули са бактериални феромони. Те са необходими за функции като хоризонтален трансфер на гени, биолуминесценция, образуване на биофилми и производството на антибиотици и патогенни фактори.

При многоклетъчните организми клетъчната комуникация може да се осъществява между клетки, които са в съседство, или между отделни клетки. В последния случай сигналните молекули трябва да дифундират и да изминават големи разстояния. Сред функциите на сигналите са промените в генната експресия, морфологията и движението на клетките.

Клетъчната комуникация може да се осъществява и от извънклетъчни везикули (EV), наречени ектозоми и екзозоми. Някои функции на EV са: модулация на лимфоцитите и макрофагите; контрол на синаптичната функция; в кръвоносните съдове и сърцето, коагулация и ангиогенеза; и обмен на РНК.

Видове (системи / механизми)

При бактериите има вид клетъчна комуникация, наречена кворум сензор, която се състои от поведения, които се появяват само когато плътността на бактериалната популация е висока. Считането на кворума включва производство, освобождаване и последващо откриване на високи концентрации на сигнални молекули, наречени автоиндуктори.

При едноклетъчните еукариоти, като T. brucei, също има кворум. При дрождите сексуалното поведение и диференцирането на клетките се появяват в отговор на феромоновата комуникация и промените в околната среда.

При растенията и животните използването на извънклетъчни сигнални молекули, като хормони, невротрансмитери, растежни фактори или газове, е важен тип комуникация, която включва синтеза на сигналната молекула, нейното освобождаване, транспортирането й до целевата клетка, откриването сигнал и специфичен отговор.

По отношение на транспортирането на сигналната молекула при животни, разстоянието на действие на молекулата определя два вида сигнали: 1) автокринни и паракринни, които действат съответно на една и съща клетка и на близките клетки; и 2) ендокринната, която действа върху отдалечена целева клетка, като се пренася от кръвния поток.

Клетъчната комуникация чрез извънклетъчни везикули е важен вид клетъчна комуникация при еукариотни организми и Архея.

С нарастването на едноклетъчната еукариотна или бактериална популация, тя достига достатъчен брой клетки или кворум, който произвежда концентрацията на индуктор, способна да произведе ефект в клетките. Това представлява механизъм за преброяване.

При бактериите са известни три вида системи за установяване на кворума: едната е грам-отрицателна; друг в грам-положителни; и друга върху грам отрицателната Vibrio harveyi.

В грам-отрицателните бактерии автоиндукторът е ацилиран хомосерин лактон. Това вещество се синтезира от ензима тип LuxI и пасивно дифундира през мембраната, натрупвайки се в извънклетъчното и вътреклетъчното пространство. Когато се достигне стимулиращата концентрация, се активира транскрипцията на гени, регулирани от QS.

В грам-отрицателните бактерии автоиндукторите са модифицирани пептиди, които се изнасят в извънклетъчното пространство, където взаимодействат заедно с мембранните протеини. Получава се каскада на фосфорилиране, която активира протеини, които се свързват с ДНК и контролират транскрипцията на целевите гени.

Vibrio harveyi произвежда два автоиндуктора, обозначени HAI-1 и A1-2. HAI-1 е ацилиран лактонов хомосерин, но неговият синтез не зависи от LuxI. А1-2 е диестер на фуранозил борат. И двете вещества действат чрез фосфорилираща каскада, подобна на тази на други грам-отрицателни бактерии. Този тип QS контролира биолуминесценцията.

Химическа комуникация

Специфичното свързване на сигналната молекула или лиганд с рецепторния протеин предизвиква специфичен клетъчен отговор. Всеки тип клетки има определени видове рецептори. Въпреки че определен тип рецептор може да се намери и в различни видове клетки и да произведе различни отговори на един и същи лиганд.

Характерът на сигналната молекула определя пътя, който ще бъде използван за влизане в клетката. Например, хидрофобните хормони, като стероиди, дифундират през липидния двуслоен и се свързват с рецептори, за да образуват комплекси, които регулират експресията на специфични гени.

Газове като азотен оксид и въглероден оксид дифундират през мембраната и обикновено активират циклична GMP-продуцираща гуанилил циклаза. Повечето от сигналните молекули са хидрофилни.

Неговите рецептори се намират на клетъчната повърхност. Рецепторите действат като сигнални преводачи, които променят поведението на целевата клетка.

Клетъчните повърхностни рецептори са разделени на: а) рецептори, свързани с G протеин; б) рецептори с ензимна активност, като тирозин киназа; и c) рецептори на йонни канали.

Характеристики на рецептори, свързвани с протеин

Рецепторите, свързани с протеин, се намират във всички еукариоти. По принцип те са рецептори със седем домена, които пресичат мембраната, с N-терминалния регион към външната страна на клетката и С-терминалът към вътрешността на клетката. Тези рецептори се свързват с G протеин, който превежда сигналите.

Когато лигандът се свърже с рецептора, G протеинът се активира. Това от своя страна активира енфекторния ензим, който произвежда втори вътреклетъчен пратеник, който може да бъде цикличен аденозин монофосфат (сАМФ), арахидонова киселина, диацилглицерол или инозитол-3-фосфат, който действа като усилвател на сигнала. първоначалната.

Протеин G има три субединици: алфа, бета и гама. Активирането на G протеина включва дисоциация на БВП от G протеина и свързване на GTP с алфа субединицата. В G _алфа -GTP комплекса те се отделят от бета и гама субединици, взаимодействайки специално с ефекторните протеини, активирайки ги.

CAMP пътят може да бъде активиран от бета-адренергични рецептори. CAMP се произвежда от аденилил циклаза. Пътят на фосфоинозитола се активира от мускариновите ацетилхолинови рецептори. Те активират фосфолипаза С. Пътят на арахидоновата киселина се активира от хистаминовия рецептор. Активира фосфолипаза А2.

CAMP път

Свързването на лиганда с рецептора, стимулиращият протеин G (G _s), свързан с БВП, причинява обмяната на БВП за GTP и дисоциацията на алфа субединицата на G _s от бета и гама субединици. G _алфа -GTP комплексът се свързва с домейн на аденил циклаза, активирайки ензима и продуцирайки cAMP от АТФ.

CAMP се свързва с регулаторните субединици на cAMP-зависимата протеин киназа. Освобождава каталитични субединици, които фосфорилират протеини, които регулират клетъчните отговори. Този път се регулира от два вида ензими, а именно фосфодиестерази и протеинови фосфатази.

Фосфоинозитол път

Свързването на лиганда с рецептора активира G протеина (G _q), който активира фосфолипаза С (PLC). Този ензим разгражда фосфатидил инозитол 1,4,5-бисфосфат (PIP ₂) на два втори пратеника, инозитол 1,4,5-трифосфат (IP ₃) и диацилглицерол (DAG).

IP ₃ дифундира в цитоплазмата и се свързва с рецепторите в ендоплазмения ретикулум, причинявайки освобождаването на Са ⁺² отвътре. DAG остава в мембраната и активира протеин киназата С (PKC). Някои изоформи на PKC изискват Ca ⁺².

Пътят на арахидоновата киселина

Свързването на лиганд към рецептора води бета и гама субединици на G протеин на активиране на фосфолипаза А ₂ (PLA ₂). Този ензим хидролизира фосфатидилининозитол (PI) в плазмената мембрана, освобождавайки арахидонова киселина, която се метаболизира по различни пътища, като 5 и 12-липоксигеназа и циклооксигеназа.

Характеристики на рецепторната тирозин киназа

Рецепторната тирозин киназа (RTK) има извънклетъчни регулаторни домени и вътреклетъчни каталитични домени. За разлика от рецептора, свързан с G протеин, полипептидната верига на рецепторната тирозин киназа преминава през плазмената мембрана само веднъж.

Свързването на лиганда, който е хормон или растежен фактор, към регулаторния домен, причинява свързването на двете рецепторни субединици. Това позволява автофосфорилиране на рецептора върху тирозинов остатък и активиране на протеиновите фосфорилиращи каскади.

Фосфорилираните тирозинови остатъци на рецепторната тирозин киназа (RTK) взаимодействат с протеините на адаптера, които свързват активирания рецептор с компоненти на пътя на трансдукция на сигнала. Адапторните протеини служат за образуване на мултипротеинови сигнални комплекси.

RTK се свързва с различни пептиди, като например: епидермален растежен фактор; фактори на растеж на фибробластите; фактори за растеж на мозъка; фактор за растеж на нервите; и инсулин.

Обща характеристика на приемниците

Активирането на повърхностните рецептори води до промени във фосфорилирането на протеина чрез активиране на два вида протеинкинази: тирозин киназа и серинови и треонинови кинази.

Серин и треонин кинази са: cAMP-зависима протеина киназа; cGMP-зависима протеин киназа; протеин киназа С; и Са ⁺² / Калмодулин- зависим протеин. В тези протеин кинази, с изключение на cAMP-зависимата киназа, каталитичният и регулаторен домен се намира в една и съща полипептидна верига.

Вторият пратеник се свързва с тези серинови и треонинови кинази, активирайки ги.

Характеристики на рецепторите, които са йонни канали

Рецепторите на йонните канали имат следните характеристики: а) провеждат йони; б) разпознава и избира конкретни йони; в) отваряне и затваряне в отговор на химични, електрически или механични сигнали.

Рецепторите на йонните канали могат да бъдат мономер или могат да бъдат хетеролигомери или хомолигомери, чиито области от полипептидна верига пресичат плазмената мембрана. Има три фамилии йонни канали: а) канали на лиганд затворите; б) канали за присъединяване на празнина; и в) Na ⁺ -зависими канали за напрежение.

Някои примери за рецептори на йонните канали са невромускулните рецептори за ацетилхолинови рецептори и йонотропните глутаматни рецептори, NMDA и non-NMDA, в централната нервна система.

Комуникация чрез извънклетъчни везикули

Извънклетъчните везикули (EV) са смес от ектозоми и екзозоми, които са отговорни за предаването на биологична информация (РНК, ензими, реактивни видове кислород и др.) Между клетка и клетка. Произходът на двете везикули е различен.

Ектозомите са везикули, получени чрез поникване от плазмената мембрана, последвано от тяхното отделяне и освобождаване в извънклетъчното пространство.

Първо се случва групирането на мембранните протеини в дискретни домейни. Тогава протеиновите липидни котви натрупват цитозолни протеини и РНК в лумена, като по този начин расте пъпката.

Екзозомите са везикули, които се образуват от мултивикуларни тела (MVB) и се отделят чрез екзоцитоза в извънклетъчното пространство. MVBs са късни ендозоми, в които има интралуминални везикули (ILVs). MVBs могат да се слеят с лизозоми и да продължат деградативния път или да освободят ILVS като екзозоми чрез екзоцитоза.

EVs взаимодействат с целевата клетка по различни начини: 1) изчезване на EV мембраната и освобождаване на активните фактори в нея; 2) ЕВ установяват контакт с повърхността на целевата клетка, с която те се сливат, освобождавайки съдържанието си в цитозола; и 3) ЕВ се улавят изцяло от макропиноцитоза и фагоцитоза.

важност

Голямото разнообразие от функции на междуклетъчната комуникация само показва нейното значение. Някои примери илюстрират значението на различните видове клетъчна комуникация.

- Значение на кворумното изследване. QS регулира различни процеси като вирулентност във вид или микроорганизми от различни видове или родове. Например, един щам на Staphylococcus aureus използва сигнална молекула в чувството на кворума, за да зарази гостоприемника, и инхибира други щамове от S. aureus да го правят.

- Значение на химическата комуникация. Химическото маркиране е необходимо за оцеляването и репродуктивния успех на многоклетъчните организми.

Например, програмирана клетъчна смърт, която регулира многоклетъчното развитие, премахва цели структури и дава възможност за развитие на специфична тъкан. Всичко това е опосредствано от трофични фактори.

- Значение на EVs. Те играят важна роля при диабет, възпаление и невродегенеративни и сърдечно-съдови заболявания. EVs на нормалните клетки и раковите клетки се различават значително. EVs могат да носят фактори, които насърчават или потискат раковия фенотип в целевите клетки.

Препратки

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. 2007. Молекулярна биология на клетката. Garland Science, Ню Йорк.
2. Bassler, BL 2002. Малък разговор: Комуникация между клетки и клетки в бактерии. Клетка, 109: 421-424.
3. Cocucci, E. и Meldolesi, J. 2015. Ектозоми и екзозоми: хвърляне на объркването между извънклетъчните везикули. Тенденции в клетъчната биология, xx: 1–9.
4. Kandel, E., Schwarts, JH и Jessell, T., 2000. Principles of Neural Science. McGraw-Hill САЩ.
5. Лодиш, Х., Берк, А., Зипурски, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Клетъчна и молекулярна биология. Редакция Медика Панамерикана, Буенос Айрес, Богота, Каракас, Мадрид, Мексико, Сао Пауло.
6. Pappas, KM, Weingart, CL, Winans, SC 2004. Химична комуникация в протеобактериите: биохимични и структурни изследвания на сигнални синтези и рецептори, необходими за междуклетъчната сигнализация. Молекулярна микробиология, 53: 755–769.
7. Perbal, B. 2003. Ключът е комуникацията. Клетъчна комуникация и сигнализация. Редакция, 1-4.