CELLEKOMMUNIKATION: TYPER, BETYDNING, EKSEMPLER - BIOLOGI - 2025

Den cellulære kommunikation, også kaldet intercellulær kommunikation, er transmission af ekstracellulære signalmolekyler. Disse molekyler starter fra en signalgenererende celle og binder til receptorer på målcellen og frembringer en specifik respons.

Signalmolekylet kan være et lille molekyle (eksempel: en aminosyre), et peptid eller et protein. Derfor er kommunikation, som er kemisk, et kendetegn for enhedsceller og multicellulære organismer.

Kilde: pixabay.com

I bakterier er signalmolekylerne bakterielle feromoner. Disse er nødvendige til funktioner såsom horisontal genoverførsel, bioluminescens, dannelse af biofilm og produktion af antibiotika og patogene faktorer.

I multicellulære organismer kan cellulær kommunikation finde sted mellem celler, der er tilstødende, eller mellem celler, der er adskilte. I sidstnævnte tilfælde skal signalmolekylerne diffundere og bevæge sig i lange afstande. Blandt signalernes funktioner er ændringer i genekspression, morfologi og cellebevægelse.

Cellekommunikation kan også udføres af ekstracellulære vesikler (EV), kaldet ectosomes og exosomes. Nogle funktioner af EV'er er: modulering af lymfocytter og makrofager; kontrol af synaptisk funktion; i blodkar og hjerte, koagulation og angiogenese; og RNA-udveksling.

Typer (systemer / mekanismer)

Hos bakterier er der en type cellulær kommunikation kaldet quorum sensing, som består af adfærd, der kun forekommer, når densiteten af ​​bakteriepopulationen er høj. Kvorumsensning involverer produktion, frigivelse og efterfølgende detektion af høje koncentrationer af signalmolekyler, benævnt autoinducere.

I encellede eukaryoter, såsom T. brucei, er der også kvorumfølsomhed. I gær forekommer seksuel adfærd og celledifferentiering som reaktion på feromonkommunikation og miljøændringer.

Hos planter og dyr er brugen af ​​ekstracellulære signalmolekyler, såsom hormoner, neurotransmittere, vækstfaktorer eller gasser, en vigtig type kommunikation, der involverer syntese af signalmolekylet, dets frigivelse, dets transport til målcellen, detektion signal og specifik respons.

I forhold til transporten af ​​signalmolekylet i dyr bestemmer molekylets handlingsafstand to typer signaler: 1) autokrin og paracrin, der virker henholdsvis på den samme celle og på nærliggende celler; og 2) endokrin, der virker på en fjern målcelle, der transporteres af blodbanen.

Cellulær kommunikation med ekstracellulære vesikler er en vigtig type cellulær kommunikation i eukaryote organismer og Archaea.

Når den encellede eukaryotiske eller bakteriepopulation vokser, når den et tilstrækkeligt antal celler, eller quorum, der producerer koncentrationen af ​​inducer, der er i stand til at producere en effekt i cellerne. Dette udgør en folketællingsmekanisme.

Tre typer af quorum-sensing-systemer er kendt i bakterier: den ene er gramnegativ; en anden i gram-positiv; og en anden på den gramnegative Vibrio harveyi.

I gramnegative bakterier er autoinduceren acyleret homoserinlacton. Dette stof syntetiseres af enheden LuxI-typen og diffunderer passivt gennem membranen og akkumuleres i det ekstracellulære og det intracellulære rum. Når den stimulerende koncentration nås, aktiveres transkriptionen af ​​gener reguleret af QS.

I gramnegative bakterier er autoinducerer modificerede peptider, der eksporteres til det ekstracellulære rum, hvor de interagerer sammen med membranproteiner. En fosforyleringskaskade opstår, der aktiverer proteiner, som binder til DNA og kontrollerer transkriptionen af ​​målgener.

Vibrio harveyi producerer to autoinducere, betegnet HAI-1 og A1-2. HAI-1 er acyleret lactonhomoserin, men dens syntese er ikke afhængig af LuxI. A1-2 er furanosylborat-diester. Begge stoffer virker gennem en fosforyleringskaskade svarende til den for andre gramnegative bakterier. Denne type QS kontrollerer bioluminescens.

Kemisk kommunikation

Specifik binding af signalmolekylet eller ligand til receptorproteinet producerer en specifik cellulær respons. Hver type celle har bestemte typer receptorer. Selvom en bestemt type receptor også findes i forskellige typer celler, og frembringer forskellige reaktioner på den samme ligand.

Arten af ​​signalmolekylet bestemmer den vej, der vil blive brugt til at komme ind i cellen. F.eks. Diffunderer hydrofobe hormoner, såsom steroider, gennem lipid-dobbeltlaget og binder til receptorer til dannelse af komplekser, der regulerer ekspressionen af ​​specifikke gener.

Gasser såsom nitrogenoxid og carbonmonoxid diffunderer gennem membranen og aktiverer generelt cyklisk GMP-producerende guanylylcyclase. De fleste af signalmolekylerne er hydrofile.

Dets receptorer findes på celleoverfladen. Receptorerne fungerer som signaloversættere, der ændrer målcellens opførsel.

Celleoverfladeceptorer er opdelt i: a) G-proteinkoblede receptorer; b) receptorer med enzymaktivitet, såsom tyrosinkinase; og c) ionkanalreceptorer.

Karakteristika for G-proteinkoblede receptorer

G-proteinkoblede receptorer findes i alle eukaryoter. Generelt er de receptorer med syv domæner, der krydser membranen, med den N-terminale region mod ydersiden af ​​cellen og C-terminalen mod indersiden af ​​cellen. Disse receptorer forbinder et G-protein, der oversætter signalerne.

Når liganden binder til receptoren, aktiveres G-proteinet. Dette aktiverer igen et effektorenzym, der producerer en anden intracellulær messenger, der kan være cyklisk adenosinmonophosphat (cAMP), arachidonsyre, diacylglycerol eller inositol-3-phosphat, der fungerer som en signalforstærker. initial.

Protein G har tre underenheder: alpha, beta og gamma. Aktivering af G-proteinet involverer dissociation af BNP fra G-proteinet og bindingen af ​​GTP til alfa-underenheden. I G- _alfa- GTP- komplekset adskiller de sig fra beta- og gamma-underenhederne, interagerer specifikt med effektorproteiner og aktiverer dem.

CAMP-vejen kan aktiveres af beta-adrenerge receptorer. CAMP produceres ved adenylyl cyclase. Phosphoinositol-vejen aktiveres af muscariniske acetylcholinreceptorer. De aktiverer phospholipase C. Arachidonsyrevejen aktiveres af histaminreceptoren. Aktiverer phospholipase A2.

CAMP-sti

Binding af liganden til receptoren, den stimulerende protein G (G _s), bundet til GDP, bevirker udveksling af BNP for GTP, og dissociationen af alfa-underenheden af G _s fra beta- og gamma-underenheder. G- _alfa- GTP- komplekset associeres med et domæne af adenylcyclase, aktivering af enzymet og produktion af cAMP fra ATP.

CAMP binder til de regulatoriske underenheder af den cAMP-afhængige proteinkinase. Frigiver katalytiske underenheder, som phosphorylerer proteiner, der regulerer cellulære responser. Denne vej reguleres af to typer enzymer, nemlig phosphodiesteraser og proteinphosphataser.

Phosphoinositol-vej

Binding af liganden til receptoren aktiverer G-proteinet (_Gq), som aktiverer phospholipase C (PLC). Dette enzym bryder phosphatidylinositol 1,4,5-bisphosphat (PIP ₂) i to sekundære messenger, inositol 1,4,5-triphosphat (IP ₃) og diacylglycerol (DAG).

IP ₃ diffunderer ind i cytoplasmaet og binder til receptorer i det endoplasmatiske retikulum, hvilket forårsager frigivelse af Ca ⁺² indeni. DAG forbliver i membranen og aktiverer proteinkinase C (PKC). Nogle isoformer af PKC kræver Ca ⁺².

Arachidonsyrevej

Binding af liganden til receptoren forårsager beta- og gamma-underenheder af G-proteinet til at aktivere phospholipase ₂ (PLA ₂). Dette enzym hydrolyserer phosphatidylinositol (PI) i plasmamembranen og frigiver arachidonsyre, der metaboliseres ved forskellige veje, såsom 5 og 12-lipoxygenase og cyclooxygenase.

Karakteristika ved receptortyrosinkinase

Receptortyrosinkinase (RTK) har ekstracellulære regulatoriske domæner og intracellulære katalytiske domæner. I modsætning til den G-proteinkoblede receptor krydser polypeptidkæden af ​​receptortyrosinkinase kun plasma-membranen.

Bindingen af ​​liganden, som er et hormon eller vækstfaktor, til det regulatoriske domæne får de to receptorsubenheder til at associere. Dette muliggør autophosphorylering af receptoren på en tyrosinrest og aktivering af proteinphosphoryleringskaskader.

Phosforylerede tyrosinrester i receptortyrosinkinasen (RTK) interagerer med adapterproteiner, som forbinder den aktiverede receptor med komponenter i signaltransduktionsvejen. Adapterproteiner tjener til at danne multiproteinsignaleringskomplekser.

RTK binder til forskellige peptider, såsom: epidermal vækstfaktor; fibroblastvækstfaktorer; hjernevækstfaktorer; nervevækstfaktor; og insulin.

Generelle karakteristika for modtagerne

Aktivering af overfladeceptorer producerer ændringer i proteinphosphorylering ved at aktivere to typer proteinkinaser: tyrosinkinase og serin- og threoninkinaser.

Serin- og threoninkinaser er: cAMP-afhængig proteinkinase; cGMP-afhængig proteinkinase; proteinkinase C; og det Ca ⁺² / Calmodulin- afhængige protein. I disse proteinkinaser, med undtagelse af den cAMP-afhængige kinase, findes det katalytiske og regulatoriske domæne på den samme polypeptidkæde.

Den anden messenger binder til disse serin- og threoninkinaser og aktiverer dem.

Karakteristika for receptorer, der er ionkanaler

Ionkanalreceptorer har følgende egenskaber: a) de leder ioner; b) genkende og vælge specifikke ioner; c) åbne og lukke som svar på kemiske, elektriske eller mekaniske signaler.

Ionkanalreceptorer kan være en monomer, eller de kan være heteroligomerer eller homoligomerer, hvis regioner i polypeptidkæden krydser plasmamembranen. Der er tre familier af ionkanaler: a) ligandportkanaler; b) gap-junction-kanaler; og c) Na ⁺ -afhængige spændingskanaler.

Nogle eksempler på ionkanalreceptorer er de neuromuskulære forbindelsesacetylcholinreceptorer og de ionotrope glutamatreceptorer, NMDA og ikke-NMDA, i det centrale nervesystem.

Kommunikation via ekstracellulære vesikler

Ekstracellulære vesikler (EV) er en blanding af ectosomer og exosomer, der er ansvarlige for transmission af biologisk information (RNA, enzymer, reaktive iltarter osv.) Mellem celle og celle. Oprindelsen af ​​begge vesikler er forskellig.

Ektosomer er vesikler produceret ved spiring fra plasmamembranen efterfulgt af deres adskillelse og frigivelse i det ekstracellulære rum.

Først forekommer klyngen af ​​membranproteiner til diskrete domæner. Derefter akkumuleres proteinlipidforankringerne cytosoliske proteiner og RNA i lumen, hvorved knoppen vokser.

Eksosomer er vesikler, der dannes fra multivesikulære organer (MVB) og frigøres ved eksocytose i det ekstracellulære rum. MVB'er er sene endosomer, hvor der er intraluminal vesikler (ILV'er). MVB'er kan smelte sammen til lysosomer og fortsætte den nedbrydende vej, eller frigive ILVS som eksosomer gennem eksocytose.

EV'er interagerer med målcellen på forskellige måder: 1) forsvinden af ​​EV-membranen og frigivelse af de aktive faktorer deri; 2) EV'er etablerer kontakt med overfladen af ​​målcellen, som de smelter sammen, hvilket frigiver deres indhold i cytosolen; og 3) EV'er fanges fuldstændigt af makropinocytose og fagocytose.

Betydning

Den brede vifte af funktioner inden for intercellulær kommunikation alene indikerer dens betydning. Nogle eksempler illustrerer vigtigheden af ​​forskellige typer cellulær kommunikation.

- Betydningen af ​​kvorumfølelse. QS regulerer forskellige processer, såsom virulens i en art, eller mikroorganismer af forskellige arter eller slægter. For eksempel bruger en stamme af Staphylococcus aureus et signalmolekyle i quorum-sensing til at inficere værten og hæmmer andre stammer af S. aureus i at gøre det.

- Betydningen af ​​kemisk kommunikation. Kemisk markering er nødvendig for overlevelse og reproduktiv succes af multicellulære organismer.

For eksempel fjerner programmeret celledød, der regulerer multicellulær udvikling, hele strukturer og tillader udvikling af specifikke væv. Alt dette er formidlet af trofiske faktorer.

- Betydningen af ​​EV'er. De spiller en vigtig rolle i diabetes, betændelse og neurodegenerative og hjerte-kar-sygdomme. EV'erne for normale celler og kræftceller er meget forskellige. EV'er kan bære faktorer, der fremmer eller undertrykker kræftfænotypen i målceller.

Referencer

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. 2007. Cellens molekylærbiologi. Garland Science, New York.
2. Bassler, BL 2002. Small Talk: Celle-til-celle-kommunikation i bakterier. Cell, 109: 421-424.
3. Cocucci, E. og Meldolesi, J. 2015. Ektosomer og eksosomer: kaster forvirringen mellem ekstracellulære vesikler. Tendenser inden for cellebiologi, xx: 1–9.
4. Kandel, E., Schwarts, JH, og Jessell, T., 2000. Principles of Neural Science. McGraw-Hill USA.
5. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Cellular and molecular biology. Redaktionel Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexico, Sao Paulo.
6. Pappas, KM, Weingart, CL, Winans, SC 2004. Kemisk kommunikation i proteobakterier: biokemiske og strukturelle studier af signalsyntaser og receptorer krævet til intercellulær signalering. Molecular Microbiology, 53: 755–769.
7. Perbal, B. 2003. Kommunikation er nøglen. Cellekommunikation og signalering. Redaktion, 1-4.