În timpul transducției semnalului, o serie de proteine-releu din interiorul citoplasmei celulei-țintă activează proteinele-țintă, rezultând un răspuns celular. Aceste cascade biochimice sunt complexe datorită interacțiunilor dintre proteine, un rol important în comunicarea celulară jucând fosforilarea moleculelor de către enzime cunoscute sub numele de kinaze. Prin adăugarea unei grupări fosfat, fosforilarea modifică formele proteinelor, iar această schimbare de formă le activează sau le inactivează. Mesagerii secundari, cum sunt AMPc și ionii de calciu, sunt adesea utilizați pentru a transmite semnale în interiorul unei celule.
Odată ce un ligand se leagă de un receptor, semnalul este transmis prin membrană și ajunge în citoplasmă. Continuarea unui semnal în acest mod se numește transducție de semnal. Transducția semnalului are loc numai la nivelul receptorilor de la suprafața celulei, deoarece receptorii interni sunt capabili să interacționeze direct cu ADN-ul din nucleu pentru a iniția sinteza proteinelor.
Atunci când un ligand se leagă de receptorul său, apar modificări conformaționale care afectează domeniul intracelular al receptorului. Modificările conformaționale ale domeniului extracelular la legarea ligandului se pot propaga prin regiunea membranară a receptorului și pot duce la activarea domeniului intracelular sau a proteinelor asociate acestuia. În unele cazuri, legarea ligandului determină dimerizarea receptorului, ceea ce înseamnă că doi receptori se leagă unul de celălalt pentru a forma un complex stabil numit dimer. Un dimer este un compus chimic format atunci când două molecule (adesea identice) se unesc. Legarea receptorilor în acest mod permite domeniilor lor intracelulare să intre în contact strâns și să se activeze reciproc.
Legarea inițiază o cale de semnalizare
După ce ligandul se leagă de receptorul de la suprafața celulei, activarea componentelor intracelulare ale receptorului declanșează un lanț de evenimente care se numește cale de semnalizare sau cascadă de semnalizare. Într-o cale de semnalizare, mesagerii secundari, enzimele și proteinele activate interacționează cu proteine specifice, care sunt la rândul lor activate într-o reacție în lanț care duce în cele din urmă la o schimbare a mediului celulei. Evenimentele din cascadă au loc în serie, similar cu curgerea unui râu. Interacțiunile care au loc înainte de un anumit punct sunt definite ca evenimente din amonte, iar evenimentele de după acel punct sunt numite evenimente din aval.
Căile de semnalizare se pot complica foarte repede, deoarece majoritatea proteinelor celulare pot afecta diferite evenimente din aval, în funcție de condițiile din interiorul celulei. O singură cale se poate ramifica către puncte finale diferite pe baza interacțiunii dintre două sau mai multe căi de semnalizare și aceiași liganzi sunt adesea utilizați pentru a iniția semnale diferite în diferite tipuri de celule. Această variație a răspunsului se datorează diferențelor de exprimare a proteinelor în diferite tipuri de celule.
Un alt element de complicare este integrarea semnalului în cadrul căilor de semnalizare, în care semnalele de la doi sau mai mulți receptori diferiți de la suprafața celulei se combină pentru a activa același răspuns în celulă. Acest proces poate asigura că sunt îndeplinite mai multe cerințe externe înainte ca o celulă să se angajeze la un răspuns specific.
Efectele semnalelor extracelulare pot fi, de asemenea, amplificate de cascade enzimatice. La inițierea semnalului, un singur ligand se leagă de un singur receptor. Cu toate acestea, activarea unei enzime legate de receptor poate activa multe copii ale unei componente a cascadei de semnalizare, care amplifică semnalul.
Comunicarea celulară: molecule de semnalizare
Există două tipuri de comunicare în lumea celulelor vii: semnalizarea intercelulară și semnalizarea intracelulară [...]
Metode de semnalizare intracelulară
Una dintre cele mai frecvente modificări chimice care apar în căile de semnalizare este adăugarea unei grupări fosfat (PO4-3) la o moleculă, cum ar fi o proteină, într-un proces numit fosforilare. Fosfatul poate fi adăugat la o nucleotidă cum ar fi GMP pentru a forma GDP sau GTP. Fosfații sunt, de asemenea, adesea adăugați la reziduurile de serină, treonină și tirozină ale proteinelor, unde înlocuiesc gruparea hidroxil a aminoacidului (Figura 1).
Transferul fosfatului este catalizat de o enzimă numită kinază. Diverse kinaze sunt denumite după substratul pe care îl fosforilează. Fosforilarea reziduurilor de serină și treonină activează adesea enzimele. Fosforilarea reziduurilor de tirozină poate fie afecta activitatea unei enzime, fie poate crea un situs de legare care interacționează cu componentele din aval din cascada de semnalizare. Fosforilarea poate activa sau inactiva enzimele, iar inversarea fosforilării, defosforilarea de către o fosfatază, va inversa efectul.
Figura 1 – În fosforilarea proteinelor, o grupare fosfat este adăugată la reziduurile aminoacizilor serină, treonină și tirozină.
Mesageri secundari
Mesagerii secundari sunt molecule mici care propagă un semnal după ce acesta a fost inițiat prin legarea moleculei de semnalizare la receptor. Aceste molecule ajută la răspândirea unui semnal prin citoplasmă prin modificarea comportamentului anumitor proteine celulare.
Ionul de calciu este un mesager secundar utilizat pe scară largă. Concentrația liberă a ionilor de calciu (Ca2+) într-o celulă este foarte scăzută, deoarece pompele ionice din membrana plasmatică folosesc continuu adenozin-5’-trifosfatul (ATP) pentru a elimina acest ion. În scopuri de semnalizare, Ca2+ este stocat în veziculele citoplasmatice, cum ar fi reticulul endoplasmatic, sau accesat din exteriorul celulei. Când are loc semnalizarea, canalele ionice de calciu dependente de ligand permit nivelurilor mai mari de Ca2+ care sunt prezente în afara celulei (sau în compartimentele de stocare intracelulare) să curgă în citoplasmă, ceea ce crește concentrația de calciu citoplasmatic.
Răspunsul la creșterea Ca2+ variază, în funcție de tipul celular implicat. De exemplu, în celulele β ale pancreasului, semnalizarea Ca2+ duce la eliberarea de insulină, iar în celulele musculare, o creștere a calciului duce la contracții musculare.
Un alt mesager secundar utilizat în multe tipuri de celule diferite este AMP ciclic (AMPc). AMP ciclic este sintetizat din ATP de către enzima adenilil-ciclază (Figura 2). Rolul principal al AMPc în celule este de a se lega și de a activa o enzimă numită kinază dependentă de AMPc (A-kinaza). A-kinaza reglează multe căi metabolice vitale: fosforilează reziduurile de serină și treonină ale proteinelor sale țintă, activându-le în acest proces. A-kinaza se găsește în multe tipuri diferite de celule, iar proteinele țintă din fiecare tip de celulă sunt diferite. Diferențele dau naștere la variația răspunsurilor la AMPc în diferite celule.
Figura 2 – Mecanismul de formare a AMP ciclic (AMPc). AMPc servește ca mesager secundar pentru a activa sau inactiva proteinele din interiorul celulei. Terminarea semnalului are loc atunci când o enzimă numită fosfodiesterază transformă AMPc în AMP.
Prezente în concentrații mici în membrana plasmatică, inozitol-fosfolipidele sunt lipide care pot fi, de asemenea, transformate în mesageri secundari. Deoarece aceste molecule sunt componente ale membranei, ele sunt situate în apropierea receptorilor legați de membrană și pot interacționa cu ușurință cu ei. Fosfatidilinozitolul (PI) este principala fosfolipidă care joacă un rol în semnalizarea celulară. Kinazele fosforilează PI pentru a forma PI-fosfat (PIP) și PI-bisfosfat (PIP2).
Enzima denumită fosfolipază C scindează PIP2 pentru a forma diacilglicerol (DAG) și inozitol-trifosfat (IP3) (Figura 3). Aceste produse ale clivajului PIP2 servesc ca mesageri secundari. Diacilglicerolul (DAG) rămâne în membrana plasmatică și activează protein-kinaza C (PKC), care apoi fosforilează reziduurile de serină și treonină din proteinele sale țintă. IP3 difuzează în citoplasmă și se leagă de canalele de calciu dependente de liganzi din reticulul endoplasmatic pentru a elibera ionii de calciu, care continuă propagarea semnalului.
Figura 3 – Enzima fosfolipaza C descompune PIP2 în IP3 și DAG, ambele servind ca mesageri secundari
Sursa (text și ilustrații): OpenStax
Mary Ann Clark, Matthew Douglas, Jung Choi (2018). Cell Communication, din Biology for AP® Courses. Houston, Texas, S.U.A.: OpenStax. Preluat de pe https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/9-2-propagation-of-the-signal