CELLKOMMUNIKATION: TYPER, VIKT, EXEMPEL - BIOLOGI - 2025

Den cellulära kommunikationen , även kallad intercellulär kommunikation, är överföringen av extracellulära signalmolekyler. Dessa molekyler startar från en signalgenererande cell och binder till receptorer på målcellen, vilket ger ett specifikt svar.

Signalmolekylen kan vara en liten molekyl (exempel: en aminosyra), en peptid eller ett protein. Därför är kommunikation, som är kemisk, ett kännetecken för encelliga och multicellulära organismer.

Källa: pixabay.com

I bakterier är signalmolekylerna bakteriella feromoner. Dessa är nödvändiga för funktioner såsom horisontell genöverföring, bioluminescens, bildning av biofilm och produktion av antibiotika och patogena faktorer.

I multicellulära organismer kan cellkommunikation äga rum mellan celler som är intill varandra eller mellan celler som är separata. I det senare fallet måste signalmolekylerna diffundera och resa långa avstånd. Bland signalernas funktioner är förändringar i genuttryck, morfologi och cellrörelse.

Cellkommunikation kan också utföras av extracellulära vesiklar (EV), kallad ektosomer och exosomer. Vissa funktioner hos EV: er: modulering av lymfocyter och makrofager; kontroll av synaptisk funktion; i blodkärl och hjärta, koagulation och angiogenes; och RNA-utbyte.

Typer (system / mekanismer)

Hos bakterier finns det en typ av cellulär kommunikation som kallas kvorumavkänning, som består av beteenden som endast förekommer när tätheten för bakteriepopulationen är hög. Kvorumavkänning involverar produktion, frisättning och efterföljande detektering av höga koncentrationer av signalmolekyler, benämnda autoinducerare.

I enhjuliga eukaryoter, såsom T. brucei, finns det även kvorumavkänning. I jäst förekommer sexuellt beteende och celldifferentiering som svar på feromonkommunikation och miljöförändringar.

Hos växter och djur är användning av extracellulära signalmolekyler, såsom hormoner, neurotransmittorer, tillväxtfaktorer eller gaser, en viktig typ av kommunikation som involverar syntes av signalmolekylen, dess frisättning, dess transport till målcellen, detektion signal och specifikt svar.

I förhållande till transporten av signalmolekylen i djur bestämmer molekylens handlingsavstånd två typer av signaler: 1) autokrin och paracrin, som verkar respektive på samma cell och på närliggande celler; och 2) endokrin, som verkar på en avlägsen målcell, som transporteras av blodomloppet.

Cellulär kommunikation med extracellulära vesiklar är en viktig typ av cellulär kommunikation i eukaryota organismer och Archaea.

När den encelliga eukaryota eller bakteriella populationen växer når den ett tillräckligt antal celler, eller kvorum, som producerar koncentrationen av inducerare som kan producera en effekt i cellerna. Detta utgör en mekanism för att ta folkräkning.

Tre typer av kvorumavkänningssystem är kända i bakterier: en är gramnegativ; en annan i gram-positiv; och en annan på den gramnegativa Vibrio harveyi.

I gramnegativa bakterier är autoinduceraren acylerad homoserinlakton. Denna substans syntetiseras av enzymet LuxI-typen och diffunderar passivt genom membranet och ackumuleras i det extracellulära och intracellulära utrymmet. När den stimulerande koncentrationen uppnås aktiveras transkriptionen av gener som regleras av QS.

I gramnegativa bakterier är autoinducerare modifierade peptider, som exporteras till det extracellulära utrymmet, där de interagerar tillsammans med membranproteiner. En fosforyleringskaskad inträffar som aktiverar proteiner, som binder till DNA och kontrollerar transkriptionen av målgener.

Vibrio harveyi producerar två autoinducerare, benämnda HAI-1 och A1-2. HAI-1 är acylerad laktonhomoserin, men dess syntes är inte beroende av LuxI. A1-2 är furanosylboratdiester. Båda substanserna verkar genom en fosforyleringskaskad liknande den för andra gramnegativa bakterier. Denna typ av QS styr bioluminescens.

Kemisk kommunikation

Specifik bindning av signalmolekylen, eller liganden, till receptorproteinet producerar ett specifikt cellulärt svar. Varje celltyp har vissa typer av receptorer. Även om en viss typ av receptor också finns i olika typer av celler och ger olika svar på samma ligand.

Naturens signalmolekyl bestämmer vägen som kommer att användas för att komma in i cellen. Exempelvis diffunderar hydrofoba hormoner, såsom steroider, genom lipid-tvåskiktet och binder till receptorer för att bilda komplex som reglerar uttrycket av specifika gener.

Gaser såsom kväveoxid och kolmonoxid diffunderar genom membranet och aktiverar generellt cykliskt GMP-producerande guanylylcyklas. De flesta signalmolekyler är hydrofila.

Dess receptorer finns på cellytan. Receptorerna fungerar som signalöversättare som förändrar målcellens beteende.

Cellytreceptorer är indelade i: a) G-proteinkopplade receptorer; b) receptorer med enzymaktivitet, såsom tyrosinkinas; och c) jonkanalreceptorer.

Egenskaper hos G-proteinkopplade receptorer

G-proteinkopplade receptorer finns i alla eukaryoter. I allmänhet är de receptorer med sju domäner som korsar membranet, med den N-terminala regionen mot utsidan av cellen och C-terminalen mot insidan av cellen. Dessa receptorer associerar med ett G-protein som översätter signalerna.

När liganden binder till receptorn aktiveras G-proteinet. Detta aktiverar i sin tur ett effektorenzym som producerar en andra intracellulär budbärare, som kan vara cyklisk adenosinmonofosfat (cAMP), arakidonsyra, diacylglycerol eller inositol-3-fosfat, som fungerar som en signalförstärkare. första.

Protein G har tre underenheter: alfa, beta och gamma. Aktivering av G-proteinet involverar dissociationen av BNP från G-proteinet och bindningen av GTP till alfa-subenheten. I G- _alfa- GTP- komplexet dissocierar de från beta- och gamma-subenheterna, interagerar specifikt med effektorproteiner och aktiverar dem.

CAMP-vägen kan aktiveras av beta-adrenerga receptorer. CAMP produceras av adenylylcyklas. Fosfoinositolvägen aktiveras av muskarinacetylkolinreceptorer. De aktiverar fosfolipas C. Arachidonsyravägen aktiveras av histaminreceptorn. Aktiverar fosfolipas A2.

CAMP-vägen

Bindning av liganden till receptorn, den stimulerande protein G (G _s ), bundet till GDP, orsakar utbytet av GDP för GTP, och dissociationen av alfa-subenheten av G _s från beta- och gamma-subenheter. G- _alfa- GTP- komplexet associerar med en domän av adenylcyklas, aktiverar enzymet och producerar cAMP från ATP.

CAMP binder till de reglerande underenheterna för det cAMP-beroende proteinkinas. Släpp katalytiska underenheter som fosforylerar proteiner som reglerar cellulära svar. Denna väg regleras av två typer av enzymer, nämligen fosfodiesteraser och proteinfosfataser.

Fosfoinositolväg

Bindning av liganden till receptorn aktiverar G-proteinet ( _Gq ), vilket aktiverar fosfolipas C (PLC). Detta enzym bryter fosfatidylinositol 1,4,5-bisfosfat (PIP ₂ ) i två andra budbärare, inositol 1,4,5-trifosfat (IP ₃ ) och diacylglycerol (DAG).

IP ₃ diffunderar i cytoplasma och binder till receptorer i endoplasmatisk retikulum, vilket orsakar frisättningen av Ca ^{+2 inifrån} . DAG förblir i membranet och aktiverar proteinkinas C (PKC). Vissa isoformer av PKC kräver Ca ⁺² .

Arachidonsyraväg

Bindning av liganden till receptorn bringar beta- och gamma-subenheter av G-protein för att aktivera fosfolipas ₂ (PLA ₂ ). Detta enzym hydrolyserar fosfatidylinositol (PI) i plasmamembranet och frisätter arakidonsyra, som metaboliseras genom olika vägar, såsom 5 och 12-lipoxygenas och cyklooxygenas.

Egenskaper hos receptortyrosinkinas

Receptortyrosinkinas (RTK) har extracellulära reglerande domäner och intracellulära katalytiska domäner. Till skillnad från den G-proteinkopplade receptorn korsar polypeptidkedjan av receptortyrosinkinas endast plasmamembranet en gång.

Bindningen av liganden, som är ett hormon eller tillväxtfaktor, till det reglerande området får de två receptorsubenheterna att associera. Detta möjliggör autofosforylering av receptorn på en tyrosinrest och aktivering av proteinfosforyleringskaskader.

Fosforylerade tyrosinrester i receptortyrosinkinas (RTK) interagerar med adapterproteiner, som kopplar den aktiverade receptorn till komponenter i signaltransduktionsvägen. Adapterproteiner tjänar till att bilda multiproteinsignaleringskomplex.

RTK binder till olika peptider, såsom: epidermal tillväxtfaktor; fibroblasttillväxtfaktorer; hjärnans tillväxtfaktorer; nervtillväxtfaktor; och insulin.

Mottagarens allmänna egenskaper

Aktivering av ytreceptorer ger förändringar i proteinfosforylering genom att aktivera två typer av proteinkinaser: tyrosinkinas och serin- och treoninkinaser.

Serin- och treoninkinaserna är: cAMP-beroende proteinkinas; cGMP-beroende proteinkinas; proteinkinas C; och det Ca ⁺² / Calmodulin- beroende proteinet . I dessa proteinkinaser, med undantag för det cAMP-beroende kinaset, finns det katalytiska och reglerande området på samma polypeptidkedja.

Den andra budbäraren binder till dessa serin- och treoninkinaser och aktiverar dem.

Egenskaper hos receptorer som är jonkanaler

Ionkanalreceptorer har följande egenskaper: a) de leder joner; b) känna igen och välja specifika joner; c) öppna och stänga som svar på kemiska, elektriska eller mekaniska signaler.

Ionkanalreceptorer kan vara en monomer, eller de kan vara heteroligomerer eller homoligomerer, vars regioner i polypeptidkedjan korsar plasmamembranet. Det finns tre familjer av jonkanaler: a) ligandgrindkanaler; b) gapskorsningskanaler; och c) Na ⁺ -beroende spänningskanaler .

Några exempel på jonkanalreceptorer är de neuromuskulära övergångaracetylkolinreceptorerna och de jonotropa glutamatreceptorerna, NMDA och icke-NMDA, i det centrala nervsystemet.

Kommunikation via extracellulära vesiklar

Extracellulära vesiklar (EV) är en blandning av ektosomer och exosomer, som ansvarar för överföring av biologisk information (RNA, enzymer, reaktiva syrearter etc.) mellan cell och cell. Ursprunget för båda vesiklarna är olika.

Ektosomer är vesiklar som produceras genom att spira från plasmamembranet, följt av deras separering och frisättning i det extracellulära utrymmet.

Först sker kluster av membranproteiner till diskreta domäner. Sedan ackumuleras proteinlipidförankringarna cytosoliska proteiner och RNA i lumen och därigenom växer knoppen.

Exosomer är vesiklar som bildas från multivesikulära kroppar (MVB) och frigörs genom exocytos i det extracellulära utrymmet. MVB är sena endosomer, i vilka det finns intraluminala vesiklar (ILV: er). MVB: er kan smälta samman till lysosomer och fortsätta den nedbrytande vägen eller frisätta ILVS som exosomer genom exocytos.

EV: er interagerar med målcellen på olika sätt: 1) försvinnande av EV-membranet och frisättning av de aktiva faktorerna i den; 2) EVs upprättar kontakt med målcells yta, som de smälter samman, vilket frisätter deras innehåll i cytosolen; och 3) EVs fångas helt upp av makropinocytos och fagocytos.

Betydelse

Den stora mängden funktioner för intercellulär kommunikation enbart indikerar dess betydelse. Några exempel illustrerar vikten av olika typer av mobilkommunikation.

- Betydelsen av kvorumavkänning. QS reglerar olika processer såsom virulens inom en art, eller mikroorganismer av olika arter eller släkter. Till exempel använder en stam av Staphylococcus aureus en signalmolekyl i kvorumavkänningen för att infektera värden och hämmar andra stammar av S. aureus från att göra det.

- Vikten av kemisk kommunikation. Kemisk märkning är nödvändig för överlevnad och reproduktionsframgång för flercelliga organismer.

Till exempel avlägsnar programmerad celldöd, som reglerar multicellulär utveckling, hela strukturer och möjliggör utveckling av specifika vävnader. Allt detta förmedlas av trofiska faktorer.

- Betydelsen av EV: er. De spelar en viktig roll vid diabetes, inflammation och neurodegenerativa och hjärt-kärlsjukdomar. EV: erna för normala celler och cancerceller skiljer sig mycket. EVs kan bära faktorer som främjar eller undertrycker cancerfenotypen i målceller.

referenser

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. 2007. Cellens molekylärbiologi. Garland Science, New York.
2. Bassler, BL 2002. Small Talk: Cell-till-Cell-kommunikation i bakterier. Cell, 109: 421-424.
3. Cocucci, E. och Meldolesi, J. 2015. Ektosomer och exosomer: tappar förvirringen mellan extracellulära vesiklar. Trender i cellbiologi, xx: 1–9.
4. Kandel, E., Schwarts, JH och 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. Redaktion Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexiko, Sao Paulo.
6. Pappas, KM, Weingart, CL, Winans, SC 2004. Kemisk kommunikation i proteobakterier: biokemiska och strukturella studier av signalsyntaser och receptorer som krävs för intercellulär signalering. Molecular Microbiology, 53: 755–769.
7. Perbal, B. 2003. Kommunikation är nyckeln. Cellkommunikation och signalering. Redaktion, 1-4.