BUNKOVÁ KOMUNIKÁCIA: TYPY, VÝZNAM, PRÍKLADY - BIOLÓGIE - 2026

Mobilná komunikácia , tzv intercelulárnej komunikácie, je prenos extracelulárnych signálnych molekúl. Tieto molekuly začínajú bunkou generujúcou signál a viažu sa na receptory v cieľovej bunke, čo vytvára špecifickú odpoveď.

Signálnou molekulou môže byť malá molekula (napríklad: aminokyselina), peptid alebo proteín. Komunikácia, ktorá je chemická, je preto charakteristická pre jednobunkové a mnohobunkové organizmy.

Zdroj: pixabay.com

V baktériách sú signálnymi molekulami bakteriálne feromóny. Sú potrebné pre funkcie, ako je horizontálny génový prenos, bioluminiscencia, tvorba biofilmu a výroba antibiotík a patogénnych faktorov.

V mnohobunkových organizmoch môže bunková komunikácia prebiehať medzi bunkami, ktoré susedia, alebo medzi bunkami, ktoré sú samostatné. V druhom prípade musia signálne molekuly difundovať a cestovať na veľké vzdialenosti. Medzi funkcie signálov patria zmeny v génovej expresii, morfológii a pohybe buniek.

Bunkovú komunikáciu môžu tiež uskutočňovať extracelulárne vezikuly (EV), ktoré sa nazývajú ektozómy a exozómy. Niektoré funkcie EV sú: modulácia lymfocytov a makrofágov; kontrola synaptickej funkcie; v krvných cievach a srdci, koagulácia a angiogenéza; a výmena RNA.

Typy (systémy / mechanizmy)

U baktérií existuje typ bunkovej komunikácie nazývaný snímanie kvora, ktoré pozostáva zo správania, ktoré sa vyskytuje iba pri vysokej hustote bakteriálnej populácie. Snímanie kvora zahŕňa výrobu, uvoľňovanie a následnú detekciu vysokých koncentrácií signálnych molekúl nazývaných autoinduktory.

V jednobunkových eukaryotoch, ako je T. brucei, existuje aj snímanie kvora. U kvasiniek dochádza k sexuálnemu správaniu a diferenciácii buniek v reakcii na feromónovú komunikáciu a zmeny prostredia.

U rastlín a živočíchov je použitie extracelulárnych signálnych molekúl, ako sú hormóny, neurotransmitery, rastové faktory alebo plyny, dôležitým typom komunikácie, ktorá zahŕňa syntézu signálnej molekuly, jej uvoľňovanie, jej transport do cieľovej bunky, detekciu signál a špecifická reakcia.

Vo vzťahu k transportu signálnej molekuly u zvierat určuje akčná vzdialenosť molekuly dva typy signálov: 1) autokrin a parakrin, ktoré pôsobia na tú istú bunku a na okolité bunky; a 2) endokrinný systém, ktorý pôsobí na vzdialenú cieľovú bunku a je transportovaný krvným riečiskom.

Bunková komunikácia pomocou extracelulárnych vezikúl je dôležitým typom bunkovej komunikácie v eukaryotických organizmoch a Archaea.

Ako rastie jednobunková eukaryotická alebo bakteriálna populácia, dosahuje dostatočný počet buniek alebo kvórum, ktoré produkujú koncentráciu induktora schopného vyvolať účinok v bunkách. Toto predstavuje mechanizmus sčítania ľudu.

V baktériách sú známe tri typy systémov snímania uznášaniaschopnosti: jeden je gramnegatívny; ďalší gram-pozitívny; a ďalšie na gram negatívne Vibrio harveyi.

V gramnegatívnych baktériách je autoinduktorom acylovaný homoserín laktón. Táto látka je syntetizovaná enzýmom typu LuxI a pasívne difunduje cez membránu a akumuluje sa v extracelulárnom a intracelulárnom priestore. Po dosiahnutí stimulačnej koncentrácie sa aktivuje transkripcia génov regulovaných pomocou QS.

V gramnegatívnych baktériách sú autoinduktory modifikované peptidy, ktoré sa exportujú do extracelulárneho priestoru, kde interagujú spolu s membránovými proteínmi. Vyskytuje sa fosforylačná kaskáda, ktorá aktivuje proteíny, ktoré sa viažu na DNA a kontrolujú transkripciu cieľových génov.

Vibrio harveyi vyrába dva autoinduktory označené ako HAI-1 a A1-2. HAI-1 je acylovaný laktónový homoserín, ale jeho syntéza nezávisí od LuxI. A1-2 je diester furanozylborátu. Obe látky pôsobia fosforylačnou kaskádou podobnou kaskáde iných gramnegatívnych baktérií. Tento typ QS riadi bioluminiscenciu.

Chemická komunikácia

Špecifická väzba signálnej molekuly alebo ligandu na receptorový proteín vedie k špecifickej bunkovej odpovedi. Každý typ bunky má určité typy receptorov. Aj keď určitý typ receptora možno nájsť aj v rôznych typoch buniek a produkujú rôzne reakcie na rovnaký ligand.

Povaha signálnej molekuly určuje cestu, ktorá sa použije na vstup do bunky. Napríklad hydrofóbne hormóny, ako sú steroidy, difundujú cez lipidovú dvojvrstvu a viažu sa na receptory za vzniku komplexov, ktoré regulujú expresiu špecifických génov.

Plyny, ako je oxid dusnatý a oxid uhoľnatý, difundujú cez membránu a všeobecne aktivujú cyklickú GMP produkujúcu guanylylcyklázu. Väčšina signálnych molekúl je hydrofilných.

Jeho receptory sa nachádzajú na bunkovom povrchu. Receptory pôsobia ako signálne prekladače, ktoré menia správanie cieľovej bunky.

Receptory bunkového povrchu sa delia na: a) receptory spojené s G proteínom; b) receptory s enzýmovou aktivitou, ako je tyrozínkináza; a c) receptory iónových kanálov.

Charakteristika receptorov spojených s G proteínom

Receptory spojené s G proteínom sa nachádzajú vo všetkých eukaryotoch. Všeobecne sú to receptory so siedmimi doménami, ktoré prechádzajú cez membránu, s N-terminálnou oblasťou smerom k vonkajšej časti bunky a C-terminálom smerom k vnútornej časti bunky. Tieto receptory sa spájajú s G proteínom, ktorý prekladá signály.

Keď sa ligand viaže na receptor, aktivuje sa G proteín. To zase aktivuje efektorový enzým, ktorý produkuje druhý intracelulárny posol, ktorým môže byť cyklický adenozínmonofosfát (cAMP), kyselina arachidónová, diacylglycerol alebo inozitol-3-fosfát, ktorý pôsobí ako zosilňovač signálu. počiatočné.

Proteín G má tri podjednotky: alfa, beta a gama. Aktivácia G proteínu zahrnuje disociáciu HDP od G proteínu a väzbu GTP na alfa podjednotku. V komplexe G _alfa- GTP sa disociujú z podjednotiek beta a gama, špecificky interagujú s efektorovými proteínmi a aktivujú ich.

Cesta cAMP môže byť aktivovaná beta-adrenergickými receptormi. CAMP je produkovaný adenylylcyklázou. Fosfoinozitolová dráha je aktivovaná muskarínovými acetylcholínovými receptormi. Aktivujú fosfolipázu C. Dráha kyseliny arachidónovej je aktivovaná histamínovým receptorom. Aktivuje fosfolipázu A2.

Cesta CAMP

Väzba ligandu na receptor, stimulačné proteín G (G _y ), viazaný k HDP, spôsobí, že výmena GDP za GTP a disociáciu alfa podjednotky G _y z beta a gama podjednotiek. G _alfa- GTP komplex sa spája s doménou adenylcyklázy, aktivuje enzým a produkuje cAMP z ATP.

CAMP sa viaže na regulačné podjednotky proteínovej kinázy závislej od cAMP. Uvoľňuje katalytické podjednotky, ktoré fosforylujú proteíny, ktoré regulujú bunkové reakcie. Túto dráhu regulujú dva typy enzýmov, a to fosfodiesterázy a proteínové fosfatázy.

Fosfoinozitolová dráha

Väzba ligandu na receptor aktivuje G proteín ( _Gq ), ktorý aktivuje fosfolipázu C (PLC). Tento enzým prestávky fosfatidylinozitol 1,4,5-bisfosfát (PIP ₂ ) do dvoch druhých poslov, inositol 1,4,5-trifosfát (IP ₃ ) a diacylglyceroly (DAG).

IP ₃ difunduje do cytoplazmy a viaže sa na receptory v endoplazmatickom retikule, čo spôsobí uvoľnenie Ca ⁺² zvnútra. DAG zostáva v membráne a aktivuje proteínkinázu C (PKC). Niektoré izoformy PKC vyžadujú Ca ⁺² .

Dráha kyseliny arachidónovej

Väzba ligandu na receptor vedie beta a gama podjednotky proteínu G pre aktiváciu fosfolipázy ₂ (PLA ₂ ). Tento enzým hydrolyzuje fosfatidylinozitol (PI) v plazmatickej membráne a uvoľňuje kyselinu arachidónovú, ktorá je metabolizovaná rôznymi cestami, ako je 5 a 12-lipoxygenáza a cyklooxygenáza.

Charakteristika receptorovej tyrozínkinázy

Receptorová tyrozínkináza (RTK) má extracelulárne regulačné domény a intracelulárne katalytické domény. Na rozdiel od receptora spojeného s G proteínom prechádza polypeptidový reťazec receptorovej tyrozínkinázy plazmatickou membránou iba raz.

Väzba ligandu, ktorý je hormónom alebo rastovým faktorom, na regulačnú doménu spôsobuje, že sa obidve receptorové podjednotky asociujú. To umožňuje autofosforyláciu receptora na tyrozínovom zvyšku a aktiváciu proteínovej fosforylačnej kaskády.

Fosforylované tyrozínové zvyšky receptorovej tyrozínkinázy (RTK) interagujú s proteínmi adaptéra, ktoré spájajú aktivovaný receptor so zložkami signálnej transdukčnej dráhy. Adaptérové ​​proteíny slúžia na vytvorenie multiproteínových signálnych komplexov.

RTK sa viaže na rôzne peptidy, ako napríklad: epidermálny rastový faktor; rastové faktory fibroblastov; faktory rastu mozgu; nervový rastový faktor; a inzulín.

Všeobecné vlastnosti prijímačov

Aktivácia povrchových receptorov vedie k zmenám fosforylácie proteínov aktiváciou dvoch typov proteínkináz: tyrozínkinázy a serínových a treonínkináz.

Serínové a treonínkinázy sú: proteín-kináza závislá od cAMP; proteínová kináza závislá na cGMP; proteínkináza C; a proteín závislý od Ca ⁺² / kalmodulínu. V týchto proteínových kinázach, s výnimkou kinázy závislej na cAMP, sa katalytická a regulačná doména nachádza v rovnakom polypeptidovom reťazci.

Druhý posol sa viaže na tieto serínové a treonínkinázy a aktivuje ich.

Charakteristika receptorov, ktoré sú iónovými kanálmi

Receptory iónového kanála majú nasledujúce charakteristiky: a) vedú ióny; b) rozpoznávať a vyberať konkrétne ióny; c) otvárať a zatvárať v reakcii na chemické, elektrické alebo mechanické signály.

Receptory iónového kanála môžu byť monoméry alebo to môžu byť heteroligoméry alebo homoligoméry, ktorých oblasti polypeptidového reťazca prechádzajú plazmatickou membránou. Existujú tri rodiny iónových kanálov: a) ligandové hradlové kanály; b) medzerové spojovacie kanály; a c) napäťové kanály závislé od Na ⁺ .

Niektoré príklady receptorov iónových kanálov sú neuromuskulárne receptory acetylcholínových spojov a ionotropné glutamátové receptory NMDA a non-NMDA v centrálnom nervovom systéme.

Komunikácia prostredníctvom extracelulárnych vezikúl

Extracelulárne vezikuly (EV) sú zmesou ektozómov a exozómov, ktoré sú zodpovedné za prenos biologických informácií (RNA, enzýmov, reaktívnych druhov kyslíka atď.) Medzi bunkou a bunkou. Pôvod oboch vezikúl je odlišný.

Ektozómy sú vezikuly produkované klíčením z plazmatickej membrány, nasledované ich separáciou a uvoľnením do extracelulárneho priestoru.

Najprv dôjde k zhlukovaniu membránových proteínov do diskrétnych domén. Potom proteínové lipidové kotvy akumulujú cytosolické proteíny a RNA v lúmene, čím rastú púčiky.

Exozómy sú vezikuly, ktoré sa tvoria z multivesikulárnych telies (MVB) a uvoľňujú sa exocytózou do extracelulárneho priestoru. MVB sú neskoré endozómy, v ktorých sú intraluminálne vezikuly (ILV). MVB môžu fúzovať s lyzozómami a pokračovať v degradačnej dráhe alebo uvoľňovať ILVS ako exozómy prostredníctvom exocytózy.

EV interagujú s cieľovou bunkou rôznymi spôsobmi: 1) zmiznutím EV membrány a uvoľnením aktívnych faktorov v nej; 2) EV vytvárajú kontakt s povrchom cieľovej bunky, ktorú fúzujú, uvoľňujúc jej obsah v cytosóle; a 3) EV sa zachytávajú výlučne makropinocytózou a fagocytózou.

dôležitosť

Samotná rozmanitosť funkcií samotnej medzibunkovej komunikácie naznačuje jej dôležitosť. Niektoré príklady ilustrujú dôležitosť rôznych typov celulárnej komunikácie.

- Dôležitosť snímania uznášaniaschopnosti. QS reguluje rôzne procesy, ako je virulencia v rámci druhu alebo mikroorganizmy rôznych druhov alebo rodov. Napríklad jeden kmeň Staphylococcus aureus používa signálnu molekulu pri snímaní kvora na infikovanie hostiteľa a inhibuje to iným kmeňom S. aureus.

- Dôležitosť chemickej komunikácie. Chemické značenie je nevyhnutné na prežitie a reprodukčný úspech mnohobunkových organizmov.

Napríklad programovaná bunková smrť, ktorá reguluje mnohobunkový vývoj, odstraňuje celé štruktúry a umožňuje vývoj špecifických tkanív. To všetko je sprostredkované trofickými faktormi.

- Dôležitosť EV. Zohrávajú dôležitú úlohu pri cukrovke, zápale a neurodegeneratívnych a kardiovaskulárnych chorobách. EV normálnych buniek a rakovinových buniek sa veľmi líšia. EV môžu niesť faktory, ktoré podporujú alebo potláčajú fenotyp rakoviny v cieľových bunkách.

Referencie

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., a kol. 2007. Molekulárna biológia bunky. Garland Science, New York.
2. Bassler, BL 2002. Small Talk: Komunikácia medzi bunkami v baktériách. Celí, 109: 421-424.
3. Cocucci, E. a Meldolesi, J. 2015. Ektozómy a exozómy: vylučuje zámenu medzi extracelulárnymi vezikulami. 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. Bunková a molekulárna biológia. Editorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogota, Caracas, Madrid, Mexiko, Sāo Paulo.
6. Pappas, KM, Weingart, CL, Winans, SC 2004. Chemická komunikácia v proteobaktériách: biochemické a štrukturálne štúdie signálnych syntáz a receptorov potrebných pre medzibunkovú signalizáciu. Molecular Microbiology, 53: 755 - 769.
7. Perbal, B. 2003. Kľúčom je komunikácia. Bunková komunikácia a signalizácia. Editorial, 1-4.