Кіріспе

Жасуша ішіндегі және молекулалық оқиғалардың тізбегі сигналдарды беру/күшейту үшін. Сигналды трандукция – химиялық немесе физикалық сигналдың жасуша арқылы молекулалық оқиғалар сериясы ретінде берілуі. Көбінесе белок фосфорилирлеуін белок киназалары катализдейді, нәтижесінде жасушалық жауап пайда болады. Стимулдарды анықтау үшін жауапты белоктар әдетте рецепторлар деп аталады, бірақ кейбір жағдайларда сенсор термині қолданылады. Рецептордағы лиганд байланысы (немесе сигналды сезіну) биохимиялық каскадты тудырады, ол – биохимиялық оқиғалардың тізбегі, сигнал беру жолы деп аталады. Сигнал беру жолдары бір-бірімен өзара әрекеттескенде, олар желілерді құрайды, бұл жасушалық жауаптарды үйлестіруге мүмкіндік береді, көбінесе комбинациялық сигнал беру оқиғалары арқылы. Молекулалық деңгейде мұндай жауаптарға гендердің транскрипциясы немесе трансляциясындағы өзгерістер, сондай-ақ белоктардағы трансляциялық және конформациялық өзгерістер, олардың орналасуындағы өзгерістер жатады. Бұл молекулалық оқиғалар жасушаның өсуін, көбеюін, метаболизмін және басқа да көптеген процестерді басқаратын негізгі механизмдер болып табылады. Көпжасушалы организмдерде сигнал беру жолдары жасушалық байланысты әртүрлі жолдармен реттейді. Сигнал беру жолының әрбір компоненті (немесе түйіні) бастапқы стимулға қатысты атқаратын рөліне сәйкес жіктеледі. Лигандтар – бірінші хабаршылар, ал рецепторлар – сигнал түрлендіргіштер, олар негізгі эффектторларды іске қосады. Мұндай эффектторлар әдетте ақуыздар болып табылады және көбінесе екінші хабаршылармен байланысты, олар екінші эффектторларды белсендіре алады, және т.б. Тораптардың тиімділігіне байланысты сигнал күшейеді (сигналды күшейту деп аталатын ұғым), сондықтан бір сигнал беру молекуласы жүздеген миллион молекулаларды қамтитын жауапты тудыра алады. Басқа сигналдар сияқты, биологиялық сигналдарды трандукциялау кешігумен, шумен, сигналдың кері байланысы және алдын ала беруімен, сондай-ақ араласумен сипатталады, олардың деңгейі шамалыдан патологиялыққа дейін өзгеруі мүмкін. Есептеу биологиясының пайда болуымен, сигнал беру жолдары мен желілерін талдау жасушалық функцияларды және ауруларды, соның ішінде дәріге қарсы тұру механизмдерін түсіну үшін маңызды құралға айналды.

Көтергіштер

Сигналды трандукциялаудың негізі – белгілі бір күшті биохимиялық сигналға түрлендіру болып табылады. Мұндай күштердің сипаты кең ауқымды болуы мүмкін, клеткадан тыс сигналдардан, мысалы, EGF-тің болуынан бастап, клеткаішілік оқиғаларға дейін, мысалы, репликативті теломераның тозуынан туындаған ДНК зақымдануына дейін. Дәстүрлі түрде, орталық нерв жүйесіне жететін сигналдар сезімдер деп жіктеледі. Олар нейроннан нейронға синапстық трансмиссия процесі арқылы беріледі. Көпжасушалы организмдерде, мысалы, эмбриондық дамуды басқаратын, көптеген басқа жасушааралық сигнал беру механизмдері де бар.

Лигандтар

Сигналды трандукциялау жолдарының көпшілігі сигналды жеткізуші молекулалардың, лигандтар деп аталатын, жасуша ішіндегі оқиғаларды іске қосатын рецепторларға байланысуын қамтиды. Сигнал беруші молекуланың рецептормен байланысуы рецептордың конформациясын өзгертеді, бұл рецептордың белсендірілуі деп аталады. Көптеген лигандтар жасуша сыртындағы ортадан алынатын, жасуша беткейлік рецепторларға байланысатын ерігіш молекулалар болып табылады. Оларға өсу факторлары, цитокиндер және нейротрансмиттерлер жатады. Жасуша сырты матрицаның фибронектин және гиалуронан сияқты компоненттері де осындай рецепторларға (сәйкесінше интегралиндер мен CD44) байланыса алады. Сонымен қатар, стероид гормондары сияқты кейбір молекулалар липидтерге ерігіш болып келеді және цитоплазмалық немесе ядролық рецепторларға жету үшін плазмалық мембранадан өтеді. Стероид гормондары рецепторларының стимуляциясы стероидке сезімтал гендердің промоторлық аймағына байланысуға әкеледі. Сигнал беруші молекулалардың барлық жіктелуі әр сынып мүшесінің молекулалық сипатын ескере бермейді. Мысалы, иіс молекулалары молекулалық кластардың кең ауқымына жатады, ал нейротрансмиттерлердің де құрамы әртүрлі – кішкентай молекулалардан, мысалы дофаминнен, эндорфиндер сияқты нейропептидтерге дейін. Кейбір молекулалар бірнеше сыныпқа жатуы мүмкін, мысалы, эпинефрин орталық нерв жүйесінен бөлінгенде нейротрансмиттер, ал бүйрек үсті безінен бөлінгенде гормон болып табылады. Кейбір рецепторлар, мысалы HER2, шамадан тыс экспрессияланғанда немесе мутацияланғанда лигандқа тәуелсіз белсендірілуге қабілетті. Бұл жолдың конститутивті белсендірілуіне алып келеді, оны өтеу механизмдерімен жоюға болады немесе болмайды. HER2, басқа EGFR-лердің димеризациялық серіктесі ретінде, конститутивті белсендірілу гиперпролиферацияға және қатерлі ісікке әкеледі.

Механикалық күштер

Эуметазоидтардың тіндерінде базалық мембраналардың кең таралғандығы көптеген жасуша түрлерінің тірі қалуы үшін жабысу қажет екенін көрсетеді. Бұл қажеттілік жасушаларға субстраттың беріктігін сезуге мүмкіндік беретін күрделі механотрансдукция жолдарының дамуына алып келді. Мұндай сигнал беру негізінен фокустық адгезияларда жүзеге асырылады, онда интегралға байланысқан актин цитоскелеті өзгерістерді анықтап, оларды YAP1 арқылы төмен ағынға жібереді. Кальцийге тәуелді жасушалық адгезия молекулалары, мысалы, кадериндер және селектиндер де механотрансдукцияға қатыса алады. Нерв жүйесіндегі механосезінуге жауапты механотрансдукцияның арнайы түрлері: есту, сезу, проприоцепция және тепе-теңдік.

Осмолярлық

Осмотикалық қысымның жасушалық және жүйелік реттелуі (цитозол мен жасуша сырты орта арасындағы осмолярлық айырмашылық) гомеостаз үшін маңызды. Жасушалар осмостық стимулдарды үш түрлі жолмен сезе алады: макромолекулалық тығыздық өзгерістері, иондық күш және плазмалық мембрананың немесе цитоскелеттің қасиеттеріндегі өзгерістер (соңғысы механотрансдукцияның бір түрі). Бұл өзгерістер осмосенсорлар немесе осморецепторлар деп аталатын ақуыздар арқылы анықталады. Адамдарда осмосенсорлардың ең жақсы зерттелгендері – адам жасушаларының бастапқы кірпігінде кездесетін өткінші рецепторлық потенциалдық каналдар. Ашытқыда HOG жолы жан-жақты сипатталған.

Температура

Жасушалардағы температураны сезіну термоцепция деп аталады және негізінен өткінші рецепторлық потенциалдық каналдар арқылы орындалады. Сонымен қатар, жануарлар жасушаларында жоғары температураның жасушаларға зиян келтіруін алдын алуға арналған сақталған механизм бар, ол – жылулық шок жауабы. Бұл жауап жоғары температураның салдарынан белсенді емес HSF1 молекуласы Hsp40/Hsp70 және Hsp90 жылулық шок ақуыздарымен құраған кешендерден ажырағанда басталады. ncRNA hsr1 көмегімен HSF1 тримеризацияланып, белсенділеніп, өзінің мақсатты гендерінің экспрессиясын арттырады. Прокариоттар мен эукариоттарда көптеген басқа термосенсорлық механизмдер де бар. Күндізгі ритм сағатында, меланопсин деп аталатын басқа фотопигмент, фотосезімтал торлы қабықтың ганглий жасушаларында жарықты анықтау үшін жауапты.

Қабылдағыштар

Рецепторларды жалпы екі негізгі классқа бөлуге болады: жасуша ішіндегі және жасуша сыртындағы рецепторлар.

Жасушадан тыс рецепторлар

Жасушадан тыс рецепторлар – интегралды трансмембраналық ақуыздар және рецепторлардың басым бөлігін құрайды. Олар жасушаның плазмалық мембранасын кесіп өтеді, рецептордың бір бөлігі жасуша сыртында, ал екінші бөлігі жасуша ішінде орналасқан. Сигналды трандукция лигандтың рецептордың сыртқы аймағына байланысуы нәтижесінде жүзеге асады (лиганд мембрана арқылы өте алмайды). Лигандтың рецепторға байланысуы рецептордың ішкі бөлігінің конформациялық өзгерісін тудырады, бұл процесс кейде "рецептордың белсендірілуі" деп аталады. Бұл рецептордың ферменттік доменін белсендіруге немесе жасуша ішіндегі басқа сигналдық ақуыздарға байланысу орнын ашуға алып келеді, соның нәтижесінде сигнал цитоплазма арқылы таралады. Эукариоттық жасушаларда лиганд/рецептор өзара әрекеттесуі арқылы белсендірілген көптеген жасушаішілік ақуыздар ферменттік активтілікке ие; мысалдарға тирозинкиназалар мен фосфатазалар жатады. Көбінесе мұндай ферменттер рецептормен ковалентті байланысқан. Олардың кейбіреулері циклдық АМФ және IP3 сияқты екінші хабаршыларды құрайды, соңғысы цитоплазмаға жасушаішілік кальций қорының шығарылуын реттейді. Басқа белсендірілген ақуыздар адаптерлік ақуыздармен өзара әрекеттеседі, бұл белгілі бір стимулға жауап беру үшін қажетті сигналдық ақуыздардың өзара әрекеттесуін және сигналдық кешендердің координациясын жеңілдетеді. Ферменттер мен адаптерлік ақуыздар түрлі екінші хабаршы молекулаларына сезімтал. Сигналды трандукцияның бөлігі ретінде белсендірілген көптеген адаптерлік ақуыздар мен ферменттерде екінші хабаршы молекулаларына байланысатын арнайы ақуыз домендері болады. Мысалы, кальций иондары кальмодулиннің EF қол домендеріне байланысып, оған кальмодулинге тәуелді киназаға байланысуға және оны белсендіруге мүмкіндік береді. PIP3 және басқа фосфоинозиттер де Плекстрин гомология домендерімен ұқсас әрекет етеді.

G протеиндерімен жұпталған рецепторлар

G протеин-жұпталған рецепторлар (GPCR) – жеті трансмембраналық доменге ие интегралды трансмембраналық протеиндердің отбасысы, олар гетеротримерлік G протеінімен байланысты. Бұл 800-ге жуық мүшесі бар сүтқоректілердің мембраналық ақуыздары мен рецепторларының ең ірі отбасысы. Барлық жануар түрлерін есептегенде, олардың саны 5000-нан аспайды. Сүтқоректілердің GPCR-лары 5 негізгі отбасыға бөлінеді: родопсинге ұқсас, секретинге ұқсас, метаботроптық глутамат, адгезия және фриззлденген/смоутенд, ал GPCR топтарының кейбірін жіктеу қиын, себебі олардың тізбектемелік ұқсастығы төмен, мысалы, вомероназальдық рецепторлар. GPCR лигандты танығаннан кейін, рецептордың конформациясы өзгереді, G протеінін белсендіреді, нәтижесінде Gα GTP молекуласына байланысып, қалған екі G протеіні суббөлімшелерінен ажыратылады. Ажырау суббөлімшелердегі басқа молекулалармен өзара әрекеттесетін орындарды ашады. Белсенді G протеіні суббөлімшелері рецептордан бөлініп, фосфолипазалар және иондық каналдар сияқты көптеген төменгі ағындағы эффекторлық ақуыздардан сигнал беруді бастайды, соңғысы екінші хабаршы молекулаларын босатуға мүмкіндік береді. GPCR арқылы сигнал күшейтудің жалпы күші лиганд-рецептор кешені мен рецептор-эффекторлық ақуыз кешенінің өмір сүру мерзімімен, сондай-ақ белсенді рецептор мен эффекторлардың ішкі ферментативтік активтілік арқылы деактивациялану уақытымен анықталады; мысалы, протеинкиназа фосфорилилеуі немесе b-аррестинге тәуелді интернализация арқылы. Химокин рецепторы CXCR2-ны кодтайтын генге нүктелік мутация енгізілген зерттеу жүргізілді; мутацияланған жасушалар химиокин байланысынсыз болғанымен, CXCR2-нің белсенді конформациясында экспрессияланғандықтан қатерлі өзгеріске ұшырады. Бұл химокин рецепторларының қатерлі ісік дамуына әсер ететінін көрсетеді.

Тирозин, Ser/Thr және гистидинге тән белок-киназалар

Рецепторлы тирозинкиназалар (РТК) – инсулин рецепторы сияқты өсу факторы рецепторларына жататын, лигандтарды байланыстыратын жасушаішілік киназа домені мен жасуша сырты домені бар трансмембраналық ақуыздар. Сигналды трандукция үшін РТК-лар плазмалық мембранада димерлер құруы керек; димер лигандтардың рецепторға байланысуы арқылы тұрақтандырылады. Цитоплазмалық домендер арасындағы өзара әрекеттесу РТК-ның жасушаішілік киназа домендеріндегі тирозин қалдықтарының автофосфорилирленуін күшейтеді, бұл конформациялық өзгерістерге алып келеді. Содан кейін рецепторлардың киназа домендері белсендіріледі, нәтижесінде жасушаішілік молекулалардың төменгі ағындағы фосфорилирлеу сигналдық каскадтары басталады, бұл жасушаның дифференциациясы және метаболизм сияқты әртүрлі процестерін жеңілдетеді. GPCR-лерге ұқсас, GTP-мен байланысатын ақуыздар белсенді РТК-дан жасушаға сигнал беруде маңызды рөл атқарады. Бұл жағдайда G ақуыздары Ras, Rho және Raf отбасыларының мүшелері болып табылады, олар жиынтық түрде шағын G ақуыздары деп аталады. Олар молекулалық «көзқарастар» ретінде әрекет етеді және әдетте изопренил тобы арқылы мембраналарға бекітіледі. Белсендірілгеннен кейін, олар сигнализацияға қатысатын мембрананың нақты субдомендеріне ақуыздарды бағыттайды. Белсенді РТК-лар өз кезегінде SOS1 сияқты гуанин нуклеотидтік алмасу факторларын белсендіретін шағын G ақуыздарын белсендіреді. Белсендірілгеннен кейін бұл алмасу факторлары тағы да көп шағын G ақуыздарын белсендіре алады, осылайша рецептордың бастапқы сигналын күшейтеді. Кейбір РТК гендерінің мутациясы, GPCR-лердегідей, конститутивті белсенді күйдегі рецепторлардың экспрессиясына әкелуі мүмкін; мұндай мутацияланған гендер онкогендер ретінде әрекет ете алады. Гистидинге спецификалық белок киназалары құрылымдық тұрғыдан басқа белок киназаларынан өзгеше және прокариоттарда, саңырауқұлақтарда және өсімдіктерде екі компонентті сигнал трандукциясы механизмінің бөлігі ретінде кездеседі: АТФ-тан фосфат тобы алдымен киназа ішіндегі гистидин қалдығына қосылады, содан кейін басқа белоктағы немесе киназаның өзіндегі қабылдағыш домендегі аспартат қалдығына беріледі, осылайша аспартат қалдығын белсендіреді.

Интегриндер

Интегриндерді көптеген жасушалар синтездейді; олар жасушалардың басқа жасушаларға және жасушадан тыс матрицаға бекінуіне, сондай-ақ фибронектин мен коллаген сияқты жасушадан тыс матрица компоненттерінен сигналдарды жеткізуге қатысады. Интегриндердің жасушадан тыс доменіне лиганд байланысуы нәтижесінде ақуыздың конформациясы өзгереді, ол жасуша мембранасында шоғырланып, сигнал трандукциясын іске қосады. Интегриндерде киназалық белсенділік болмайды; сондықтан интегралин арқылы сигнал трандукциясы әртүрлі ішкі жасушалық белок киназалары мен адаптор молекулалары арқылы жүзеге асырылады, ал басты координатор – интегралинге байланысты киназа. Өсімдіктерде қазірге дейін нақты интеграл рецепторлары анықталған жоқ; алайда, метазоан рецепторларымен құрылымдық гомологияға негізделген бірнеше интегралге ұқсас ақуыздар ұсынылған. Өсімдіктерде интегралмен байланысты киназалар бар, олардың аминоқышқылдық тізбегі жануарлар ILK-ларына өте ұқсас. Эксперименттік модельдік өсімдік Arabidopsis thaliana-да интегралмен байланысты киназа гендерінің бірі – ILK1 бактериялық патогендерден келетін сигнал молекулаларына жауап ретінде өсімдік иммундық реакциясында және тұз бен осмостық стресске өсімдіктің сезімталдығында маңызды рөл атқарады. ILK1 ақуызы жоғары сәйкестікке ие калий тасымалдаушы HAK5 және кальций сенсоры CML9пен өзара әрекеттеседі.

Толь тәрізді рецепторлар

Белсенділенген кезде, Toll-like рецепторлары (TLR) сигналды тарату үшін жасуша цитоплазмасындағы адаптер молекулаларын пайдаланады. Сигнал беруге төрт адаптерлік молекула қатысады: Myd88, TIRAP, TRIF және TRAM. Бұл адаптерлер IRAK1, IRAK4, TBK1 және IKKi сияқты басқа ішкі жасушалық молекулаларды белсендіріп, сигналды күшейтеді, соның нәтижесінде белгілі бір жауаптарды тудыратын гендердің индукциялануына немесе басуына әкеледі. TLR сигналы арқылы мыңдаған гендер белсендіріледі, бұл гендік модуляцияның маңызды механизмін көрсетеді.

Лигандпен қосылған иондық арналар

Лигандпен байланысқан иондық арна, лигандпен байланысқанда конформациясын өзгертіп, жасуша мембранасында иондар сигналдарды жеткізетін арна ашады. Бұл механизмнің мысалы нейрондық синапстың қабылдағыш жасушасында кездеседі. Осы арналардың ашылуына жауап ретінде болатын иондардың ағыны, мысалы, нервтер бойымен тарайтын әрекет потенциалдарын, постсинаптикалық жасушалардың мембранасын деполяризациялау арқылы, вольтажға сезімтал иондық арналардың ашылуына себеп болады. Лигандпен байланысқан иондық арна ашылғанда жасушаға кіретін ионның мысалы – Ca2+; ол екінші хабаршы ретінде әрекет етеді, сигнал трансляциясы тізбектерін іске қосып, жауап беретін жасушаның физиологиясын өзгертеді. Бұл синапсқа қатысқан дендриттік тікендерді қайта құру арқылы синапстық жасушалар арасындағы синапстық жауапты күшейтеді.

Жасушалық рецепторлар

Жасушаішілік рецепторлар, мысалы, ядролық және цитоплазмалық рецепторлар, өздерінің тиісті аймақтарында орналасқан ерігіш ақуыздар болып табылады. Ядролық рецепторлардың типік лигандтары – стероидтық гормондар, тестостерон және прогестерон сияқты полярлы емес гормондар, сондай-ақ А және D витаминдерінің туындылары. Сигналды трандукцияны бастау үшін лиганд пассивті диффузия арқылы плазмалық мембранадан өтуі керек. Рецептормен байланысқаннан кейін лигандтар ядролық мембрана арқылы ядроға өтеді, ген экспрессиясын өзгертеді. Белсенді ядролық рецепторлар ДНК-ға гормон-рецептор кешенімен белсендірілетін гендердің промоторлық аймағында орналасқан рецепторға тән гормондық жауап беру элементі (ГЖЭ) тізбектерінде байланысады. Ген транскрипциясын қамтамасыз ететіндіктен, оларды ген экспрессиясының индукторлары деп те атайды. Ген экспрессиясын реттеу арқылы әрекет ететін барлық гормондардың әрекет ету механизмінде екі салдары бар: олардың әсері әдетте ұзақ уақыттан кейін пайда болады және олардың әсері олардың концентрациясы нөлге дейін төмендегеннен кейін де ұзақ уақыт сақталады, себебі көптеген ферменттер мен ақуыздардың салыстырмалы түрде баяу алмасуы, олар рецепторға лиганд байланысын деактивациялайды немесе тоқтатады. Ядролық рецепторларда мырыш саусақтарын қамтитын ДНК байланысу домендері және лиганд байланысу домендері бар; мырыш саусақтары оның фосфат тірекшесін ұстап тұрып, ДНК байланысын тұрақтандырады. Рецепторға сәйкес келетін ДНК тізбектері әдетте кез келген түрдегі гексамерлік қайталаулар болып табылады; тізбектер ұқсас, бірақ олардың бағдары мен арақашықтығы оларды ерекшелендіреді. Лиганд байланысу домені сонымен қатар ядролық рецепторлардың байланыс алдында димеризациясына және трансактивация үшін трансляциялық аппаратпен байланыс үшін қолданылатын құрылымдарды қамтамасыз етуге жауапты. Стероидтық рецепторлар – негізінен цитозольде орналасқан ядролық рецепторлардың кіші класы. Стероидтардың болмауы жағдайында олар шаперон немесе жылу шок ақуыздарын (ЖША) қамтитын апорецептор кешенінде бірігеді. ЖША ақуыздың ядроға өтуіне мүмкіндік беретін сигнал тізбегін қолжетімді ету арқылы рецепторды белсендіруге қажет. Стеридтік рецепторлар, керісінше, трансактивация домендері жасырылған кезде ген экспрессиясын басуы мүмкін. Рецептор белсенділігі олардың N-терминалындағы серин қалдықтарының фосфорилирленуі арқылы, басқа сигнал трандукция жолының нәтижесінде күшейтілуі мүмкін, бұл процесс кроссталк деп аталады. Ретино қышқылы рецепторлары – ядролық рецепторлардың тағы бір кіші тобы. Оларды жасушаға диффузия арқылы енген эндокриндік синтезделген лиганд, қан ағыны арқылы жасушаға жеткізілген ретинол сияқты прекурсордан синтезделген лиганд немесе простагландин сияқты жасуша ішінде толық синтезделген лиганд белсендіре алады. Бұл рецепторлар ядрода орналасқан және ЖША-мен бірге болмайды. Олар ешқандай лиганд байланыспаған кезде олардың белгілі бір ДНК тізбектеріне байланысу арқылы гендерін басады және керісінше. Иммундық жүйенің кейбір жасушаішілік рецепторлары цитоплазмалық рецепторлар болып табылады; жақында анықталған NOD-тәрізді рецепторлар (NLR) кейбір эукариоттық жасушалардың цитоплазмасында орналасқан және лейцинге бай қайталану (LRR) мотивін пайдалана отырып лигандтармен өзара әрекеттеседі. NOD2 сияқты кейбір молекулалар NF κB сигнализациясын белсендіретін RIP2 киназасымен өзара әрекеттеседі, ал NALP3 сияқты басқалары қабыну каспаздарымен өзара әрекеттеседі және интерлейкин 1β сияқты белгілі бір цитокиндерді өңдеуді бастайды, сондай-ақ митохондрияның дамуына қатысады. Екі біріктірілген рецептор/иондық канал ақуыздары кальцийдің тасымалын бақылайды: цитозольдық жағында инозитол трифосфатымен өзара әрекеттескен кезде кальцийді тасымалдайтын InsP3 рецепторы; және InsP3 рецепторына ұқсас, бірақ онымен байланысқан кезде көбірек кальцийді босататын кері байланыс механизмі бар алкалоид рианодиннің атымен аталған рианодин рецепторы. Цитозолдағы кальцийдің табиғаты оның өте қысқа уақытқа ғана белсенді екенін білдіреді, яғни оның еркін күйдегі концентрациясы өте төмен және белсенді емес кезде көбінесе кальретикулин сияқты органелла молекулаларына байланады. Кальций көптеген процестерде қолданылады, соның ішінде бұлшықеттердің жиырылуында, жүйке ұштарынан нейротрансмиттерлердің босауында және жасушалардың көші-қонында. Оны белсендіруге әкелетін үш негізгі жол – GPCR жолдары, RTK жолдары және иондық каналдар; ол ақуыздарды тікелей немесе ферментке байланысу арқылы реттейді.

Липидті хабаршылар

Липофильді екінші хабаршы молекулалары жасушалық мембраналардағы липидтерден туындайды; белсендірілген рецепторлармен стимулданған ферменттер липидтерді өзгерту арқылы белсендіреді. Мысалдарға диацилглицерол және керамид жатады, соның ішінде біріншісі протеинкиназа С-ны белсендіру үшін қажет.

Азот оксиді

Азот оксиді (NO) екінші хабаршы ретінде әрекет етеді, себебі ол плазмалық мембрана арқылы диффузияланып, жақын жердегі жасушаларға әсер ете алатын бос радикал болып табылады. Ол аргинин мен оттегінен NO синтетаза арқылы синтезделеді және ерігіш гуанилциклазаны белсендіру арқылы жұмыс істейді, ал ол белсендірілген кезде тағы бір екінші хабаршы – cGMP-ны өндіреді. NO сондай-ақ ақуыздардың немесе олардың металл кофакторларының коваленттік модификациясы арқылы да әрекет ете алады; кейбіреулері тотығу-тотықсыздану механизміне ие және қайтымды болып келеді. Ол жоғары концентрацияда улы және инсульт кезінде зақым келтіреді, бірақ қан тамырларын кеңейту, апоптоз және жыныс мүшесінің тік тұруы сияқты көптеген басқа да функциялардың себебі болып табылады.

Редокстық сигнал беру

Азот оксидінен басқа, басқа да электрондық түрлер де редокс сигнализациясы деп аталатын процесте сигналдарды жеткізуші агенттер болып табылады. Мысалдарға супероксид, сутек пероксиді, көміртек оксиді және күкірт сутегі жатады. Редокс сигнализациясы жартылай өткізгіш биологиялық макромолекулалардағы электрондық ағындарды белсенді реттеуді де қамтиды.

Негізгі жолдар

Төменде лигандтардың олардың рецепторларына байланысуының екінші хабаршыларға қалай әсер ететінін және нәтижесінде жасушалық жауаптардың өзгеруіне алып келетінін көрсететін негізгі сигналдық жолдар келтірілген. MAPK/ERK жолы: Өсу факторларының жасуша бетіндегі рецепторларға байланысуымен жасуша ішіндегі жауаптарды байланыстыратын жол. Бұл жол өте күрделі және көптеген ақуыз компоненттерін қамтиды. Көптеген жасуша түрлерінде бұл жолдың белсендірілуі жасушаның бөлінуін күшейтеді, ал көптеген қатерлі ісік түрлері оның бұзылуларымен байланысты. cAMP тәуелді жолы: Адамда cAMP, ақуыз киназа А (PKA, cAMP тәуелді ақуыз киназа) (суретті қараңыз) арқылы әрекет етеді, демек, одан әрі әсерлер негізінен cAMP тәуелді ақуыз киназаға байланысты, ол жасуша түріне қарай өзгереді. IP3/DAG жолы: PLC фосфолипид фосфатидил инозитол 4,5-бисфосфатын (PIP2) диацил глицерол (DAG) және инозитол 1,4,5-трифосфат (IP3) құрамында бөледі. DAG мембранаға байланысқан күйде қалады, ал IP3 цитозолға ерігіш түрінде шығарылады. IP3 содан кейін цитозол арқылы таралып, эндоплазмалық тордағы (ER) IP3 рецепторларына, кальций арналарына байланысады. Бұл арналар кальцийге тән және тек кальцийтің өтуіне мүмкіндік береді. Бұл цитозольдегі кальций концентрациясының артуына себеп болады, осыдан жасуша ішіндегі өзгерістер мен белсенділіктің тізбегі басталады.

Тарих

Сигналды трандукциялау туралы алғашқы түсінік 1855 жылға дейін жетеді, ол кезде Клод Бернард каналсыз бездер, мысалы, өт безі, қалқанша безі және бүйрекүсті бездері физиологиялық әсер ететін "ішкі секрецияларды" бөліп шығаруға жауапты деп ұсынған. Бернардтың "секрециялары" кейіннен 1905 жылы Эрнест Старлингпен "гормон" деп аталды. 1902 жылы Вильям Бейлисспен бірге Старлинг секретин ашқан. Олардың жұмысы, 1956 жылы Эрл Уилбур Сазерлендтің циклдық АМФ-ты ашқандығымен бірге, эндокриндік сигналды тек бездерден сигнал беру ретінде қайта қарастыруға ықпал етті, сонымен қатар автокриндік және паракриндік терминдері қолданыла бастады. 1971 жылы Сазерленд физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығын алды, ал Леви Монталчини мен Коэн 1986 жылы оны бөлісті. 1970 жылы Мартин Родбелл глюкагонның егеуқұйрықтың бауыр жасушасының мембраналық рецепторына тигізетін әсерін зерттеді. Ол гуанозин трифосфатының глюкагонды осы рецептордан бөліп, G белгісіз ақуызын стимуляциялайтынын, бұл жасушаның метаболизміне күшті әсер ететінін байқады. Осылайша, ол G белоктары глюкагон молекулаларын қабылдайтын және жасушаға әсер ететін түрлендіргіш екенін түйіндеді. Осы үшін ол 1994 жылы Альфред Г. Гилманмен бірге физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығын алды. Осылайша, RTK және GPCR сипаттамалары "сигналды трандукциялау" тұжырымдамасын қалыптастыруға әкелді, бұл сөз алғаш рет 1972 жылы қолданылды. Кейбір ерте мақалаларда сигнал беру және сенсорлық трандукция терминдері қолданылды. 2007 жылы осы тақырыпта барлығы 48 377 ғылыми мақала, оның ішінде 11 211 шолу мақаласы жарияланды. Бұл термин алғаш рет 1979 жылы мақала тақырыбында пайда болды. Терминнің кеңінен қолданылуы Родбеллдің 1980 жылғы шолу мақаласына байланысты: Сигналды трандукцияға бағытталған ғылыми еңбектер 1980-жылдардың соңы мен 1990-жылдардың басында көптеп пайда бола бастады.

Иммунологиядағы сигналдарды аудару

Осы бөлімнің мақсаты – 1960 және 1970 жылдардағы иммунологиядағы кейбір дамуларды, трансмембраналық сигнал трандукциясының бастапқы кезеңдерімен байланысты қысқаша сипаттау, сондай-ақ олардың иммунологияны және, әрі қарай, жасуша биологиясының басқа салаларын түсінуге қалай әсер еткенін көрсету. Тиісті оқиғалар миелома протеинінің жеңіл тізбектерін анықтаудан басталады, олар көп миеломамен ауыратын адамдардың зәрiнде көп мөлшерде кездеседi. Биохимиялық тәжiрибелер көрсеткендей, осы Бенс-Джонс аталған белоктар 2 жеке доменнен тұрады – бiрi молекуладан екіншiсiне (V доменi) өзгерiп отырады, ал екіншiсi (Fc доменi немесе кристалдандырылатын фрагмент) өзгермейдi. Ву мен Кабаттың көптеген V аймақ тізбектерін талдауы V аймағындағы гиперөзгермелi аймақтарды анықтады, олардың бүктелген белок ішінде антигендi тану орталығын құрастырады деп болжам жасады. Осылайша, салыстырмалы түрде қысқа мерзiм iшiнде иммунологиялық ерекшелiктiң молекулалық негiзiн және Fc доменi арқылы биологиялық функцияның жүзеге асуына қатысты мүмкiндiктердi сипаттайтын модель жасалды. Көп ұзамай IgG молекуласының кристалдандырылуы осы мәлiметтерге негiзделген тұжырымдарды растады және иммунологиялық ерекшелiктi ең жоғары дәлдікпен түсiнуге мүмкiндiк бердi. Бұл жаңалықтардың биологиялық маңызы клоналды iрiктеу теориясында қамтылған, ол В жасушасының бетiнде антигенмен байланысатын антиденелердiң антигендi тану ортағымен сәйкес келетiн иммуноглобулин рецепторлары бар екенiн көрсетедi, ал белгiлi бiр В жасушасының клоны өзiнiң антиденелерiнiң сәйкес тiзбегiмен секрециялайды. Оқиғаның соңғы бөлiгi – плазмалық мембрананың сұйық мозаикалық моделі сигнал трандукциясын бастау үшiн жаңа модельдiң барлық құрамдас бөлшектерiн ұсынды, атап айтқанда, рецептордың димеризациясы. Бекер және олардың әрiптестерi бұл туралы алғашқы мәлiметтер бердi, олар екі валенттi Иммуноглобулин Е (IgE) бетiнде рецептор ретiнде жұмыс iстейтiн адам базафилдерiнiң дегрануляция деңгейi оларға әсер ететiн анти-IgE антиденелерiнiң концентрациясына байланысты екенiн және бетiндегi молекулалардың қайта таралуына әкеледi, бұл моноваленттi лиганд қолданылғанда байқалмайды. Бұл байқау Фангер және олардың әрiптестерiнiң бұрынғы нәтижелерiмен сәйкес келдi. Бұл байқаулар жасуша бетiндегi молекулалардың оқиғалары мен құрылымдық ерекшелiктерiн биологиялық жауаппен байланыстырды. Көп ұзамай рецептордың димеризациясы В жасушаларын қоса алғанда, әртүрлi жасуша түрлерiнде жауаптарды тудыратыны туралы көптеген дәлелдер пайда болды. Мұндай байқаулар теориялық (математикалық) дамулардың бiрнешесiне әкелдi. Олардың бiрiншiсi – Белл ұсынған қарапайым модель, ол көрiнетiн парадокс шешiлдi: кластерлеу тұрақты желiлердi құрайды; яғни, байланыс негiзiнен керi қайтарылмайды, ал В жасушалары секрециялайтын антиденелердiң туыстығы иммундық жауаптың дамуымен бiрге артады. ДеЛизi мен Перелсон лимфоциттердiң мембраналарындағы жасуша бетiндегi кластерлердiң динамикасы туралы теорияны әзiрледi, олар кластерлердiң уақытқа қатысты өлшемдiк үлесiн және лигандтың туыстығы мен валенттiлiгiне тәуелділiгiн анықтады. Базофильдер мен маст жасушалары бойынша кейiнгi теорияларды Голдштейн мен Соботка және олардың әрiптестерi әзiрледi, олардың барлығы иммундық жасушалардың дозаға жауап беру үлгiлерiн және олардың биологиялық корреляттарын талдауға бағытталған. Иммунологиялық жүйелерде кластерлеу туралы соңғы шолуды қараңыз. Лигандтардың жасуша бетiндегi рецепторларға байланысуы қозғалысқа да маңызды, бұл құбылыс бiр жасушалы организмдерде жақсы түсiнiледi. Мысалы, бактериялардың концентрация градиенттерiн анықтау және оларға жауап беруi – классикалық математикалық теорияның пайда болуы. Соңғы мәлiметтердi мына жерден табуға болады: