КЛІТИННА КОМУНІКАЦІЯ: ТИПИ, ЗНАЧЕННЯ, ПРИКЛАДИ - БІОЛОГІЯ - 2025

Стільникового зв'язку , також називається міжклітинної зв'язку, є передача позаклітинних сигнальних молекул. Ці молекули починаються з генеруючої сигналу клітини і зв'язуються з рецепторами клітини-мішені, виробляючи специфічну відповідь.

Сигнальною молекулою може бути невелика молекула (приклад: амінокислота), пептид або білок. Тому спілкування, яке є хімічним, є характеристикою одноклітинних та багатоклітинних організмів.

Джерело: pixabay.com

У бактеріях сигнальні молекули - це бактеріальні феромони. Вони необхідні для таких функцій, як горизонтальний перенос генів, біолюмінесценція, утворення біоплівки та виробництво антибіотиків та патогенних факторів.

У багатоклітинних організмах клітинний зв’язок може відбуватися між сусідніми клітинами, або між окремими клітинами. В останньому випадку сигнальні молекули повинні дифундувати і проїжджати великі відстані. Серед функцій сигналів - зміни експресії генів, морфології та руху клітин.

Клітинна комунікація також може здійснюватися позаклітинними везикулами (ЕВ), званими ектосомами та екзосомами. Деякі функції ЕВС: модуляція лімфоцитів і макрофагів; контроль синаптичної функції; у судинах та серці, згортання та ангіогенез; та обміну РНК.

Типи (системи / механізми)

У бактерій існує тип клітинної комунікації, який називається кворумним зондуванням, який складається з поведінки, що виникає лише тоді, коли щільність бактеріальної популяції висока. Зондування кворуму передбачає виробництво, вивільнення та подальше виявлення високих концентрацій сигнальних молекул, що називаються автоіндукторами.

У одноклітинних еукаріотів, таких як T. brucei, також існує кворум. У дріжджах статева поведінка та диференціювання клітин відбувається у відповідь на зв’язок феромонів та зміни навколишнього середовища.

У рослин і тварин використання позаклітинних сигнальних молекул, таких як гормони, нейромедіатори, фактори росту або гази, є важливим типом зв'язку, що передбачає синтез молекули сигналу, його вивільнення, його транспортування до клітини-мішені, виявлення сигнал і конкретна відповідь.

По відношенню до транспорту сигнальної молекули у тварин відстань дії молекули визначає два типи сигналів: 1) аутокринний і паракрин, які діють відповідно на одну і ту ж клітину і на сусідні клітини; та 2) ендокринний, який діє на віддалену клітину-мішень, транспортуючись кров'ю.

Клітинна комунікація позаклітинними везикулами є важливим видом клітинної комунікації в еукаріотичних організмах та Археях.

Коли одноклітинна еукаріотична або бактеріальна популяція зростає, вона досягає достатньої кількості клітин, або кворуму, який виробляє концентрацію індуктора, здатного справляти ефект у клітинах. Це є механізмом перепису населення.

У бактерій відомі три типи систем кворумування: одна - грамнегативна; інший у грампозитиві; і ще один грамнегативний вібріо харвей.

У грамнегативних бактеріях аутоіндуктором є ацильований гомосериновий лактон. Ця речовина синтезується ферментом типу LuxI і пасивно дифундує через мембрану, накопичуючись у позаклітинному та внутрішньоклітинному просторі. При досягненні стимулюючої концентрації активується транскрипція генів, регульованих QS.

У грамнегативних бактеріях автоіндуктори - це модифіковані пептиди, які експортуються у позаклітинний простір, де вони взаємодіють разом із білками мембрани. Відбувається каскад фосфорилювання, який активує білки, які зв’язуються з ДНК і контролюють транскрипцію генів-мішеней.

Vibrio harveyi виробляє два автоіндуктори, позначені HAI-1 та A1-2. HAI-1 - це ацильований лактоновий гомосерин, але його синтез не залежить від LuxI. А1-2 - це диестер фуранозил борату. Обидві речовини діють через фосфориляційний каскад, подібний до інших грамнегативних бактерій. Цей тип QS контролює біолюмінесценцію.

Хімічна комунікація

Специфічне зв'язування сигнальної молекули або ліганду з білком рецептора виробляє специфічну клітинну відповідь. Кожен тип клітин має певні типи рецепторів. Хоча певний тип рецепторів також можна знайти в клітинах різних типів і виробляти різні відповіді на один і той же ліганд.

Характер сигнальної молекули визначає шлях, який буде використовуватися для входу в клітинку. Наприклад, гідрофобні гормони, такі як стероїди, дифундують через ліпідний двошаровий і зв'язуються з рецепторами, утворюючи комплекси, що регулюють експресію конкретних генів.

Такі гази, як оксид азоту та оксид вуглецю, дифундують через мембрану і загалом активують циклічну GMP-продукуючую гуанілілциклазу. Більшість молекул сигналу гідрофільні.

Його рецептори знаходяться на клітинній поверхні. Рецептори виконують роль перекладачів сигналів, які змінюють поведінку клітини-мішені.

Рецептори поверхні клітин поділяються на: а) рецептори, пов'язані з білком G; б) рецептори з активністю ферментів, такі як тирозинкіназа; c) рецептори іонних каналів.

Характеристика рецепторів, пов'язаних з білком G

Рецептори, пов'язані з білком, містяться у всіх еукаріотів. Взагалі, це рецептори з семи доменами, які перетинають мембрану, з N-кінцевою областю до зовнішньої сторони клітини і С-кінцевою стороною всередині клітини. Ці рецептори асоціюються з білком G, який переводить сигнали.

Коли ліганд зв’язується з рецептором, G-білок активується. Це, в свою чергу, активує фермент ефектора, який виробляє другий внутрішньоклітинний месенджер, який може бути циклічним аденозинофосфатом (цАМФ), арахідоновою кислотою, діацилгліцерином або інозитол-3-фосфатом, який діє як підсилювач сигналу. початковий.

Білок G має три субодиниці: альфа, бета і гама. Активація білка G включає дисоціацію ВВП від білка G та зв'язування GTP з альфа-субодиницею. У комплексі G _альфа- GTP вони відмежовуються від бета- та гамма-субодиниць, спеціально взаємодіючи з білками ефектора, активуючи їх.

Шлях cAMP може бути активований бета-адренергічними рецепторами. CAMP виробляється аденілілциклазою. Шлях фосфоїнозитолу активується мускариновими рецепторами ацетилхоліну. Вони активують фосфоліпазу С. Шлях арахідонової кислоти активується рецептором гістаміну. Активує фосфоліпазу А2.

Шлях до CAMP

Зв'язування ліганду з рецептором, стимулюючий білок G (G _s ), пов'язаний з ВВП, викликає обмін ВВП на GTP і дисоціацію альфа-субодиниці G _s від бета-і гамма-субодиниць. Комплекс G _альфа- GTP асоціюється з доменом аденілциклази, активуючи фермент і продукуючи цАМФ з АТФ.

CAMP зв'язується з регуляторними субодиницями cAMP-залежної протеїнкінази. Вивільняє каталітичні субодиниці, які фосфорилюють білки, які регулюють клітинну реакцію. Цей шлях регулюється двома типами ферментів, а саме фосфодіестеразами та фосфатазами білка.

Шлях фосфоїнозитолу

Зв'язування ліганду з рецептором активує білок G (G _q ), який активує фосфоліпазу С (PLC). Цей фермент розщеплює 1,4,5-бісфосфат фосфатиділ інозитолу (PIP ₂ ) на два вторинні месенджери, інозитол 1,4,5-трифосфат (IP ₃ ) та діацилгліцерин (DAG).

IP ₃ дифундує в цитоплазму і зв’язується з рецепторами в ендоплазматичному ретикулумі, викликаючи вивільнення Са ⁺² зсередини. DAG залишається в мембрані і активує протеїнкіназу С (ПКК). Деякі ізоформи ПКС потребують Са ⁺² .

Шлях арахідонової кислоти

Зв'язування ліганду з рецептором спричиняє бета-і гамма-субодиниці білка G для активації фосфоліпази A ₂ (PLA ₂ ). Цей фермент гідролізує фосфатиділінозитоліт (PI) у плазматичній мембрані, вивільняючи арахідонову кислоту, яка метаболізується різними шляхами, такими як 5 та 12-ліпоксигеназа та циклооксигеназа.

Характеристика рецепторної тирозинкінази

Рецептор тирозинкінази (RTK) мають позаклітинні регуляторні домени та внутрішньоклітинні каталітичні домени. На відміну від рецептора, пов'язаного з білком G, поліпептидна ланцюг рецепторної тирозинкінази перетинає плазматичну мембрану лише один раз.

Зв'язування ліганду, який є гормоном або фактором росту, до регуляторного домену, змушує асоціюватися дві рецепторні субодиниці. Це дозволяє здійснити автофосфорилювання рецептора на тирозиновому залишку та активацію каскадів фосфорилювання білка.

Фосфорильовані залишки тирозину рецепторної тирозинкінази (RTK) взаємодіють з адаптерними білками, які з'єднують активований рецептор з компонентами шляху передачі сигналу. Адаптерні білки служать для формування багатопротеїнових сигнальних комплексів.

RTK зв'язується з різними пептидами, такими як: епідермальний фактор росту; фактори росту фібробластів; фактори росту мозку; фактор росту нервів; та інсуліну.

Загальна характеристика приймачів

Активація поверхневих рецепторів призводить до зміни фосфорилювання білка шляхом активації двох типів протеїнкіназ: тирозинкінази та серинових та треонінових кіназ.

Серина та треонінкінази є: cAMP-залежною протеїнкіназою; cGMP-залежна протеїнкіназа; протеїнкіназа С; і білка, залежного від Са ⁺ / Кальмодулін. У цих білкових кіназах, за винятком кінази, залежної від цАМФ, каталітичний і регуляторний домен знаходиться в одній поліпептидній ланцюзі.

Другий месенджер зв'язується з цими сериновими та треоніновими кіназами, активуючи їх.

Характеристика рецепторів, які є іонними каналами

Рецептори іонного каналу мають такі характеристики: а) вони проводять іони; б) розпізнавати та вибирати конкретні іони; в) відкривати і закривати у відповідь на хімічні, електричні або механічні сигнали.

Рецептори іонного каналу можуть бути мономером, або вони можуть бути гетеролігомерами або гомолігомерами, ділянки поліпептидного ланцюга яких перетинають плазматичну мембрану. Існує три родини іонних каналів: а) канали лігандних воріт; б) канали з'єднання зазорів; і c) Na ⁺ -залежні канали напруги .

Деякі приклади рецепторів іонних каналів - це нервово-м'язовий з’єднання ацетилхолінових рецепторів та іонотропні рецептори глутамату, NMDA та non-NMDA в центральній нервовій системі.

Зв'язок через позаклітинні везикули

Позаклітинні везикули (ЕВ) - це суміш ектосом і екзосом, які відповідають за передачу біологічної інформації (РНК, ферменти, реактивні види кисню тощо) між клітиною і клітиною. Походження обох везикул різне.

Ектосоми - це везикули, що утворюються при проростанні з плазматичної мембрани з подальшим їх поділом та вивільненням у позаклітинний простір.

По-перше, відбувається кластеризація мембранних білків на дискретні домени. Потім білки ліпідних якорів накопичують цитозольні білки та РНК в просвіті, тим самим зростаючи бутон.

Екзосоми - це везикули, які утворюються з мультикулярних тіл (MVB) і виділяються шляхом екзоцитозу у позаклітинний простір. MVB - пізні ендосоми, в яких є внутрішньолюмінальні везикули (ІЛВ). MVB можуть зливатися з лізосомами і продовжувати деградативний шлях, або вивільняти ILVS як екзосоми через екзоцитоз.

ЕР взаємодіють із цільовою клітиною різними способами: 1) зникнення мембрани EV та вивільнення діючих факторів всередині неї; 2) ЕВ встановлюють контакт з поверхнею клітини-мішені, яку вони сплавляють, вивільняючи свій вміст у цитозолі; та 3) ЕВ повністю захоплюються макропіноцитозом та фагоцитозом.

Важливість

Велике різноманіття функцій міжклітинної комунікації одне лише свідчить про її важливість. Деякі приклади ілюструють важливість різних типів стільникового зв'язку.

- Важливість визначення кворуму. QS регулює різні процеси, такі як вірулентність у певному вигляді або мікроорганізми різних видів або родів. Наприклад, один штам золотистого стафілокока використовує сигнальну молекулу в кворумуванні, щоб заразити господаря, і інгібує інші штами S. aureus.

- Важливість хімічної комунікації. Хімічне маркування необхідне для виживання та репродуктивного успіху багатоклітинних організмів.

Наприклад, запрограмована загибель клітин, яка регулює багатоклітинний розвиток, видаляє цілі структури і дозволяє розвивати конкретні тканини. Все це опосередковується трофічними факторами.

- Важливість ЕЦП. Вони відіграють важливу роль при діабеті, запаленнях, нейродегенеративних та серцево-судинних захворюваннях. EV нормальних клітин і ракових клітин сильно відрізняються. ЕР можуть містити фактори, які сприяють або пригнічують фенотип раку в клітинах-мішенях.

Список літератури

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. 2007. Молекулярна біологія клітини. Гарленд Наук, Нью-Йорк.
2. Bassler, BL 2002. Маленька розмова: спілкування між клітинами в бактерії. Клітка, 109: 421-424.
3. Cocucci, E. and Meldolesi, J. 2015. Ектосоми та екзосоми: проливання плутанини між позаклітинними везикулами. Тенденції в клітинній біології, xx: 1–9.
4. Kandel, E., Schwarts, JH, and Jessell, T., 2000. Принципи нейронної науки. McGraw-Hill США.
5. Лодіш, Х., Берк, А., Зіпурський, С. Л., Мацударія, П., Балтімор, Д., Дарнелл, Дж. 2003. Клітинна і молекулярна біологія. Редакція Medica Panamericana, Буенос-Айрес, Богота, Каракас, Мадрид, Мексика, Сао Пауло.
6. Pappas, KM, Weingart, CL, Winans, SC 2004. Хімічна комунікація в протеобактеріях: біохімічні та структурні дослідження сигнальних синтазів та рецепторів, необхідні для міжклітинної сигналізації. Молекулярна мікробіологія, 53: 755–769.
7. Пербаль, Б. 2003. Комунікація є ключовим. Стільниковий зв'язок та сигналізація. Редакція, 1-4.