СОТОВАЯ КОММУНИКАЦИЯ: ВИДЫ, ВАЖНОСТЬ, ПРИМЕРЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

Сотовой связи , также называется межклеточной связи, является передача внеклеточных сигнальных молекул. Эти молекулы исходят из клетки, генерирующей сигнал, и связываются с рецепторами клетки-мишени, вызывая специфический ответ.

Сигнальная молекула может быть небольшой молекулой (например, аминокислотой), пептидом или белком. Следовательно, коммуникация, которая носит химический характер, характерна для одноклеточных и многоклеточных организмов.

Источник: pixabay.com

У бактерий сигнальными молекулами являются бактериальные феромоны. Они необходимы для таких функций, как горизонтальный перенос генов, биолюминесценция, образование биопленок и производство антибиотиков и патогенных факторов.

В многоклеточных организмах клеточная связь может происходить между соседними клетками или между отдельными клетками. В последнем случае сигнальные молекулы должны диффундировать и путешествовать на большие расстояния. Среди функций сигналов - изменения экспрессии генов, морфологии и движения клеток.

Связь между клетками также может осуществляться внеклеточными везикулами (EV), называемыми эктосомами и экзосомами. Некоторые функции электромобилей: модуляция лимфоцитов и макрофагов; контроль синаптической функции; в кровеносных сосудах и сердце, коагуляции и ангиогенезе; и обмен РНК.

Типы (системы / механизмы)

У бактерий существует тип клеточной коммуникации, называемый восприятием кворума, который заключается в поведении, которое возникает только при высокой плотности бактериальной популяции. Чувствительность кворума включает производство, высвобождение и последующее обнаружение высоких концентраций сигнальных молекул, называемых аутоиндукторами.

У одноклеточных эукариот, таких как T. brucei, также есть кворум. У дрожжей половое поведение и дифференциация клеток происходит в ответ на обмен феромонами и изменения окружающей среды.

У растений и животных использование внеклеточных сигнальных молекул, таких как гормоны, нейротрансмиттеры, факторы роста или газы, является важным типом коммуникации, которая включает синтез сигнальной молекулы, ее высвобождение, ее транспортировку к клетке-мишени, обнаружение сигнал и конкретный ответ.

В отношении транспорта сигнальной молекулы у животных расстояние действия молекулы определяет два типа сигналов: 1) аутокринный и паракринный, которые действуют, соответственно, на одну и ту же клетку и на соседние клетки; и 2) эндокрин, который действует на отдаленную клетку-мишень, транспортируясь кровотоком.

Клеточная коммуникация с помощью внеклеточных везикул является важным типом клеточной коммуникации у эукариотических организмов и архей.

По мере роста одноклеточной эукариотической или бактериальной популяции она достигает достаточного количества клеток или кворума, который обеспечивает концентрацию индуктора, способную оказывать влияние на клетки. Это представляет собой механизм проведения переписи.

У бактерий известны три типа систем определения кворума: грамотрицательная; еще один грамположительный; и еще один на грамотрицательный Vibrio harveyi.

У грамотрицательных бактерий аутоиндуктором является ацилированный лактон гомосерина. Это вещество синтезируется ферментом LuxI-типа и пассивно диффундирует через мембрану, накапливаясь во внеклеточном и внутриклеточном пространстве. При достижении стимулирующей концентрации активируется транскрипция генов, регулируемых QS.

У грамотрицательных бактерий аутоиндукторы представляют собой модифицированные пептиды, которые экспортируются во внеклеточное пространство, где они взаимодействуют вместе с мембранными белками. Происходит каскад фосфорилирования, который активирует белки, которые связываются с ДНК и контролируют транскрипцию генов-мишеней.

Vibrio harveyi производит два автоиндуктора, обозначенных HAI-1 и A1-2. HAI-1 представляет собой ацилированный лактон-гомосерин, но его синтез не зависит от LuxI. A1-2 представляет собой сложный диэфир фуранозилбората. Оба вещества действуют через каскад фосфорилирования, аналогичный действию других грамотрицательных бактерий. Этот тип QS контролирует биолюминесценцию.

Химическая коммуникация

Специфическое связывание сигнальной молекулы или лиганда с рецепторным белком вызывает специфический клеточный ответ. У каждого типа клетки есть определенные типы рецепторов. Хотя определенный тип рецептора также может быть обнаружен в разных типах клеток и дает разные ответы на один и тот же лиганд.

Природа сигнальной молекулы определяет путь, который будет использоваться для проникновения в клетку. Например, гидрофобные гормоны, такие как стероиды, диффундируют через липидный бислой и связываются с рецепторами, образуя комплексы, которые регулируют экспрессию определенных генов.

Такие газы, как оксид азота и оксид углерода, диффундируют через мембрану и обычно активируют гуанилилциклазу, продуцирующую циклическую GMP. Большинство сигнальных молекул гидрофильны.

Его рецепторы находятся на поверхности клетки. Рецепторы действуют как трансляторы сигналов, которые изменяют поведение клетки-мишени.

Рецепторы клеточной поверхности делятся на: a) рецепторы, связанные с G-белком; б) рецепторы с ферментативной активностью, такие как тирозинкиназа; и c) рецепторы ионных каналов.

Характеристики рецепторов, связанных с G-белком

Рецепторы, связанные с G-белком, обнаружены у всех эукариот. Как правило, это рецепторы с семью доменами, пересекающими мембрану, с N-концевой областью по направлению к внешней стороне клетки и с C-концом по направлению к внутренней части клетки. Эти рецепторы связываются с белком G, который транслирует сигналы.

Когда лиганд связывается с рецептором, активируется G-белок. Это, в свою очередь, активирует эффекторный фермент, который продуцирует второй внутриклеточный мессенджер, которым может быть циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), арахидоновая кислота, диацилглицерин или инозитол-3-фосфат, который действует как усилитель сигнала. начальная.

Белок G состоит из трех субъединиц: альфа, бета и гамма. Активация G-белка включает диссоциацию GDP от G-белка и связывание GTP с альфа-субъединицей. В комплексе G _альфа- GTP они отделяются от субъединиц бета и гамма, специфически взаимодействуя с эффекторными белками, активируя их.

Путь цАМФ может быть активирован бета-адренорецепторами. ЦАМФ продуцируется аденилатциклазой. Путь фосфоинозитола активируется мускариновыми рецепторами ацетилхолина. Они активируют фосфолипазу С. Путь с арахидоновой кислотой активируется рецептором гистамина. Активирует фосфолипазу А2.

Путь CAMP

Связывание лиганда с рецептором, стимулирующим белком G (G _s ), связанным с GDP, вызывает обмен GDP на GTP и диссоциацию альфа-субъединицы G _s от бета- и гамма-субъединиц. Комплекс G _альфа -GTP связывается с доменом аденилциклазы, активируя фермент и производя цАМФ из АТФ.

ЦАМФ связывается с регуляторными субъединицами цАМФ-зависимой протеинкиназы. Высвобождает каталитические субъединицы, которые фосфорилируют белки, регулирующие клеточные ответы. Этот путь регулируется двумя типами ферментов, а именно фосфодиэстеразами и протеинфосфатазами.

Путь фосфоинозитола

Связывание лиганда с рецептором активирует G-белок (G _q ), который активирует фосфолипазу C (PLC). Этот фермент расщепляет фосфатидилинозитол-1,4,5-бисфосфат (PIP ₂ ) на два вторичных мессенджера, инозитол-1,4,5-трифосфат (IP ₃ ) и диацилглицерин (DAG).

IP ₃ диффундирует в цитоплазму и связывается с рецепторами в эндоплазматическом ретикулуме, вызывая выброс Ca ⁺² изнутри. DAG остается в мембране и активирует протеинкиназу C (PKC). Некоторым изоформам PKC требуется Ca ⁺² .

Путь арахидоновой кислоты

Связывание лиганда с рецептором заставляет бета- и гамма-субъединицы G-белка активировать фосфолипазу A ₂ (PLA ₂ ). Этот фермент гидролизует фосфатидилинозит (PI) в плазматической мембране, высвобождая арахидоновую кислоту, которая метаболизируется различными путями, такими как 5- и 12-липоксигеназа и циклооксигеназа.

Характеристики рецепторной тирозинкиназы

Рецепторная тирозинкиназа (RTK) имеет внеклеточные регуляторные домены и внутриклеточные каталитические домены. В отличие от рецептора, сопряженного с G-белком, полипептидная цепь рецепторной тирозинкиназы пересекает плазматическую мембрану только один раз.

Связывание лиганда, который является гормоном или фактором роста, с регуляторным доменом вызывает ассоциацию двух субъединиц рецептора. Это позволяет осуществлять аутофосфорилирование рецептора по остатку тирозина и активацию каскадов фосфорилирования белков.

Фосфорилированные тирозиновые остатки рецепторной тирозинкиназы (RTK) взаимодействуют с адапторными белками, которые связывают активированный рецептор с компонентами пути передачи сигнала. Адаптерные белки служат для образования мультипротеиновых сигнальных комплексов.

RTK связывается с различными пептидами, такими как: эпидермальный фактор роста; факторы роста фибробластов; факторы роста мозга; фактор роста нервов; и инсулин.

Общие характеристики ресиверов

Активация поверхностных рецепторов вызывает изменения в фосфорилировании белков за счет активации двух типов протеинкиназ: тирозинкиназы и серин- и треонин-киназ.

Сериновые и треониновые киназы представляют собой цАМФ-зависимую протеинкиназу; цГМФ-зависимая протеинкиназа; протеинкиназа С; и Ca ⁺² / кальмодулин- зависимый белок . В этих протеинкиназах, за исключением цАМФ-зависимой киназы, каталитический и регуляторный домены находятся в одной и той же полипептидной цепи.

Второй мессенджер связывается с этими сериновыми и треониновыми киназами, активируя их.

Характеристики рецепторов, являющихся ионными каналами

Рецепторы ионных каналов обладают следующими характеристиками: а) они проводят ионы; б) распознавать и выбирать определенные ионы; в) открываться и закрываться в ответ на химические, электрические или механические сигналы.

Рецепторы ионных каналов могут быть мономерами, или они могут быть гетеролигомерами или гомолигомерами, участки полипептидной цепи которых пересекают плазматическую мембрану. Существует три семейства ионных каналов: а) каналы лигандных ворот; б) каналы щелевых соединений; и c) Na ⁺ -зависимые каналы напряжения .

Некоторыми примерами рецепторов ионных каналов являются рецепторы ацетилхолина нервно-мышечного соединения и рецепторы ионотропного глутамата, NMDA и не-NMDA, в центральной нервной системе.

Связь через внеклеточные везикулы

Внеклеточные везикулы (EV) представляют собой смесь эктосом и экзосом, которые отвечают за передачу биологической информации (РНК, ферменты, активные формы кислорода и т. Д.) Между клеткой и клеткой. Происхождение обоих пузырьков разное.

Эктосомы - это везикулы, образующиеся в результате прорастания из плазматической мембраны с последующим их разделением и высвобождением во внеклеточное пространство.

Во-первых, происходит объединение мембранных белков в отдельные домены. Затем липидные белки-якоря накапливают цитозольные белки и РНК в просвете, тем самым вырастая почку.

Экзосомы - это везикулы, которые образуются из мультивезикулярных телец (MVB) и высвобождаются путем экзоцитоза во внеклеточное пространство. MVB - это поздние эндосомы, в которых находятся внутрипросветные везикулы (ILV). MVB могут сливаться с лизосомами и продолжать путь деградации или высвобождать ILVS в виде экзосом посредством экзоцитоза.

EV взаимодействуют с клеткой-мишенью по-разному: 1) исчезновение мембраны EV и высвобождение активных факторов внутри нее; 2) электромобили устанавливают контакт с поверхностью клетки-мишени, которую они сливают, высвобождая свое содержимое в цитозоль; и 3) EV полностью захватываются макропиноцитозом и фагоцитозом.

значение

Само по себе большое разнообразие функций межклеточной коммуникации указывает на ее важность. Некоторые примеры иллюстрируют важность различных типов сотовой связи.

- Важность определения кворума. QS регулирует различные процессы, такие как вирулентность внутри одного вида или микроорганизмов разных видов или родов. Например, один штамм Staphylococcus aureus использует сигнальную молекулу в кворуме, чтобы заразить хозяина, и подавляет это другим штаммам S. aureus.

- Важность химической коммуникации. Химическая маркировка необходима для выживания и репродуктивного успеха многоклеточных организмов.

Например, запрограммированная гибель клеток, которая регулирует многоклеточное развитие, удаляет целые структуры и позволяет развиваться определенным тканям. Все это опосредовано трофическими факторами.

- Важность электромобилей. Они играют важную роль при диабете, воспалениях, нейродегенеративных и сердечно-сосудистых заболеваниях. EV нормальных клеток и раковых клеток сильно различаются. EV могут нести факторы, которые способствуют развитию или подавлению фенотипа рака в клетках-мишенях.

Ссылки

1. Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж. И др. 2007. Молекулярная биология клетки. Garland Science, Нью-Йорк.
2. Басслер, Б.Л. 2002. Светская беседа: межклеточная коммуникация в бактериях. Cell, 109: 421-424.
3. Cocucci, E. и Meldolesi, J. 2015. Эктосомы и экзосомы: устранение путаницы между внеклеточными везикулами. Тенденции в клеточной биологии, xx: 1–9.
4. Кандел, Э., Швартс, Дж. Х. и Джессел, Т., 2000. Принципы неврологии. МакГроу-Хилл США.
5. Лодиш, Х., Берк, А., Зипурски, С.Л., Мацудария, П., Балтимор, Д., Дарнелл, Дж. 2003. Клеточная и молекулярная биология. От редакции Medica Panamericana, Буэнос-Айрес, Богота, Каракас, Мадрид, Мексика, Сан-Паулу.
6. Паппас, К.М., Вейнгарт, К.Л., Винанс, С.К. 2004. Химическая коммуникация у протеобактерий: биохимические и структурные исследования сигнальных синтаз и рецепторов, необходимых для межклеточной передачи сигналов. Молекулярная микробиология, 53: 755–769.
7. Пербал, Б. 2003. Коммуникация - ключ к успеху. Сотовая связь и сигнализация. От редакции, 1-4.