Główna zawartość
Kurs: Biologia > Rozdział 14
Lekcja 1: Jak komórki wysyłają sygnały do siebie wzajemnieLigandy & receptory
Rodzaje cząsteczek sygnałowych i receptorów, z którymi się wiążą na komórkach docelowych. Receptory wewnątrzkomórkowe, kanały jonowe bramkowane przekaźnikami, receptory sprzężone z białkiem G i receptory kinazy tyrozynowej. Tłumaczenie na język polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".
Wprowadzenie
Tak jak podróż tysiąca mil zaczyna się od jednego kroku, tak złożona ścieżka sygnalizacyjna wewnątrz komórki rozpoczyna się od jednego kluczowego zdarzenia - wiązania cząsteczki sygnalizacyjnej, ligandu, z cząsteczką odbiorczą, receptorem.
Receptory i ligandy występują w wielu formach, ale wszystkie mają jedną wspólną cechę: występują w ściśle dopasowanych parach, z receptorem rozpoznającym tylko jeden (lub kilka) specyficznych ligandów, i ligandem wiążącym się tylko z jednym (lub kilkoma) docelowymi receptorami. Wiązanie ligandu z receptorem zmienia jego kształt lub aktywność, umożliwiając mu przekazanie sygnału lub bezpośrednie wywołanie zmiany w komórce
W tej sekcji przyjrzymy się różnym rodzajom receptorów i ligandów, sprawdzając, jak one działają, aby przekształcić informacje spoza komórki w zmianę wewnątrz komórki.
Rodzaje receptorów
Istnieje wiele rodzajów receptorów, ale można je podzielić na dwie kategorie: receptory wewnątrzkomórkowe, które znajdują się wewnątrz komórki (w cytoplazmie lub jądrze komórkowym) oraz receptory powierzchniowe, które znajdują się w błonie komórkowej.
Receptory wewnątrzkomórkowe
Receptory wewnątrzkomórkowe to białka receptorowe znajdujące się wewnątrz komórki, zazwyczaj w cytoplazmie lub jądrze komórkowym. W większości przypadków ligandy receptorów wewnątrzkomórkowych są małymi, hydrofobowymi (nielubiącymi wody) cząsteczkami, ponieważ muszą one być w stanie przejść przez błonę plazmatyczną, aby dotrzeć do swoich receptorów. Na przykład do receptorów wewnątrzkomórkowych należą główne receptory dla hydrofobowych hormonów steroidowych, takich jak hormony płciowe estradiol (estrogen) i testosteron
Kiedy hormon wchodzi do komórki i wiąże się z receptorem, powoduje to zmianę kształtu receptora, umożliwiając kompleksowi receptor-hormon dostanie się do jądra (jeśli jeszcze go tam nie było) i reguluje aktywność genów. Związanie hormonu odsłania regiony receptora, które mają zdolność wiązania DNA, co oznacza, że mogą przyłączać się do określonych sekwencji DNA. Sekwencje te znajdują się obok określonych genów w DNA komórki, a gdy receptor wiąże się obok tych genów, zmienia ich poziom transkrypcji.
Wiele szlaków sygnałowych, obejmujących zarówno receptory wewnątrzkomórkowe, jak i powierzchniowe, powoduje zmiany w transkrypcji genów. Jednak receptory wewnątrzkomórkowe są wyjątkowe, ponieważ powodują te zmiany bardzo bezpośrednio, wiążąc się z DNA i zmieniając samą transkrypcję.
Receptory powierzchniowe
Receptory powierzchniowe to białka zakotwiczone w błonie, które wiążą się z ligandami na zewnętrznej powierzchni komórki. W tego rodzaju sygnalizacji ligand nie musi przechodzić przez błonę plazmatyczną. Tak więc ligandami może być wiele różnych rodzajów cząsteczek (w tym duże, hydrofilowe, czyli „lubiące wodę”).
Typowy receptor powierzchniowy komórki ma trzy różne domeny (regiony białkowe): domenę zewnątrzkomórkową („poza komórką”) wiążącą ligand, domenę hydrofobową rozciągającą się przez błonę i domenę wewnątrzkomórkową („wewnątrz komórki” ), która często przesyła sygnał. Rozmiar i struktura tych regionów może się bardzo różnić w zależności od rodzaju receptora, a region hydrofobowy może składać się z wielu odcinków aminokwasów przebijających błonę.
Istnieje wiele rodzajów receptorów na powierzchni komórki, ale tutaj przyjrzymy się trzem najbardziej powszechnym: receptorom jonotropowym, receptorom sprzężonym z białkami G i receptorowi kinazy tyrozynowej.
Receptor jonotropowy
Receptory jonotropowe (kanały jonowe bramkowane przekaźnikiem) to kanały jonowe, które mogą się otwierać w odpowiedzi na wiązanie ligandu. Aby utworzyć kanał, ten typ receptora powierzchniowego ma region przeszywający błonę z kanałem hydrofilowym (lubiącym wodę) po środku. Kanał pozwala jonom na przenikanie przez błonę bez konieczności kontaktu z hydrofobowym rdzeniem dwuwarstwy fosfolipidowej.
Gdy ligand wiąże się z zewnątrzkomórkowym regionem kanału, struktura białka zmienia się w taki sposób, że jony określonego typu, takie jak
Receptory sprzężone z białkami G
Receptory sprzężone z białkami G (GPCRs) to duża rodzina receptorów na powierzchni komórki, które mają wspólną strukturę i metodę sygnalizacji. Członkowie rodziny GPCR mają siedem różnych segmentów białkowych, które przechodzą przez błonę, i przekazują sygnały do wewnątrz komórki przez rodzaj białka zwanego białkiem G (więcej szczegółów poniżej).
GPCR są różnorodne i wiążą wiele różnych rodzajów ligandów. Jedną szczególnie interesującą klasą GPCR są receptory węchowe (zapachowe). U ludzi jest ich około
Gdy ligand nie jest obecny, receptor sprzężony z białkiem G czeka na błonie plazmatycznej w stanie nieaktywnym. W przypadku niektórych rodzajów GPCR, nieaktywny receptor jest już związany z białkiem G
Istnieją różne rodzaje białek G, ale wszystkie wiążą guanozyno-5′-trifosforan (GTP), który mogą rozkładać (hydrolizować) do GDP. Białko G związane z GTP jest aktywne („włączone”), podczas gdy białko G związane z GDP jest nieaktywne („wyłączone”). Białka G, które łączą się z GPCR, są złożone z trzech podjednostek, znanych jako heterotrimeryczne białka G. Kiedy są związane z nieaktywnym receptorem, są w formie „wyłączonej” (związanej z GDP).
Wiązanie ligandu zmienia jednak obraz: GPCR jest aktywowany i powoduje, że białko G wymienia GDP na GTP. Aktywne białko G dzieli się na dwie części (jedna zwana podjednostką α, druga składająca się z podjednostek β i γ), które odłączają się od GPCR. Podjednostki mogą oddziaływać z innymi białkami, wyzwalając szlak sygnałowy, który prowadzi do odpowiedzi.
Ostatecznie podjednostka α zhydrolizuje GTP z powrotem do GDP, i w tym samym momencie białko G stanie się nieaktywne. Nieaktywne białko G ponownie wiąże się z GPCR jako trzyczęściowa jednostka. Sygnalizacja komórkowa za pomocą receptorów sprzężonych z białkiem G to cykl, który może powtarzać się w kółko w odpowiedzi na wiązanie ligandu.
Receptory sprzężone z białkami G odgrywają wiele różnych ról w ludzkim ciele, a zakłócenie sygnalizacji GPCR może powodować choroby.
Receptor kinazy tyrozynowej
Receptory związane z enzymem to receptory na powierzchni komórki z domenami wewnątrzkomórkowymi związanymi z enzymem. W niektórych przypadkach, wewnątrzkomórkowa domena receptora jest w rzeczywistości samym enzymem, który może katalizować reakcję. Inne receptory związane z enzymem mają domenę wewnątrzkomórkową, która oddziałuje z enzymem
Receptory kinazy tyrozynowej (RTK) to klasa receptorów sprzężonych z enzymem, występująca u ludzi i wielu innych gatunków. Kinaza to nazwa enzymu, który przenosi grupy fosforanowe do białka lub innego celu, a receptor kinazy tyrozynowej przenosi grupy fosforanowe konkretnie do aminokwasu - tyrozyny.
Jak działa sygnalizacja RTK? Zazwyczaj, cząsteczki sygnałowe najpierw wiążą się z domenami zewnątrzkomórkowymi dwóch pobliskich receptorów kinaz tyrozynowych. Dwa sąsiednie receptory łączą się ze sobą lub dimeryzują. Receptory następnie przyłączają fosforany do tyrozyn w domenach wewnątrzkomórkowych. Fosforylowana tyrozyna może przekazywać sygnał do innych cząsteczek w komórce.
W wielu przypadkach fosforylowane receptory służą jako platforma dokująca dla innych białek, które zawierają specjalne typy domen wiążących. Domeny te posiadają różnorodne białka, a gdy jedno z nich zwiąże się, może zainicjować kaskadę sygnałową, która prowadzi do odpowiedzi komórkowej
Receptory kinazy tyrozynowej są kluczowe dla wielu procesów sygnalizacyjnych u ludzi. Na przykład, wiążą się z czynnikami wzrostu, cząsteczkami sygnalizacyjnymi, które promują podział i przeżycie komórek. Czynniki wzrostu obejmują płytkopochodny czynnik wzrostu (PDGF), który bierze udział w gojeniu się ran, oraz czynnik wzrostu nerwów (NGF), który musi być stale dostarczany do niektórych rodzajów neuronów, aby utrzymać je przy życiu
Rodzaje ligandów
Ligandy, które są wytwarzane przez komórki sygnałowe i oddziałują z receptorami w komórkach docelowych, występują w wielu różnych odmianach. Niektóre są białkami, inne są cząsteczkami hydrofobowymi (np. steroidy), a jeszcze inne są gazami (np. tlenek azotu). Tutaj przyjrzymy się kilku przykładom różnych rodzajów ligandów.
Ligandy, które mogą wniknąć do komórki
Małe, hydrofobowe ligandy mogą przechodzić przez błonę plazmatyczną i wiązać się z receptorami wewnątrzkomórkowymi w jądrze lub cytoplazmie. W ludzkim ciele jedne z najważniejszych ligandów tego typu to hormony steroidowe.
Hormony steroidowe to m.in. żeński hormon płciowy - estradiol, który jest rodzajem estrogenu, oraz męski hormon płciowy - testosteron. Witamina D, cząsteczka syntetyzowana w skórze przy wykorzystaniu energii ze światła, jest kolejnym przykładem hormonu steroidowego. Ponieważ cząsteczki te są hydrofobowe, hormony te nie mają problemów z przenikaniem przez błonę plazmatyczną, ale muszą wiązać się z białkami nośnikowymi, aby migrować w układzie krwionośnym (środowisko wodne).
Tlenek azotu (NO) to gaz, który działa jako ligand. Podobnie jak hormony steroidowe, dzięki niewielkim rozmiarom może dyfundować bezpośrednio przez błonę plazmatyczną. Jedną z jego kluczowych ról jest aktywacja szlaku sygnałowego w mięśniach gładkich otaczających naczynia krwionośne, w celu rozluźnienia mięśni i umożliwienia rozszerzania się naczyń krwionośnych. W rzeczywistości lek nitrogliceryna leczy choroby serca, wyzwalając uwalnianie NO, rozszerzając naczynia krwionośne w celu przywrócenia przepływu krwi do serca.
NO stał się ostatnio bardziej popularny, ponieważ w szlak, na który wpływa, celują leki na zaburzenia erekcji, takie jak Viagra.
Ligandy, które wiążą się na zewnątrz komórki
Ligandy rozpuszczalne w wodzie są polarne lub posiadają ładunek i nie mogą łatwo przedostać się przez błonę plazmatyczną. Tak więc większość tych ligandów wiąże się z zewnątrzkomórkowymi domenami receptorów na powierzchni komórki, pozostając na zewnętrznej powierzchni komórki.
Ligandy peptydowe (białka) stanowią największą i najbardziej różnorodną klasę ligandów rozpuszczalnych w wodzie. Na przykład do tej kategorii należą czynniki wzrostu, hormony (np. insulina) i niektóre neuroprzekaźniki. Ligandy peptydowe mogą mieć długość od zaledwie kilku aminokwasów, jak enkefaliny uśmierzające ból, do nawet stu lub więcej aminokwasów
Jak wspomniano powyżej, niektóre neuroprzekaźniki to białka. Jednak wiele innych neuroprzekaźników to małe, hydrofilowe (lubiące wodę) cząsteczki organiczne. Niektóre neuroprzekaźniki to standardowe aminokwasy, takie jak glutaminian i glicyna, a inne są zmodyfikowanymi lub niestandardowymi aminokwasami.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji