Жасушалық қарымқатынас жүйесі

Жасуша сигналдау – барлық тірі клеткалар үшін маңызды процесс. Сигнал, рецептор және эффектордан тұрады. Биологиялық сигналдар химиялық немесе физикалық болуы мүмкін.

18 мин оқу

100%

Дереккөз: Cell signaling — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Коммуникация жүйесі
журнал
Биологияда жасушалық сигнализация (британ тілінде жасушалық сигнализация) – жасушаның өзімен, басқа жасушалармен және ортамен өзара әрекеттесу процесі. Жасушалық сигнализация – прокариоттар мен эукариоттардағы барлық жасушалық тіршіліктің негізгі қасиеті. Әдетте, сигнализация процесі үш компонентті қамтиды: сигнал, рецептор және эффектор. Биологияда сигналдар көбінесе химиялық табиғатта болады, бірақ қысым, вольтаж, температура немесе жарық сияқты физикалық факторлар да болуы мүмкін. Химиялық сигналдар – белгілі бір рецептормен байланысып, оны белсендіре алатын молекулалар. Бұл молекулалар, сондай-ақ лигандтар деп аталады, химиялық жағынан әртүрлі, оның ішінде иондар (мысалы, Na+, K+, Ca++ және т.б.), липидтер (мысалы, стероидтар, простагландиндер), пептидтер (мысалы, инсулин, АКТГ), көмірсулар, гликозиленген ақуыздар (протеогликандар), нуклеин қышқылы және т.б. кіреді. Пептидтер мен липидтердің лигандтары ерекше маңызды, өйткені көптеген гормондар осы химиялық заттардың класына жатады. Пептидтер әдетте полярлы, гидрофильді молекулалар болып табылады. Сондықтан олар плазмалық мембрананың липид қабаты арқылы еркін өте алмайды, сондықтан олардың әсері жасушалық мембранаға байланысқан рецептор арқылы жүзеге асырылады. Керісінше, стероид гормондары сияқты майға ерітін химиялық заттар плазмалық мембрана арқылы пассивті диффузияға ұшырап, жасуша ішіндегі рецепторлармен өзара әрекеттеседі. Жасушалық сигнализация қысқа немесе ұзақ қашықтықта жүруі мүмкін және автокрин, интракрин, юкстакрин, паракрин және эндокриндік болып жіктелуі мүмкін. Автокрин сигнализациясы – химиялық сигналды өндірген жасушаның өзіне әсер ететін кезде пайда болады. Интракрин сигнализациясы – жасуша өндірген химиялық сигналдың цитоплазмада немесе ядрода орналасқан рецепторларға әсер ететін кезде пайда болады. Юкстакрин сигнализациясы – физикалық жағынан жақын орналасқан жасушалар арасында жүреді. Паракрин сигнализациясы – жақын орналасқан жасушалар арасында жүреді. Эндокриндік өзара әрекеттесу – алыстағы жасушалар арасында жүреді, мұнда химиялық сигнал әдетте қан арқылы тасымалданады. Рецепторлар – плазмалық мембранада немесе жасуша ішінде, мысалы, цитоплазмада, органеллаларда және ядрода орналасқан күрделі ақуыздар немесе тығыз байланысқан ақуыз мультимерлері. Рецепторлар белгілі бір химиялық затпен байланысу арқылы немесе физикалық факторлармен өзара әрекеттескен кезде конформациялық өзгеріске ұшырауы арқылы сигналды анықтай алады. Лиганд пен оның рецепторы арасындағы химиялық өзара әрекеттесудің ерекшелігі белгілі бір жасушалық жауапты іске қосу қабілетін береді. Рецепторларды жасушалық мембрана рецепторлары және жасуша ішіндегі рецепторлар деп жіктеуге болады. Жасушалық мембрана рецепторларын иондық каналға байланысты рецепторлар, G-белгілі рецепторлар және ферментке байланысты рецепторлар деп жіктеуге болады. Иондық канал рецепторлары – лигандпен белсендірілетін қақпа функциясы бар ірі трансмембраналық ақуыздар. Бұл рецепторлар белсендірілген кезде, олар белгілі бір иондардың жасушалық мембрана арқылы өтуіне рұқсат береді немесе бөгеп тастайды. Қысым немесе температура сияқты физикалық факторлармен белсендірілген көптеген рецепторлар осы санатқа жатады. G-белгілі рецепторлары – плазмалық мембранаға енген мультимерлік ақуыздар. Бұл рецепторлардың жасушадан тыс, трансмембраналық және жасуша ішіндегі домендері бар. Жасушадан тыс домен белгілі бір лигандпен өзара әрекеттесуге жауапты. Жасуша ішіндегі домен химиялық реакциялардың каскадын бастауға жауапты, ол ақырында рецептормен бақыланатын белгілі бір жасушалық функцияларды іске қосады. Ферментке байланысты рецепторлар – ферменттік немесе каталитикалық белсенділігі бар белгілі бір лигандты байланыстыруға және жасуша ішіндегі доменге жауапты трансмембраналық ақуыздар. Белсендірілгеннен кейін ферменттік бөлік белгілі бір жасушалық химиялық реакцияларды іске қосуға жауапты. Жасуша ішіндегі рецепторлардың әрекет ету механизмі басқаша. Олар әдетте стероид гормондары сияқты плазмалық мембрана арқылы пассивті диффузияға ұшыраған лигандтармен байланысады. Бұл лигандтар белгілі бір цитоплазмалық транспортерлерге байланысады, олар гормон-транспортер кешенін ядроның ішіне тасымалдайды, онда белгілі бір гендер белсендіріледі және белгілі бір ақуыздардың синтезі күшейеді. Сигнализация жолының эффекторлық компоненті сигнал трандукциясымен басталады. Осы процесте сигнал рецептормен өзара әрекеттесу арқылы жасуша ішіндегі молекулалық оқиғалар тізбегін бастайды, бұл сигнализация процесінің соңғы әсеріне әкеледі. Әдетте соңғы әсер иондық каналдың (лигандқа байланысты иондық канал) белсендірілуінен немесе сигналды жасуша арқылы таратушы екінші мессенджер жүйесінің каскадының басталуынан тұрады. Екінші мессенджер жүйелері сигналды күшейту немесе модуляциялау мүмкін, мұнда бірнеше рецепторлардың белсендірілуі көптеген екінші мессенджерлердің белсендірілуіне әкеледі, осылайша бастапқы сигналды күшейтеді (бірінші мессенджер). Осы сигнализация жолдарының нәтижелеріне қосымша ферменттік белсенділіктер, мысалы, протеолитикалық ыдырау, фосфорилдену, метилдену және убиквитиндеу кіруі мүмкін. Сигнализация молекулалары әртүрлі биосинтездік жолдардан синтезделуі мүмкін және пассивті немесе белсенді тасымалдау арқылы немесе тіпті жасуша зардабынан шығарылуы мүмкін. Әр жасуша сыртқы сигнал молекулаларына жауап беруге бағдарланған және дамудың, тіндік жаңарудың, иммунитеттің және гомеостаздың негізі болып табылады. Сигнализациялық өзара әрекеттесулердегі қателер қателерге әкелуі мүмкін, мысалы, қатерлі ісік, аутоиммунитет және диабет.

System of communication
the journal
In biology, cell signaling (cell signalling in British English) is the process by which a cell interacts with itself, other cells, and the environment. Cell signaling is a fundamental property of all cellular life in prokaryotes and eukaryotes. Typically, the signaling process involves three components: the signal, the receptor, and the effector. In biology, signals are mostly chemical in nature, but can also be physical cues such as pressure, voltage, temperature, or light. Chemical signals are molecules with the ability to bind and activate a specific receptor. These molecules, also referred as ligands, are chemically diverse including ions (e. g. Na+, K+, Ca++, etc. ), lipids (e. g. steroid, prostaglandin), peptides (e. g. insulin, ACTH), carbohydrates, glycosylated proteins (proteoglycans), nucleic acids, etc. Peptide and lipid ligands are particularly important as most hormones belong to these classes of chemicals. Peptides are usually polar, hydrophilic molecules. As such they are unable to diffuse freely across the bi lipid layer of the plasma membrane, so their action is mediated by a cell membrane bound receptor. On the other hand, liposoluble chemicals such as steroid hormones, can diffuse passively across the plasma membrane and interact with intracellular receptors. Cell signaling can occur over short or long distances, and can be further classified as autocrine, intracrine, juxtacrine, paracrine, or endocrine. Autocrine signaling occurs when the chemical signal acts on the same cell that produced the signaling chemical. Intracrine signaling occurs when the chemical signal produced by a cell acts on receptors located in the cytoplasm or nucleus of the same cell. Juxtacrine signaling occurs between physically adjacent cells. Paracrine signaling occurs between nearby cells. Endocrine interaction occurs between distant cells, with the chemical signal usually carried by the blood. Receptors are complex proteins or tightly bound multimer of proteins, located in the plasma membrane or within the interior of the cell such as in the cytoplasm, organelles, and nucleus. Receptors have the ability detect a signal either by binding to a specific chemical or by undergoing a conformational change when interacting with physical agents. It is the specificity of the chemical interaction between a given ligand and its receptor that confers the ability to trigger a specific cellular response. Receptors can be broadly classified into cell membrane receptors and intracellular receptors. Cell membrane receptors can be further classified into ion channel linked receptors, G Protein coupled receptors and enzyme linked receptors. Ion channels receptors are large transmembrane proteins with a ligand activated gate function. When these receptors are activated, they may allow or block passage of specific ions across the cell membrane. Most receptors activated by physical stimuli such as pressure or temperature belongs to this category. G protein receptors are multimeric proteins embedded within the plasma membrane. These receptors have extracellular, trans membrane and intracellular domains. The extracellular domain is responsible for the interaction with a specific ligand. The intracellular domain is responsible for the initiation of a cascade of chemical reactions which ultimately triggers the specific cellular function controlled by the receptor. Enzyme linked receptors are transmembrane proteins with an extracellular domain responsible for binding a specific ligand and an intracellular domain with enzymatic or catalytic activity. Upon activation the enzymatic portion is responsible for promoting specific intracellular chemical reactions. Intracellular receptors have a different mechanism of action. They usually bind to lipid soluble ligands that diffuse passively through the plasma membrane such as steroid hormones. These ligands bind to specific cytoplasmic transporters that shuttle the hormone transporter complex inside the nucleus where specific genes are activated and the synthesis of specific proteins is promoted. The effector component of the signaling pathway begins with signal transduction. In this process, the signal, by interacting with the receptor, starts a series of molecular events within the cell leading to the final effect of the signaling process. Typically the final effect consists in the activation of an ion channel (ligand gated ion channel) or the initiation of a second messenger system cascade that propagates the signal through the cell. Second messenger systems can amplify or modulate a signal, in which activation of a few receptors results in multiple secondary messengers being activated, thereby amplifying the initial signal (the first messenger). The downstream effects of these signaling pathways may include additional enzymatic activities such as proteolytic cleavage, phosphorylation, methylation, and ubiquitinylation. Signaling molecules can be synthesized from various biosynthetic pathways and released through passive or active transports, or even from cell damage. Each cell is programmed to respond to specific extracellular signal molecules, and is the basis of development, tissue repair, immunity, and homeostasis. Errors in signaling interactions may cause diseases such as cancer, autoimmunity, and diabetes.

Таксономиялық ауқымы

Көптеген шағын организмдерде, мысалы бактерияларда, кворумдық сезімталдық жеке тұлғаларға популяция жеткілікті үлкен болғанда ғана қызмет бастауға мүмкіндік береді. Мұндай жасушалар арасындағы сигнал беру алғаш рет теңіз бактериясы Aliivibrio fischeri-де байқалды, ол популяциясы жеткілікті тығыз болғанда жарық шығарады. Механизмде сигналдық молекуланың өндірілуі мен анықталуы, сондай-ақ оған жауап ретінде геннің транскрипциясын реттеу қарастырылады. Кворумдық сезімталдық грамположительді және грамтеріс бактерияларда, сондай-ақ түрлер арасында да жұмыс істейді. Шырыш саңырауқұлақтарында жеке жасушалар акразин деп аталатын химиялық сигналдың ықпалымен жеміс денелерін және соңында спораларды құрастырады. Жеке тұлғалар хемотаксис арқылы қозғалады, яғни химиялық градиентке тартылады. Кейбір түрлер циклдық АМФ-ты сигнал ретінде пайдаланады; ал басқалары, мысалы Polysphondylium violaceum, глорин деп аталатын дипептидті қолданады. Өсімдіктер мен жануарларда жасушалар арасындағы сигнал беру жасушадан тыс кеңістікке шығару арқылы жүзеге асады, бұл паракриндік сигнал беруге (қысқа қашықтықта) және эндокриндік сигнал беруге (ұзақ қашықтықта) бөлінеді, немесе тікелей байланыс арқылы, мысалы, нотч сигнал беру сияқты юкстакриндік сигнал беру болып табылады. Автокриндік сигнал беру – бұл секрециялық жасушаның секрецияланған сигналдық молекулаға жауап беру қабілетіне ие паракриндік сигнал берудің ерекше жағдайы. Синаптық сигнал беру – нейрондар мен мақсатты жасушалар арасындағы паракриндік (химиялық синапстар үшін) немесе юкстакриндік (электрлік синапстар үшін) сигнал берудің ерекше жағдайы.

Синтез және шығару

Көптеген жасушалық сигналдар бір жасушадан бөлініп, екінші жасушамен байланысу үшін қозғалатын молекулалар арқылы беріледі. Сигнал беру молекулалары бірнеше химиялық классқа жатады: липидтер, фосфолипидтер, аминқышқылы, моноаминдер, ақуыздар, гликопротеиндер немесе газдар. Жер бетіндегі рецепторлармен байланысатын сигнал молекулалары көбінесе ірі және гидрофильді болады (мысалы, ТРГ, вазопрессин, ацетилхолин), ал жасушаға енетіндері көбінесе кішкентай және гидрофобты болады (мысалы, глюкокортикоидтар, қалқанша безі гормондары, холекальциферол, ретино қышқылы), бірақ екеуіне де маңызды ерекшеліктер көп, және бір молекула әр түрлі әсерлерге ие болу үшін, жер бетіндегі рецепторлар арқылы да, немесе интракриндік жолмен де әрекет ете алады.

Экзоцитоз

Экзоцитоз – клетканың нейротрансмиттерлер мен белоктар сияқты молекулаларды клеткадан шығару процесі. Белсенді тасымалдау механизмі ретінде экзоцитоз материалды тасымалдау үшін энергия жұмсауды қажет етеді. Экзоцитоз және оған қарама-қарсы процесі – эндоцитоз, заттардың клеткаға ену процесі, барлық клеткалар үшін қажет, себебі олар үшін маңызды химиялық заттардың көпшілігі клетка мембранасының гидрофобтық бөлігі арқылы пассивті тасымалдау арқылы өте алмайтын ірі полярлық молекулалар болып табылады. Экзоцитоз – көп мөлшерде молекулалардың босатылуы; сондықтан ол жаппай тасымалдаудың бір түрі. Экзоцитоз клетканың плазмалық мембранасындағы секреторлық порталдар, яғни поросомалар арқылы жүзеге асады. Поросомалар – клетка плазма мембранасындағы тұрақты, тостаған тәрізді липопротеин құрылымдары, онда секреторлық везикулалар уақытша жабысып, клетка ішіндегі мазмұнын босату үшін бірігеді. Экзоцитоз кезінде мембранаға байланған секреторлық көпіршіктер клетка мембранасына жеткізіледі, онда олар поросомаларға жабысып, олардың ішкі мазмұны (яғни суда еритін молекулалар) клеткадан тыс ортаға бөлінеді. Бұл секреция көпіршіктің плазмалық мембранамен уақытша бірігуі арқасында мүмкін болады. Нейротрансмиссия контекстінде нейротрансмиттерлер әдетте экзоцитоз арқылы синаптылық көпіршіктерден синаптылық жарыққа шығарылады; алайда, нейротрансмиттерлер мембраналық тасымалдау ақуыздары арқылы кері тасымалдау арқылы да босатылуы мүмкін.

Автокриндік

Автокриналық сигнализация – жасушаның гормон немесе химиялық хабаршы (автокриналық агент деп аталады) шығарып, сол жасушадағы автокриналық рецепторларға байланыстырып, жасушаның өзінде өзгерістер тудыру процесі. Бұл паракриналық сигнализациядан, интракриналық сигнализациядан және классикалық эндокриндік сигнализациядан өзгеше.

Интракриндік

Интракриндік сигнализация кезінде сигнализациялық химиялық заттар клетка ішінде түзіледі және клеткадан шықпай цитозольдік немесе ядролық рецепторлармен байланысады. Интракриндік сигнализацияда сигнал клеткадан бөлініп шықпастан беріледі. Интракриндік сигналдың клеткадан сыртқа шықпауы, оны автокриндік сигнализация сияқты басқа жасуша сигнализация механизмдерінен ерекшелендіреді. Автокриндік және интракриндік сигнализацияның екеуінде де сигнал оны өндірген жасушаға әсер етеді.

Юкстакрин

Жұптық сигнализация – көпжасушалы организмдердегі жасуша-жасушалық немесе жасуша-жасушалық матрицалық сигнализацияның бір түрі, ол тығыз байланыс талап етеді. Оның үш түрі бар:

Екі жақын жасушаның мембраналық лигандтары (ақуыз, олигосахарид, липид) және мембраналық ақуыздары өзара әрекеттеседі. Коммуникациялық байланыс екі жақын жасушаның ішкі жасушалық бөліктерін байланыстырады, бұл салыстырмалы түрде кішкентай молекулалардың өтуіне мүмкіндік береді. Жасуша сырты матрица гликопротеіні мен мембраналық ақуыз өзара әрекеттеседі. Сонымен қатар, бактериялар сияқты бір жасушалы организмдерде жұптық сигнализация мембраналық контакт арқылы өзара әрекеттесуді білдіреді. Жұптық сигнализация кейбір өсу факторлары, цитокиндер және хемокиндер жасушалық сигналдары үшін байқалады, иммундық жауапта маңызды рөл атқарады. Даму кезеңінде де, ересек мида да нейрондық жасушалар денелері мен микроглияның қозғалмалы процестері арасында тікелей мембраналық контакт арқылы жұптық сигнализация жүреді.

Паракриндік

Паракриндік сигналдануда жасуша жақын орналасқан жасушаларда өзгерістер тудыратын сигнал шығарады, осы жасушалардың мінез-құлқын өзгертеді. Паракриндік факторлар деп аталатын сигнал молекулалары эндокриндік факторлар арқылы жасуша сигналдауына қарағанда, қан айналымы жүйесі арқылы айтарлықтай ұзақ қашықтыққа жүретін гормондарға қарағанда, салыстырмалы түрде қысқа қашықтықта (жергілікті әсер) таралады; жақын орналасқан жасушалар арасындағы өзара әрекеттесулер; және автокриндік сигналдану. Паракриндік факторларды өндіретін жасушалар оларды жасушадан тыс ортаға секрециялайды. Содан кейін факторлар жақын маңдағы жасушаларға жетеді, онда алынған фактордың градиенті нәтижені анықтайды. Дегенмен, паракриндік факторлардың қанша қашықтыққа жете алатыны нақты белгісіз. Ретино қышқылы сияқты паракриндік сигналдар тек сигнал беретін жасушаның жанындағы жасушаларды ғана нысаналайды. Нейротрансмиттерлер – паракриндік сигналдың тағы бір мысалы. Кейбір сигнал молекулалары гормон және нейротрансмиттер ретінде де жұмыс істей алады. Мысалы, адреналин және норадреналин бүйрек үсті безінен шыққанда гормон ретінде жұмыс істейді және қан арқылы жүрекке тасымалданады. Норадреналин ми ішінде нейротрансмиттер ретінде жұмыс істеу үшін нейрондармен де өндіріледі. Эстроген жұмыртқалықтан бөлінеді және гормон ретінде жұмыс істейді немесе паракриндік немесе автокриндік сигналдану арқылы жергілікті әсер етеді. Паракриндік сигналдану индуцирленген жасушаларда әртүрлі жауаптар тудырғанымен, көптеген паракриндік факторлар салыстырмалы түрде қарапайым рецепторлар мен жолдар жиынтығын пайдаланады. Шындығында, денедегі әртүрлі мүшелер, тіпті әртүрлі түрлер арасында да, дамудың әртүрлі кезеңдерінде паракриндік факторлардың ұқсас жиынтығы қолданылатыны белгілі. Жоғары сақталған рецепторлар мен жолдар ұқсас құрылымдарға негізделген төрт негізгі отбасыға бөлінеді: фибробласт өсу факторы (FGF) отбасы, Hedgehog отбасы, Wnt отбасы және TGF β суперотбасы. Паракриндік фактордың тиісті рецепторға байланысуы сигнал трандукциясы каскадаларын іске қосады, осы арқылы әртүрлі жауаптар туындайды.

Эндокриндік

Эндокриндік сигналдар гормондар деп аталады. Гормондарды эндокриндік жасушалар өндіреді және олар қан арқылы дененің барлық бөліктеріне таралады. Белгі берудің таңдаулылығы, егер тек кейбір жасушалар белгілі бір гормонға ғана жауап бере алса, бақылана алады. Эндокриндік сигнал беру – ағзаның ішкі бездерінің гормондарды тікелей қан айналымы жүйесіне бөліп, алыс мақсатты органдарын реттеуін қамтиды. Омыртқалы жануарларда гипоталамус – барлық эндокриндік жүйелердің нейрондық басқару орталығы болып табылады. Адамдардағы негізгі эндокриндік бездер – қалқанша без және бүйрекүсті бездері. Эндокриндік жүйені және оның ауруларын зерттеу эндокринология деп аталады.

Қабылдағыштар

Жасушалар көрші жасушалардан рецепторлар деп аталатын ақуыздар арқылы ақпарат алады. Рецепторлар кейбір молекулалармен (лигандтармен) байланыса алады немесе жарық, механикалық температура, қысым сияқты физикалық факторлармен өзара әрекеттеседі. Рецепция, сигнал молекуласына тән рецепторлы ақуызға ие кез келген жасуша – мақсатты жасуша сигналды, әдетте шағын, суда еритін молекула түрінде, жасуша бетіндегі рецепторлы ақуызға байланысу арқылы анықтайды. Ал сигнал беру молекуласы жасуша ішінде болғанда, жасушалық рецепторларға, басқа элементтерге байланыса немесе ферменттік белсенділікті күшейте алады (мысалы, газдар), бұл интракриндік сигнал беруге жатады. Сигнал беру молекулалары мақсатты жасушамен жасуша бетіндегі рецепторларға лиганд ретінде және/немесе жасуша мембранасы арқылы немесе эндоцитоз жолымен жасушаға ену арқылы, интракриндік сигнал беруде әрекеттеседі. Бұл көбінесе екінші хабаршылардың белсенденуіне алып келеді, нәтижесінде түрлі физиологиялық әсерлер пайда болады. Көптеген сүтқоректілерде ерте эмбрион жасушалары жатыр жасушаларымен сигнал алмасады. Адамның асқазан-ішек жолында бактериялар бір-бірімен және адамның эпителий және иммундық жүйе жасушаларымен сигнал алмасады. Saccharomyces cerevisiae ашытқысының жұптасу кезінде кейбір жасушалар пептидтік сигнал (жұптасу факторы феромондары) сыртқы ортаға жібереді. Жұптасу факторы пептиді басқа ашытқы жасушаларының жасуша бетіндегі рецепторына байланысып, оларды жұптасуға дайындалуға итермелейді.

Жасуша бетіндегі рецепторлар

Жасуша бетіндегі рецепторлар жеке және көпжасушалы организмдердің биологиялық жүйелерінде маңызды рөл атқарады, ал осы ақуыздардың дисфункциясы немесе зақымдануы қатерлі ісік, жүрек аурулары және астмамен байланысты. Бұл трансмембраналық рецепторлар нақты лиганд байланғанда конформациясын өзгертетіндіктен, жасуша сыртынан ішіне ақпарат жіберуге қабілетті. Олардың үш негізгі түрі бар: иондық каналға байланысты рецепторлар, G белоктарымен байланысты рецепторлар және ферментке байланысты рецепторлар.

Иондық арнамен байланысты рецепторлар

Иондық арнамен байланысты рецепторлар – Na+, K+, Ca2+ және/немесе Cl- сияқты иондардың, нейротрансмиттер сияқты химиялық хабаршы (яғни лиганд) байланысына жауап ретінде мембрана арқылы өтуіне мүмкіндік беретін трансмембраналық иондық арна ақуыздарының тобы. Пресинаптикалық нейрон қозғанда, ол нейротрансмиттерді сінаптық кеңістікке босатады. Нейротрансмиттер кейін постсинаптикалық нейронда орналасқан рецепторларға байланысады. Егер бұл рецепторлар лигандқа сезімтал иондық арналар болса, нәтижесіндегі конформациялық өзгеріс иондық арналарды ашады, бұл жасуша мембранасы арқылы иондардың ағынына әкеледі. Бұл өз кезегінде, қоздырғыш рецептор жауабы үшін деполяризацияға немесе тежегіш жауап үшін гиперполяризацияға алып келеді. Бұл рецепторлы ақуыздар әдетте кем дегенде екі түрлі доменнен тұрады: ионды тесікті қамтитын трансмембраналық домен және лиганд байланыс орны (аллостерикалық байланыс орны) бар клеткадан тыс домен. Бұл модулдік құрылым ақуыздардың құрылымын анықтауға арналған «бөліп жеңу» тәсілін (әр доменді жеке кристалдау) іске асыруға мүмкіндік берді. Синапстарда орналасқан мұндай рецепторлардың функциясы – пресинаптикалық босатылған нейротрансмиттердің химиялық сигналын тікелей және өте жылдам постсинаптикалық электр сигналына түрлендіру. Көптеген лигандқа сезімтал иондық арналар (LIC) қосымша аллостерикалық лигандтар, арнаны жабатын заттар, иондар немесе мембраналық потенциал арқылы реттеледі. LIC-тер эволюциялық байланысы жоқ үш суперотбасыға жіктеледі: цис-циклы рецепторлары, ионотроптық глутамат рецепторлары және АТФ-қа сезімтал арналар.

Жасушалық рецепторлар

Жасушаішілік рецепторлар цитоплазмада, ядрода бос күйде кездеседі немесе органеллалармен немесе мембраналармен байланыса алады. Мысалы, ядролық және митохондриялық рецепторлардың бар екені жақсы дәлелденген. Лигандтың жасушаішілік рецептормен байланысуы әдетте жасушада белгілі бір реакцияны тудырады. Жасушаішілік рецепторлар көбінесе белгілі бір деңгейде спецификалық болады, бұл рецепторларға сәйкес лигандқа байланысқанда нақты жауаптарды іске қосуға мүмкіндік береді. Жасушаішілік рецепторлар әдетте липидтерде ерігіш молекулаларға әсер етеді. Рецепторлар ДНК-мен байланысатын ақуыздар тобына байланысады. Байланысқаннан кейін рецептор-лиганд кешені ядроға көшеді, онда олар ген экспрессиясының үлгілерін өзгерте алады.

Стероидтық гормон рецепторы

Стероидтық гормон рецепторлары ядрода, цитозолда, сондай-ақ мақсатты жасушалардың плазмалық мембранасында табылады. Олар көбінесе жасуша ішіндегі рецепторлар (әдетте цитоплазмалық немесе ядролық) болып табылады және стероидтық гормондардың сигналдарын жіберуді бастайды, бұл бірнеше сағаттан бірнеше күнге дейін гендік экспрессияның өзгеруіне алып келеді. Стероидтық гормондардың ең жақсы зерттелген рецепторлары – ядролық рецепторлар 3 (NR3) субүйірлемінің мүшелері, оларға эстроген рецепторлары (NR3A тобы) және 3-кетостероидтар (NR3C тобы) кіреді. Ядролық рецепторлардан өзге, кейбір G-белокқа байланысқан рецепторлар мен иондық каналдар да белгілі бір стероидтық гормондар үшін жасуша бетіндегі рецепторлар ретінде қызмет етеді.

Рецепторды төменге реттеу механизмдері

Рецепторлы эндоцитоз рецепторларды «өшірудің» жиі кездесетін жолы болып табылады. Эндоциттік төмендету рецепторлардың сигналдауын азайту тәсілі ретінде қарастырылады. Бұл процесте лиганд рецептормен байланысады, содан кейін қабықшаланған шұңқырлар пайда болады, олар қабықшаланған көпіршіктерге айналып, эндосомаға тасымалданады. Рецептордың фосфориленуі – рецепторларды төмендетудің тағы бір түрі. Биохимиялық өзгерістер лигандқа рецептордың байланысу қабілетін азайтуы мүмкін. Рецептордың сезімталдығының төмендеуі рецепторлардың ұзақ уақыт бойы белсенді болуының салдарынан туындайды. Бұл рецептордың сигналдық молекулаға жауап бермейтіндей бейімделуіне әкеледі. Көптеген рецепторлар лиганд концентрациясына жауап ретінде өздерін өзгертуге қабілетті.

Сигналды трандукциялау жолдары

Сигнал беретін молекулаға байланысқанда рецептор ақуызы қандай да бір өзгеріске ұшырап, трандукция процесін бастайды, ол бір қадамда немесе әртүрлі молекулалардың тізбегіндегі өзгерістер сериясы түрінде (сигнал трандукциясы жолы деп аталады) жүруі мүмкін. Осы жолдарды құрайтын молекулалар релелік молекулалар деп аталады. Трансдукция кезеңінің көп сатылы процесі көбінесе фосфат топтарын қосу немесе алып тастау арқылы, тіпті хабаршы ретінде әрекет ететін басқа да кіші молекулалар немесе иондардың босатылуы арқылы ақуыздардың белсендірілуінен тұрады. Сигналды күшейту – бұл көп сатылы тізбектің артықшылықтарының бірі. Басқа артықшылықтарына қарапайым жүйелерге қарағанда реттеуге көбірек мүмкіндіктер және бір жасушалы және көп жасушалы организмдерде жауаптың нақты реттелуі жатады. Кейбір жағдайларда лигандтың рецепторға байланысуынан туындаған рецептордың белсенділігі клетканың лигандқа жауабымен тікелей байланысты болады. Мысалы, нейротрансмиттер GABA иондық каналдың бір бөлігі болып табылатын жасуша бетіндегі рецепторды белсендіре алады. GABA-ның нейрондағы GABAA рецепторына байланысуы рецептордың бір бөлігі болып табылатын хлоридтік селективті иондық каналды ашады. GABAA рецепторының белсенділігі теріс зарядталған хлорид иондарының нейронға енуіне мүмкіндік береді, бұл нейронның әрекет потенциалын өндіру қабілетін тежейді. Алайда, көптеген жасуша бетіндегі рецепторлар үшін лиганд-рецептор өзара әрекеттесуі клетканың жауабымен тікелей байланысты емес. Белсенділенген рецептор лигандтың клетка мінез-құлқына физиологиялық әсерін тигізуге дейін клетка ішіндегі басқа ақуыздармен өзара әрекеттесуі керек. Көп жағдайларда рецептордың белсендірілуі нәтижесінде бірнеше өзара әрекеттесетін жасушалық ақуыздар тізбегінің мінез-құлқы өзгереді. Рецепторларды белсендіре отырып, клеткадағы барлық өзгерістер сигнал трандукциясы механизмі немесе жолы деп аталады. Сигнал трандукциясының күрделі жолы – MAPK/ERK жолы, ол сыртқы сигналдың әсерінен клетка ішіндегі ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуінің өзгеруін қамтиды. Көптеген өсу факторлары жасуша бетіндегі рецепторларға байланысып, жасушаларды жасуша циклы арқылы өсуге және бөлінуге ынталандырады. Бұл рецепторлардың бірнешеуі – лигандпен байланысқанда өздерін және басқа ақуыздарды фосфорилирлейтін киназалар. Бұл фосфорилирлеу басқа ақуызбен байланысу орнын қалыптастыра алады және осылайша ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуін тудырады. Бұл жағдайда лиганд (эпидермалық өсу факторы немесе EGF деп аталады) рецептормен (EGFR деп аталады) байланысады. Бұл рецепторды өзіндік фосфорилирлеуге белсендіреді. Фосфорилирленген рецептор адаптерлік ақуызға (GRB2) байланысады, ол сигналды одан әрі төменгі сигнал беру процестеріне жалғастырады. Мысалы, белсендірілген сигнал трандукциясының бір жолы митогенді белсендірілген белок киназа (MAPK) жолы деп аталады. Жолдағы "MAPK" деп белгіленген сигнал трандукциясы компоненті бастапқыда "ERK" деп аталды, сондықтан жол MAPK/ERK жолы деп аталады. MAPK ақуызы – фермент, протеинкиназа, ол фосфатты MYC транскрипция факторы сияқты мақсатты ақуыздарға қосып, ген транскрипциясын және, соңында, жасуша циклының прогрессиясын өзгерте алады. Көптеген жасушалық ақуыздар өсу факторларының рецепторларынан (мысалы, EGFR) төменгі ағыста белсендіріледі, олар осы сигнал трандукция жолын бастайды. Кейбір сигнал трандукция жолдары жасуша алған сигналдың мөлшеріне байланысты әртүрлі жауап береді. Мысалы, едік ақуызының мөлшеріне байланысты әртүрлі гендер белсендіріледі. Күрделі көп компонентті сигнал трандукция жолдары кері байланыс, сигналдың күшеюі және бір жасушаның ішінде бірнеше сигналдар мен сигнал беру жолдары арасындағы өзара әрекеттесуге мүмкіндік береді. Белгілі бір жасушалық жауап – жасушалық сигналданудың соңғы сатысындағы трандукцияланған сигналдың нәтижесі. Бұл жауап организмдегі кез келген жасушалық белсенділік болуы мүмкін. Ол цитоскелеттің қайта ұйымдастырылуын немесе тіпті фермент арқылы катализдік әрекетті де ынталандыра алады. Жасушалық сигнал берудің осы үш қадамы дұрыс жасушалардың дұрыс уақытта, басқа жасушалармен және олардың өз функцияларымен үйлесімді түрде әрекет етуін қамтамасыз етеді. Соңында, сигнал жолының соңы жасушалық белсенділікті реттеуге әкеледі. Бұл жауап жасушаның ядросында немесе цитоплазмасында жүруі мүмкін. Көптеген сигнал беру жолдары ядродағы белгілі бір гендерді қосу және өшіру арқылы ақуыз синтезін бақылайды. Бактерия сияқты бір жасушалы организмдерде сигнал беру 'ұйыққан' жағдайдан ояту, вируленттілікті күшейту, бактериофагтарға қарсы қорғану және т.б. үшін қолданылуы мүмкін. Кворум сезінуде, әлеуметтік жәндіктерде де кездесетін, жеке сигналдардың көптігі оң кері байланыс тізбегін құруға және үйлесімді жауапты тудыруға әлеуетті. Бұл контексте сигнал беретін молекулалар аутоиндукторлар деп аталады. Бұл сигнал беру механизмі бір жасушалы организмдерден көп жасушалы организмдерге эволюцияда қатысқан болуы мүмкін. Бактериялар сонымен қатар байланысқа тәуелді сигнал беруді, әсіресе олардың өсуін шектеу үшін пайдаланады. Көп жасушалы организмдер пайдаланатын сигнал молекулалары көбінесе феромондар деп аталады. Олар қауіп туралы ескерту, тамақ көзінің көрсетілуі немесе көбеюге көмектесу сияқты мақсаттарға ие болуы мүмкін.

When binding to the signaling molecule, the receptor protein changes in some way and starts the process of transduction, which can occur in a single step or as a series of changes in a sequence of different molecules (called a signal transduction pathway). The molecules that compose these pathways are known as relay molecules. The multistep process of the transduction stage is often composed of the activation of proteins by addition or removal of phosphate groups or even the release of other small molecules or ions that can act as messengers. The amplifying of a signal is one of the benefits to this multiple step sequence. Other benefits include more opportunities for regulation than simpler systems do and the fine tuning of the response, in both unicellular and multicellular organism. In some cases, receptor activation caused by ligand binding to a receptor is directly coupled to the cell's response to the ligand. For example, the neurotransmitter GABA can activate a cell surface receptor that is part of an ion channel. GABA binding to a GABAA receptor on a neuron opens a chloride selective ion channel that is part of the receptor. GABAA receptor activation allows negatively charged chloride ions to move into the neuron, which inhibits the ability of the neuron to produce action potentials. However, for many cell surface receptors, ligand receptor interactions are not directly linked to the cell's response. The activated receptor must first interact with other proteins inside the cell before the ultimate physiological effect of the ligand on the cell's behavior is produced. Often, the behavior of a chain of several interacting cell proteins is altered following receptor activation. The entire set of cell changes induced by receptor activation is called a signal transduction mechanism or pathway. A more complex signal transduction pathway is the MAPK/ERK pathway, which involves changes of protein–protein interactions inside the cell, induced by an external signal. Many growth factors bind to receptors at the cell surface and stimulate cells to progress through the cell cycle and divide. Several of these receptors are kinases that start to phosphorylate themselves and other proteins when binding to a ligand. This phosphorylation can generate a binding site for a different protein and thus induce protein–protein interaction. In this case, the ligand (called epidermal growth factor, or EGF) binds to the receptor (called EGFR). This activates the receptor to phosphorylate itself. The phosphorylated receptor binds to an adaptor protein (GRB2), which couples the signal to further downstream signaling processes. For example, one of the signal transduction pathways that are activated is called the mitogen activated protein kinase (MAPK) pathway. The signal transduction component labeled as "MAPK" in the pathway was originally called "ERK," so the pathway is called the MAPK/ERK pathway. The MAPK protein is an enzyme, a protein kinase that can attach phosphate to target proteins such as the transcription factor MYC and, thus, alter gene transcription and, ultimately, cell cycle progression. Many cellular proteins are activated downstream of the growth factor receptors (such as EGFR) that initiate this signal transduction pathway. Some signaling transduction pathways respond differently, depending on the amount of signaling received by the cell. For instance, the hedgehog protein activates different genes, depending on the amount of hedgehog protein present. Complex multi component signal transduction pathways provide opportunities for feedback, signal amplification, and interactions inside one cell between multiple signals and signaling pathways. A specific cellular response is the result of the transduced signal in the final stage of cell signaling. This response can essentially be any cellular activity that is present in a body. It can spur the rearrangement of the cytoskeleton, or even as catalysis by an enzyme. These three steps of cell signaling all ensure that the right cells are behaving as told, at the right time, and in synchronization with other cells and their own functions within the organism. At the end, the end of a signal pathway leads to the regulation of a cellular activity. This response can take place in the nucleus or in the cytoplasm of the cell. A majority of signaling pathways control protein synthesis by turning certain genes on and off in the nucleus. In unicellular organisms such as bacteria, signaling can be used to 'activate' peers from a dormant state, enhance virulence, defend against bacteriophages, etc. In quorum sensing, which is also found in social insects, the multiplicity of individual signals has the potentiality to create a positive feedback loop, generating coordinated response. In this context, the signaling molecules are called autoinducers. This signaling mechanism may have been involved in evolution from unicellular to multicellular organisms. Bacteria also use contact dependent signaling, notably to limit their growth. Signaling molecules used by multicellular organisms are often called pheromones. They can have such purposes as alerting against danger, indicating food supply, or assisting in reproduction.

Ұяшықтардың қысқа мерзімді реакциясы

+ Ұзаққа соқпайтын жасушалық жауаптарға әкелетін кейбір сигналдық жолдардың қысқаша шолуы (рецепторлар отбасыларына негізделген). Рецепторлар отбасы Лигандтар/активаторлар мысалы (Қашаң: оған арналған рецептор) Эффекторлар мысалы Алдыға қарайғы әсерлер Лигандты шлюзделген иондық каналдар Ацетилхолин (мысалы, никотинді ацетилхолин рецепторы), мембраналық өткізгіштіктің өзгеруі Мембраналық потенциалдың өзгеруі Жеті спиральді рецептор Жарық (родопсин), допамин (допамин рецепторы), ГАБА (ГАБА рецепторы), простагландин (простагландин рецепторы) және т.б. Тримерлік G бейіні Аденолат циклаза, cGMP фосфодиэстераза, G бейінінің қақпалы иондық каналы және т.б. Екі компонентті Көптеген активаторлар Гистидинкиназа Жауапты реттегіш, қамшылы қозғалыс, гендік экспрессия Мембраналық гуанилил циклаза Атриалды натриуреттік пептид, теңіз кірпісі жұмыртқасы пептиді және т.б. cGMP Киназалар мен каналдарды реттеу Әртүрлі әрекеттер Цитоплазмалық гуанил циклаза Көміртек тотығы (көміртек тотығы рецепторы) cGMP cGMP-ға қақпалы каналдарды реттеу, Киназалар Интегриндер Фибронектиндер, басқа да жасуша матрицасы ақуыздары Рецептор емес тирозинкиназа Әртүрлі жауаптар.

Гендік белсенділікті реттейтін

+ Гендік белсенділікті бақылайтын кейбір сигналдық жолдардың қысқаша шолуы (рецепторлар отбасыларына негізделген) Фризл (7 спиральді рецепторлардың ерекше түрі) Wnt Дишевельд, аксин АПК, GSK3 бета – бета-катенин Ген экспрессиясы Екі компонентті Әртүрлі активаторлар Гистидинкиназа Жауап беретін регулятор Флагеллінің қозғалысы, Ген экспрессиясы Тирозинкиназа рецепторы Инсулин (инсулин рецепторы), EGF (EGF рецепторы), FGF Альфа, FGF Бета және т.б. (FGF рецепторлары) Ras, MAP киназалары, PLC, PI3 киназалары Ген экспрессиясының өзгеруі Цитокин рецепторлары Эритропоэтин, Өсу гормоны (Өсу гормоны рецепторы), IFN Гамма (IFN Гамма рецепторы) және т.б. JAK киназасы STAT транскрипция факторы Гендік экспрессия Тирозинкиназаға байланысты рецепторлар MHC пептидтік кешені TCR, Антигендер BCR Цитоплазмалық тирозинкиназа Гендік экспрессия Рецептор серин/треонинкиназасы Активин (активин рецепторы), Ингибин, Сүйек морфогенетикалық белок (BMP рецепторы), TGF бета Смад транскрипция факторлары Гендік экспрессияны бақылау Сфингомиелиназаға байланысты рецепторлар IL 1 (IL 1 рецепторы), TNF (TNF рецепторлары) Керамидті белсендіретін киназалар Гендік экспрессия Цитоплазмалық стероидтік рецепторлар Стероидтік гормондар, тойғақ без гормондары, ретино қышқылы және т.б. Транскрипция факторларымен жұмыс істеу/ өзара әрекеттесу Ген экспрессиясы. Notch көршілес жасушаларда экспрессияланатын лигандтар үшін рецептор ретінде әрекет етеді. Кейбір рецепторлар жасуша бетіндегі белоктар болса, ал басқалары жасушаның ішінде орналасады. Мысалы, эстроген – мембрананың липидтік екі қабатынан өте алатын гидрофобты молекула. Эндокриндік жүйенің бөлігі ретінде, жасушалардың әртүрлі түрлерінен алынған жасуша ішіндегі эстроген рецепторларын жұмыртқалықтарда өндірілетін эстроген белсендіре алады. Notch арқылы берілетін сигнал беруде сигнал трандукциясының механизмі салыстырмалы түрде қарапайым болуы мүмкін. 2-суретте көрсетілгендей, Notch-тың белсендірілуі Notch протеинінің протеазамен өзгеруіне әкелуі мүмкін. Notch протеинінің бір бөлігі жасуша бетінің мембранасынан бөлінеді және гендік реттеуге қатысады. Жасушалық сигналды зерттеу – әртүрлі жасуша түрлеріндегі рецепторлармен белсендірілетін рецепторлардың кеңістіктік және уақытша динамикасын, сондай-ақ сигналдық жолдардың компоненттерін зерттеуді қамтиды. Бір жасушалық массалық спектрометриялық талдаудың жаңа әдістері сигнал трандукциясын бір жасушалық деңгейде зерттеуге мүмкіндік береді. Жасушалар арасындағы тікелей байланыс эмбрионалды даму кезінде жасушалардың дифференциациясын дәл бақылауға мүмкіндік береді. Caenorhabditis elegans құртшасында дамушы жыныс безінің екі жасушасының әрқайсысының соңғы дифференциациялануына немесе бөлінуін жалғастыратын жатырдың прекурсорлық жасушасына айналуына бірдей мүмкіндік бар. Қай жасушаның бөлінуін жалғастыратыны жасуша бетіндегі сигналдар арасындағы бәсекелестік арқылы анықталады. Бір жасуша жасуша бетіндегі белоктардың көбірек мөлшерін өндіреді, бұл жасушадағы Notch рецепторын белсендіреді. Бұл кері байланыс циклын немесе жасушадағы Notch экспрессиясын төмендетіп, дің клетка ретінде жалғасатын жасуша бетіндегі Notch-ты арттыратын жүйені іске қосады.

+ Brief overview of some signaling pathways (based on receptor families) that control gene activityFrizzled (special type of 7Helix receptor)WntDishevelled, axin APC, GSK3 beta Beta cateninGene expressionTwo componentDiverse activatorsHistidine KinaseResponse Regulator flagellar movement, Gene expressionReceptor Tyrosine KinaseInsulin (insulin receptor), EGF (EGF receptor), FGF Alpha, FGF Beta, etc. (FGF receptors)Ras, MAP kinases, PLC, PI3 KinaseGene expression changeCytokine receptorsErythropoietin, Growth Hormone (Growth Hormone Receptor), IFN Gamma (IFN Gamma receptor) etc. JAK kinaseSTAT transcription factor Gene expressionTyrosine kinase Linked receptorsMHC peptide complex TCR, Antigens BCRCytoplasmic Tyrosine KinaseGene expressionReceptor Serine/Threonine KinaseActivin (activin receptor), Inhibin, Bone morphogenetic protein (BMP Receptor), TGF betaSmad transcription factorsControl of gene expressionSphingomyelinase linked receptorsIL 1 (IL 1 receptor), TNF (TNF receptors)Ceramide activated kinasesGene expressionCytoplasmic Steroid receptorsSteroid hormones, Thyroid hormones, Retinoic acid etc. Work as/ interact with transcription factorsGene expression. notch acts as a receptor for ligands that are expressed on adjacent cells. While some receptors are cell surface proteins, others are found inside cells. For example, estrogen is a hydrophobic molecule that can pass through the lipid bilayer of the membranes. As part of the endocrine system, intracellular estrogen receptors from a variety of cell types can be activated by estrogen produced in the ovaries. In the case of Notch mediated signaling, the signal transduction mechanism can be relatively simple. As shown in Figure 2, the activation of Notch can cause the Notch protein to be altered by a protease. Part of the Notch protein is released from the cell surface membrane and takes part in gene regulation. Cell signaling research involves studying the spatial and temporal dynamics of both receptors and the components of signaling pathways that are activated by receptors in various cell types. Emerging methods for single cell mass spectrometry analysis promise to enable studying signal transduction with single cell resolution. In notch signaling, direct contact between cells allows for precise control of cell differentiation during embryonic development. In the worm Caenorhabditis elegans, two cells of the developing gonad each have an equal chance of terminally differentiating or becoming a uterine precursor cell that continues to divide. The choice of which cell continues to divide is controlled by competition of cell surface signals. One cell will happen to produce more of a cell surface protein that activates the Notch receptor on the adjacent cell. This activates a feedback loop or system that reduces Notch expression in the cell that will differentiate and that increases Notch on the surface of the cell that continues as a stem cell.