KOMUNIKACJA KOMÓRKOWA: RODZAJE, ZNACZENIE, PRZYKŁADY - BIOLOGIA - 2026

Komunikacja komórkowa , zwana także komunikacją międzykomórkową, to przekazywanie zewnątrzkomórkowych cząsteczek sygnałowych. Te cząsteczki zaczynają się od komórki generującej sygnał i wiążą się z receptorami w komórce docelowej, wywołując specyficzną odpowiedź.

Cząsteczka sygnałowa może być małą cząsteczką (na przykład aminokwasem), peptydem lub białkiem. Dlatego komunikacja, która jest chemiczna, jest charakterystyczna dla organizmów jednokomórkowych i wielokomórkowych.

Źródło: pixabay.com

W bakteriach cząsteczkami sygnałowymi są feromony bakteryjne. Są one niezbędne do takich funkcji, jak poziomy transfer genów, bioluminescencja, tworzenie biofilmu oraz produkcja antybiotyków i czynników chorobotwórczych.

W organizmach wielokomórkowych komunikacja komórkowa może zachodzić między sąsiednimi komórkami lub między oddzielnymi komórkami. W tym drugim przypadku cząsteczki sygnału muszą dyfundować i podróżować na duże odległości. Wśród funkcji sygnałów są zmiany w ekspresji genów, morfologii i ruchu komórek.

Komunikację komórkową mogą również prowadzić pęcherzyki zewnątrzkomórkowe (EV), zwane ektosomami i egzosomami. Niektóre funkcje EV to: modulacja limfocytów i makrofagów; kontrola funkcji synaptycznej; w naczyniach krwionośnych i sercu, krzepnięciu i angiogenezie; i wymianę RNA.

Rodzaje (systemy / mechanizmy)

W bakteriach istnieje rodzaj komunikacji komórkowej zwany quorum sensing, na który składają się zachowania, które występują tylko wtedy, gdy gęstość populacji bakterii jest wysoka. Quorum sensing obejmuje produkcję, uwalnianie, a następnie wykrywanie wysokich stężeń cząsteczek sygnałowych, zwanych autoinduktorami.

U jednokomórkowych eukariontów, takich jak T. brucei, występuje również wykrywanie kworum. U drożdży zachowania seksualne i różnicowanie komórek zachodzą w odpowiedzi na komunikację feromonową i zmiany środowiskowe.

U roślin i zwierząt wykorzystanie pozakomórkowych cząsteczek sygnałowych, takich jak hormony, neuroprzekaźniki, czynniki wzrostu lub gazy, jest ważnym rodzajem komunikacji, która obejmuje syntezę cząsteczki sygnałowej, jej uwolnienie, transport do komórki docelowej, wykrycie sygnał i specyficzna odpowiedź.

W odniesieniu do transportu cząsteczki sygnałowej u zwierząt, odległość działania cząsteczki determinuje dwa rodzaje sygnałów: 1) autokrynne i parakrynne, które działają odpowiednio na tę samą komórkę i na pobliskie komórki; i 2) endokrynologiczne, które działają na odległą komórkę docelową, transportowane przez krwiobieg.

Komunikacja komórkowa za pośrednictwem pęcherzyków zewnątrzkomórkowych jest ważnym rodzajem komunikacji komórkowej w organizmach eukariotycznych i archeonach.

Gdy jednokomórkowa populacja eukariotyczna lub bakteryjna rośnie, osiąga wystarczającą liczbę komórek lub kworum, aby wytworzyć stężenie induktora zdolnego do wywołania efektu w komórkach. Stanowi to mechanizm przeprowadzania spisu ludności.

W bakteriach znane są trzy typy systemów wykrywania kworum: jeden jest gram-ujemny; inny gram-dodatni; a inny na gramujemnym Vibrio harveyi.

U bakterii Gram-ujemnych autoinduktorem jest acylowany lakton homoseryny. Substancja ta jest syntetyzowana przez enzym typu LuxI i biernie dyfunduje przez błonę, gromadząc się w przestrzeni zewnątrzkomórkowej i wewnątrzkomórkowej. Po osiągnięciu stężenia stymulującego aktywowana jest transkrypcja genów regulowanych przez QS.

U bakterii Gram-ujemnych autoinduktory to zmodyfikowane peptydy, które są eksportowane do przestrzeni zewnątrzkomórkowej, gdzie oddziałują razem z białkami błonowymi. Występuje kaskada fosforylacji, która aktywuje białka, które wiążą się z DNA i kontrolują transkrypcję docelowych genów.

Vibrio harveyi produkuje dwa autoinduktory, oznaczone jako HAI-1 i A1-2. HAI-1 to acylowana lakton-homoseryna, ale jej synteza nie jest zależna od LuxI. A1-2 oznacza diester boranu furanozylu. Obie substancje działają poprzez kaskadę fosforylacji podobną do kaskady innych bakterii Gram-ujemnych. Ten typ QS kontroluje bioluminescencję.

Komunikacja chemiczna

Specyficzne wiązanie cząsteczki sygnałowej lub liganda z białkiem receptora wywołuje specyficzną odpowiedź komórkową. Każdy typ komórki ma określone typy receptorów. Chociaż pewien typ receptora można również znaleźć w różnych typach komórek i wywołać różne odpowiedzi na ten sam ligand.

Charakter cząsteczki sygnałowej determinuje ścieżkę, która zostanie wykorzystana do wejścia do komórki. Na przykład hydrofobowe hormony, takie jak steroidy, dyfundują przez dwuwarstwę lipidową i wiążą się z receptorami, tworząc kompleksy regulujące ekspresję określonych genów.

Gazy, takie jak tlenek azotu i tlenek węgla, dyfundują przez membranę i generalnie aktywują cyklazę guanylylową wytwarzającą GMP. Większość cząsteczek sygnałowych jest hydrofilowa.

Jego receptory znajdują się na powierzchni komórki. Receptory działają jako translatory sygnałów, które zmieniają zachowanie komórki docelowej.

Receptory na powierzchni komórki dzielą się na: a) receptory sprzężone z białkiem G; b) receptory o aktywności enzymatycznej, takie jak kinaza tyrozynowa; i c) receptory kanałów jonowych.

Charakterystyka receptorów sprzężonych z białkiem G.

Receptory sprzężone z białkiem G znajdują się u wszystkich eukariontów. Ogólnie rzecz biorąc, są to receptory z siedmioma domenami, które przecinają błonę, z regionem N-końcowym na zewnątrz komórki i C-końcem w kierunku wnętrza komórki. Te receptory wiążą się z białkiem G, które tłumaczy sygnały.

Kiedy ligand wiąże się z receptorem, białko G zostaje aktywowane. To z kolei aktywuje enzym efektorowy, który wytwarza drugi przekaźnik wewnątrzkomórkowy, którym może być cykliczny monofosforan adenozyny (cAMP), kwas arachidonowy, diacyloglicerol lub 3-fosforan inozytolu, który działa jako wzmacniacz sygnału. Inicjał.

Białko G ma trzy podjednostki: alfa, beta i gamma. Aktywacja białka G obejmuje dysocjację GDP od białka G i związanie GTP z podjednostką alfa. W kompleksie G _alfa- GTP dysocjują od podjednostek beta i gamma, oddziałując specyficznie z białkami efektorowymi, aktywując je.

Szlak cAMP może być aktywowany przez receptory beta-adrenergiczne. CAMP jest wytwarzany przez cyklazę adenylową. Szlak fosfoinozytolu jest aktywowany przez muskarynowe receptory acetylocholiny. Aktywują fosfolipazę C. Szlak kwasu arachidonowego jest aktywowany przez receptor histaminowy. Aktywuje fosfolipazę A2.

Szlak CAMP

Wiązanie liganda do receptora, stymulujące białka G (G _a ) wiąże się PKB powoduje wymianę GDP na GTP i dysocjacji podjednostki alfa G _y od podjednostki beta i gamma. Kompleks G _alfa- GTP wiąże się z domeną cyklazy adenylowej, aktywując enzym i wytwarzając cAMP z ATP.

CAMP wiąże się z podjednostkami regulatorowymi kinazy białkowej zależnej od cAMP. Uwalnia podjednostki katalityczne, które fosforylują białka regulujące odpowiedzi komórkowe. Szlak ten jest regulowany przez dwa typy enzymów, a mianowicie fosfodiesterazy i fosfatazy białkowe.

Szlak fosfoinozytolu

Wiązanie liganda z receptorem aktywuje białko G ( _Gq ), które aktywuje fosfolipazę C (PLC). Enzym ten rozbija 1,4,5-bisfosforan fosfatydyloinozytolu (PIP ₂ ) na dwa wtórne przekaźniki, 1,4,5-trifosforan inozytolu (IP ₃ ) i diacyloglicerol (DAG).

IP ₃ dyfunduje do cytoplazmy i wiąże się z receptorami w retikulum endoplazmatycznym, powodując uwolnienie Ca ⁺² od wewnątrz. DAG pozostaje w błonie i aktywuje kinazę białkową C (PKC). Niektóre izoformy PKC wymagają Ca ⁺² .

Szlak kwasu arachidonowego

Wiązanie liganda do receptora powoduje beta i gamma podjednostki białka G do aktywacji fosfolipazy A ₂ (PLA ₂ ). Enzym ten hydrolizuje fosfatydyloinozytol (PI) w błonie komórkowej, uwalniając kwas arachidonowy, który jest metabolizowany różnymi szlakami, takimi jak 5 i 12-lipoksygenaza i cyklooksygenaza.

Charakterystyka receptorowej kinazy tyrozynowej

Receptorowa kinaza tyrozynowa (RTK) ma zewnątrzkomórkowe domeny regulatorowe i wewnątrzkomórkowe domeny katalityczne. W przeciwieństwie do receptora sprzężonego z białkiem G, łańcuch polipeptydowy receptora kinazy tyrozynowej przechodzi przez błonę plazmatyczną tylko raz.

Wiązanie liganda, który jest hormonem lub czynnikiem wzrostu, z domeną regulatorową powoduje asocjację dwóch podjednostek receptora. Pozwala to na autofosforylację receptora na reszcie tyrozyny i aktywację kaskad fosforylacji białek.

Fosforylowane reszty tyrozynowe receptora kinazy tyrozynowej (RTK) oddziałują z białkami adaptorowymi, które łączą aktywowany receptor ze składnikami szlaku transdukcji sygnału. Białka adaptorowe służą do tworzenia wielobiałkowych kompleksów sygnałowych.

RTK wiąże się z różnymi peptydami, takimi jak: naskórkowy czynnik wzrostu; czynniki wzrostu fibroblastów; czynniki wzrostu mózgu; czynnik wzrostu nerwów; i insulinę.

Ogólna charakterystyka odbiorników

Aktywacja receptorów powierzchniowych powoduje zmiany w fosforylacji białek poprzez aktywację dwóch typów kinaz białkowych: kinazy tyrozynowej oraz kinazy serynowej i treoninowej.

Kinazy serynowe i treoninowe to: kinaza białkowa zależna od cAMP; kinaza białkowa zależna od cGMP; kinaza białkowa C; i białko zależne od Ca ⁺² / kalmoduliny. W tych kinazach białkowych, z wyjątkiem kinazy zależnej od cAMP, domena katalityczna i regulatorowa znajduje się na tym samym łańcuchu polipeptydowym.

Drugi posłaniec wiąże się z tymi kinazami serynowymi i treoninowymi, aktywując je.

Charakterystyka receptorów będących kanałami jonowymi

Receptory kanałów jonowych mają następujące cechy: a) przewodzą jony; b) rozpoznać i wybrać określone jony; c) otwieranie i zamykanie w odpowiedzi na sygnały chemiczne, elektryczne lub mechaniczne.

Receptory kanałów jonowych mogą być monomerami lub heteroligomerami lub homoligomerami, których regiony łańcucha polipeptydowego przechodzą przez błonę plazmatyczną. Istnieją trzy rodziny kanałów jonowych: a) kanały bramki ligandów; b) kanały połączeń szczelinowych; oraz c) kanały napięciowe zależne od Na ⁺ .

Niektóre przykłady receptorów kanałów jonowych to nerwowo-mięśniowe receptory acetylocholiny i jonotropowe receptory glutaminianu, NMDA i nie-NMDA, w ośrodkowym układzie nerwowym.

Komunikacja przez pęcherzyki zewnątrzkomórkowe

Pęcherzyki zewnątrzkomórkowe (EV) są mieszaniną ektosomów i egzosomów, które są odpowiedzialne za przekazywanie informacji biologicznych (RNA, enzymy, reaktywne formy tlenu itp.) Między komórką a komórką. Pochodzenie obu pęcherzyków jest różne.

Ektosomy to pęcherzyki powstałe w wyniku wykiełkowania z błony komórkowej, a następnie ich oddzielenia i uwolnienia do przestrzeni zewnątrzkomórkowej.

Po pierwsze, zachodzi skupianie się białek błonowych w odrębne domeny. Następnie kotwice lipidowe białek gromadzą białka cytozolowe i RNA w świetle, powodując wzrost pąka.

Egzosomy to pęcherzyki, które powstają z ciał wielopęcherzykowych (MVB) i są uwalniane w wyniku egzocytozy do przestrzeni zewnątrzkomórkowej. MVB to późne endosomy, w których znajdują się pęcherzyki wewnątrz światła (ILV). MVB mogą łączyć się z lizosomami i kontynuować szlak degradacji lub uwalniać ILVS jako egzosomy poprzez egzocytozę.

EV oddziałują na komórkę docelową na różne sposoby: 1) zanikanie błony EV i uwalnianie w niej aktywnych czynników; 2) EV nawiązują kontakt z powierzchnią komórki docelowej, którą łączą, uwalniając swoją zawartość do cytozolu; i 3) EV są całkowicie wychwytywane przez makropinocytozę i fagocytozę.

Znaczenie

Już sama różnorodność funkcji komunikacji międzykomórkowej wskazuje na jej znaczenie. Niektóre przykłady ilustrują znaczenie różnych typów komunikacji komórkowej.

- Znaczenie wyczuwania kworum. QS reguluje różne procesy, takie jak zjadliwość w obrębie gatunku lub mikroorganizmów różnych gatunków lub rodzajów. Na przykład, jeden szczep Staphylococcus aureus wykorzystuje cząsteczkę sygnałową w quorum sensing do zakażenia żywiciela i powstrzymuje inne szczepy S. aureus od tego.

- Znaczenie komunikacji chemicznej. Znakowanie chemiczne jest niezbędne do przetrwania i powodzenia organizmów wielokomórkowych.

Na przykład zaprogramowana śmierć komórki, która reguluje rozwój wielokomórkowy, usuwa całe struktury i umożliwia rozwój określonych tkanek. W tym wszystkim pośredniczą czynniki troficzne.

- Znaczenie pojazdów elektrycznych. Odgrywają ważną rolę w cukrzycy, stanach zapalnych, chorobach neurodegeneracyjnych i sercowo-naczyniowych. Wartości EV normalnych komórek i komórek rakowych znacznie się różnią. EV mogą przenosić czynniki, które promują lub hamują fenotyp raka w komórkach docelowych.

Bibliografia

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. i in. 2007. Biologia molekularna komórki. Garland Science, Nowy Jork.
2. Bassler, BL 2002. Small Talk: Cell-to-Cell Communication in Bacteria. Celi, 109: 421–424.
3. Cocucci, E. i Meldolesi, J. 2015. Ektosomy i egzosomy: pozbycie się pomieszania między pęcherzykami zewnątrzkomórkowymi. Trends in Cell Biology, xx: 1–9.
4. Kandel, E., Schwarts, JH i 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. Od redakcji Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogota, Caracas, Madryt, Meksyk, Sao Paulo.
6. Pappas, KM, Weingart, CL, Winans, SC 2004. Komunikacja chemiczna w proteobakteriach: badania biochemiczne i strukturalne syntaz sygnałowych i receptorów wymaganych do sygnalizacji międzykomórkowej. Molecular Microbiology, 53: 755–769.
7. Perbal, B. 2003. Komunikacja jest kluczem. Komunikacja komórkowa i sygnalizacja. Od redakcji, 1-4.