BUNĚČNÁ KOMUNIKACE: TYPY, VÝZNAM, PŘÍKLADY - BIOLOGIE - 2025

Mobilní komunikace, tzv intercelulární komunikace, je přenos extracelulárních signálních molekul. Tyto molekuly začínají z buňky generující signál a vážou se na receptory v cílové buňce, čímž se vytváří specifická odpověď.

Signální molekula může být malá molekula (například: aminokyselina), peptid nebo protein. Proto je komunikace, která je chemická, charakteristikou jednobuněčných a mnohobuněčných organismů.

Zdroj: pixabay.com

V bakteriích jsou signální molekuly bakteriální feromony. Jsou nezbytné pro funkce, jako je horizontální přenos genů, bioluminiscence, tvorba biofilmu a produkce antibiotik a patogenních faktorů.

U mnohobuněčných organismů může buněčná komunikace probíhat mezi buňkami, které sousedí, nebo mezi buňkami, které jsou oddělené. V druhém případě musí signální molekuly difundovat a cestovat na velké vzdálenosti. Mezi funkce signálů patří změny v genové expresi, morfologii a pohybu buněk.

Buněčná komunikace může být také prováděna extracelulárními vezikuly (EV), které se nazývají ektoomy a exosomy. Některé funkce EV jsou: modulace lymfocytů a makrofágů; řízení synaptické funkce; v krevních cévách a srdci, koagulace a angiogeneze; a RNA výměna.

Typy (systémy / mechanismy)

U bakterií existuje typ buněčné komunikace nazývaný snímání kvora, který sestává z chování, ke kterému dochází pouze tehdy, je-li hustota bakteriální populace vysoká. Snímání kvora zahrnuje produkci, uvolňování a následnou detekci vysokých koncentrací signálních molekul, nazývaných autoinduktory.

U jednobuněčných eukaryotů, jako je T. brucei, existuje také snímání kvora. U kvasinek dochází k sexuálnímu chování a diferenciaci buněk v reakci na feromonovou komunikaci a změny prostředí.

V rostlinách a zvířatech je použití extracelulárních signálních molekul, jako jsou hormony, neurotransmitery, růstové faktory nebo plyny, důležitým typem komunikace, která zahrnuje syntézu signální molekuly, její uvolňování, její transport do cílové buňky, detekci signál a specifická odezva.

Ve vztahu k transportu signální molekuly u zvířat určuje akční vzdálenost molekuly dva typy signálů: 1) autokrinní a parakrinní, které působí na stejnou buňku a na blízké buňky; a 2) endokrin, který působí na vzdálenou cílovou buňku, transportovaný krevním řečištěm.

Buněčná komunikace extracelulárními vesikuly je důležitým typem buněčné komunikace v eukaryotických organismech a Archaea.

Jak roste jednobuněčná eukaryotická nebo bakteriální populace, dosáhne dostatečného počtu buněk nebo kvora, které produkují koncentraci induktoru schopného vyvolat účinek v buňkách. To představuje mechanismus sčítání lidu.

U bakterií jsou známy tři typy systémů snímání kvora: jeden je gram-negativní; další gram-pozitivní; a další na gram negativní Vibrio harveyi.

U gramnegativních bakterií je autoinducerem acylovaný homoserin lakton. Tato látka je syntetizována enzymem typu LuxI a pasivně difunduje přes membránu a hromadí se v extracelulárním a intracelulárním prostoru. Po dosažení stimulační koncentrace je aktivována transkripce genů regulovaných QS.

V gramnegativních bakteriích jsou autoinduktory modifikované peptidy, které jsou exportovány do extracelulárního prostoru, kde interagují společně s membránovými proteiny. Dochází k fosforylační kaskádě, která aktivuje proteiny, které se vážou k DNA a řídí transkripci cílových genů.

Vibrio harveyi vyrábí dva autoinduktory označené HAI-1 a A1-2. HAI-1 je acylovaný lakton homoserin, ale jeho syntéza není závislá na LuxI. A1-2 je diester furanosylborátu. Obě látky působí fosforylační kaskádou podobnou jako u jiných gramnegativních bakterií. Tento typ QS řídí bioluminiscenci.

Chemická komunikace

Specifická vazba signální molekuly nebo ligandu na receptorový protein vede ke specifické buněčné odpovědi. Každý typ buňky má určité typy receptorů. I když určitý typ receptoru lze také nalézt v různých typech buněk a vyvolat různé reakce na stejný ligand.

Povaha signální molekuly určuje cestu, která bude použita pro vstup do buňky. Například hydrofobní hormony, jako jsou steroidy, difundují přes lipidovou dvojvrstvu a vážou se na receptory za vzniku komplexů, které regulují expresi specifických genů.

Plyny, jako je oxid dusnatý a oxid uhelnatý, difundují membránou a obecně aktivují cyklickou GMP produkující guanylylcyklázu. Většina signálních molekul je hydrofilních.

Jeho receptory se nacházejí na buněčném povrchu. Receptory fungují jako signální překladače, které mění chování cílové buňky.

Receptory buněčného povrchu jsou rozděleny na: a) receptory spojené s G proteinem; b) receptory s enzymatickou aktivitou, jako je tyrosinkináza; a c) receptory iontového kanálu.

Charakteristika receptorů spojených s G proteinem

Receptory spojené s G proteinem se nacházejí ve všech eukaryotech. Obecně se jedná o receptory se sedmi doménami, které procházejí membránou, s N-terminální oblastí směrem k vnější straně buňky a C-terminální oblastí směrem k vnitřní části buňky. Tyto receptory se sdružují s G proteinem, který převádí signály.

Když se ligand váže na receptor, aktivuje se G protein. To zase aktivuje efektorový enzym, který produkuje druhý intracelulární messenger, kterým může být cyklický adenosin monofosfát (cAMP), kyselina arachidonová, diacylglycerol nebo inositol-3-fosfát, který působí jako zesilovač signálu. počáteční.

Protein G má tři podjednotky: alfa, beta a gama. Aktivace G proteinu zahrnuje disociaci GDP z G proteinu a vazbu GTP na alfa podjednotku. V komplexu G _alfa- GTP se disociují od beta a gama podjednotek, konkrétně interagují s efektorovými proteiny a aktivují je.

Cesta cAMP může být aktivována beta-adrenergními receptory. CAMP je produkován adenylylcyklázou. Fosfoinozitolová cesta je aktivována muskarinovými acetylcholinovými receptory. Aktivují fosfolipázu C. Dráha kyseliny arachidonové je aktivována histaminovým receptorem. Aktivuje fosfolipázu A2.

Cesta CAMP

Vazba ligandu na receptor, stimulační protein G (G _y), vázaný k HDP, způsobí, že výměna GDP za GTP a disociaci alfa podjednotky G _y z beta a gama podjednotek. G _alfa- GTP komplex se sdružuje s doménou adenylcyklázy, aktivuje enzym a produkuje cAMP z ATP.

CAMP se váže na regulační podjednotky proteinové kinázy závislé na cAMP. Uvolňuje katalytické podjednotky, které fosforylují proteiny, které regulují buněčné odpovědi. Tato cesta je regulována dvěma typy enzymů, jmenovitě fosfodiesterázami a proteinovými fosfatázami.

Fosfoinositolová cesta

Vazba ligandu na receptor aktivuje G protein (_Gq), který aktivuje fosfolipázu C (PLC). Tento enzym štěpí fosfatidyl inositol 1,4,5-bisfosfát (PIP ₂) na dva druhé posly, inositol 1,4,5-trifosfát (IP ₃) a diacylglycerol (DAG).

IP ₃ difunduje do cytoplazmy a váže se na receptory v endoplazmatickém retikulu, což způsobuje uvolňování Ca ⁺² zevnitř. DAG zůstává v membráně a aktivuje proteinkinázu C (PKC). Některé izoformy PKC vyžadují Ca ⁺².

Cesta kyseliny arachidonové

Vazba ligandu na receptor vede beta a gama podjednotky proteinu G pro aktivaci fosfolipázy ₂ (PLA ₂). Tento enzym hydrolyzuje fosfatidylinositol (PI) v plazmatické membráně a uvolňuje kyselinu arachidonovou, která je metabolizována různými cestami, jako je 5 a 12-lipoxygenáza a cyklooxygenáza.

Charakteristika receptorové tyrosinkinázy

Receptorová tyrosinkináza (RTK) má extracelulární regulační domény a intracelulární katalytické domény. Na rozdíl od receptoru spojeného s G-proteinem protíná polypeptidový řetězec receptorové tyrosinkinázy plazmatickou membránu pouze jednou.

Vazba ligandu, který je hormonem nebo růstovým faktorem, na regulační doménu způsobuje asociaci dvou receptorových podjednotek. To umožňuje autofosforylaci receptoru na zbytku tyrosinu a aktivaci fosforylační kaskády proteinu.

Fosforylované zbytky tyrosinu receptorové tyrosinkinázy (RTK) interagují s proteiny adaptoru, které spojují aktivovaný receptor se složkami signální transdukční dráhy. Adaptorové proteiny slouží k tvorbě multiproteinových signálních komplexů.

RTK se váže na různé peptidy, jako například: epidermální růstový faktor; růstové faktory fibroblastů; růstové faktory mozku; nervový růstový faktor; a inzulín.

Obecné vlastnosti přijímačů

Aktivace povrchových receptorů vede ke změnám ve fosforylaci proteinu aktivací dvou typů proteinových kináz: tyrosinkinázy a serinových a threoninových kináz.

Serinové a threoninové kinázy jsou: proteinová kináza závislá na cAMP; proteinová kináza závislá na cGMP; protein kináza C; a protein závislý na Ca ^{+ 2} / kalmodulinu. V těchto proteinových kinázách, s výjimkou kinázy závislé na cAMP, se katalytická a regulační doména nachází ve stejném polypeptidovém řetězci.

Druhý posel se váže na tyto serinové a threoninové kinázy a aktivuje je.

Charakteristika receptorů, které jsou iontovými kanály

Receptory iontového kanálu mají následující vlastnosti: a) vedou ionty; b) rozpoznat a vybrat konkrétní ionty; c) otevírání a zavírání v reakci na chemické, elektrické nebo mechanické signály.

Receptory iontového kanálu mohou být monomery nebo to mohou být heteroligomery nebo homoligomery, jejichž oblasti polypeptidového řetězce procházejí plazmatickou membránou. Existují tři rodiny iontových kanálů: a) ligandové hradlové kanály; b) mezerové spojovací kanály; a c) napěťové kanály závislé na Na ⁺.

Některé příklady receptorů iontového kanálu jsou receptory acetylcholinu s neuromuskulárním spojením a ionotropní glutamátové receptory, NMDA a non-NMDA, v centrálním nervovém systému.

Komunikace přes extracelulární vezikuly

Extracelulární vezikuly (EV) jsou směsí ektosomů a exosomů, které jsou odpovědné za přenos biologické informace (RNA, enzymy, reaktivní kyslíkové sloučeniny atd.) Mezi buňkou a buňkou. Původ obou vezikul je odlišný.

Ektozomy jsou vezikuly produkované klíčením z plazmatické membrány, následované jejich separací a uvolněním do extracelulárního prostoru.

Nejprve dochází k seskupování membránových proteinů do diskrétních domén. Potom proteinové lipidové kotvy akumulují cytosolické proteiny a RNA v lumen, čímž rostou pupeny.

Exozomy jsou vezikuly, které se tvoří z multivesikulárních těl (MVB) a jsou uvolňovány exocytózou do extracelulárního prostoru. MVB jsou pozdní endozomy, ve kterých jsou intraluminální vezikuly (ILV). MVB mohou fúzovat s lysosomy a pokračovat v degradační dráze nebo uvolňovat ILVS jako exosomy prostřednictvím exocytózy.

EV interagují s cílovou buňkou různými způsoby: 1) zmizením EV membrány a uvolněním aktivních faktorů v ní; 2) EVs navazují kontakt s povrchem cílové buňky, kterou fúzují, uvolňující jejich obsah v cytosolu; a 3) EV jsou zachyceny výhradně makropinocytózou a fagocytózou.

Důležitost

Široká škála funkcí samotné mezibuněčné komunikace naznačuje její důležitost. Některé příklady ilustrují důležitost různých typů buněčné komunikace.

- Význam snímání kvora. QS reguluje různé procesy, jako je virulence v rámci druhu, nebo mikroorganismy různých druhů nebo rodů. Například jeden kmen Staphylococcus aureus používá signální molekulu při snímání kvora k infikování hostitele a inhibuje tomu jiné kmeny S. aureus.

- Význam chemické komunikace. Chemické značení je nezbytné pro přežití a reprodukční úspěch mnohobuněčných organismů.

Například programovaná buněčná smrt, která reguluje mnohobuněčný vývoj, odstraňuje celé struktury a umožňuje vývoj specifických tkání. To vše je zprostředkováno trofickými faktory.

- Význam EV. Hrají důležitou roli při cukrovce, zánětu a neurodegenerativních a kardiovaskulárních onemocněních. EV normálních buněk a rakovinných buněk se velmi liší. EV mohou nést faktory, které podporují nebo potlačují fenotyp rakoviny v cílových buňkách.

Reference

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., a kol. 2007. Molekulární biologie buňky. Garland Science, New York.
2. Bassler, BL 2002. Small Talk: Cell-to-cell communication in Bacteria. Cell, 109: 421-424.
3. Cocucci, E. a Meldolesi, J. 2015. Ektosomy a exosomy: zbavují zmatek mezi extracelulárními vesikulami. Trends in Cell Biology, xx: 1-9.
4. Kandel, E., Schwarts, JH, a Jessell, T., 2000. Principles of Neural Science. McGraw-Hill USA.
5. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Buněčná a molekulární biologie. Editorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogota, Caracas, Madrid, Mexiko, Sāo Paulo.
6. Pappas, KM, Weingart, CL, Winans, SC 2004. Chemická komunikace v proteobakteriích: biochemické a strukturální studie signálních syntáz a receptorů požadovaných pro mezibuněčnou signalizaci. Molecular Microbiology, 53: 755–769.
7. Perbal, B. 2003. Klíčem je komunikace. Buněčná komunikace a signalizace. Editorial, 1-4.