Definizione
Cella di segnalazione si riferisce alla capacità di una cellula di percepire informazioni dall’ambiente extracellulare e rispondere in modo appropriato. Questo è molto importante dato che il modo in cui la cellula risponde ha un impatto diretto su vari processi cellulari.,
Usando alcuni organismi unicellulari come esempio, devono essere in grado di percepire nutrienti o materiale tossico, ecc. Quando percepiscono la presenza di nutrienti, possono muoversi nella direzione dei nutrienti poiché il metabolismo è importante per la crescita e la riproduzione.
Inoltre, il rilevamento di materiali tossici consente loro di allontanarsi da essi o sviluppare meccanismi di coping che consentano loro di sopravvivere.,
Generally, information from the external environment comes in the form of signaling molecules known as ligands.
Some examples of ligands include:
- Some proteins – E.g., Bone Morphogenetic Proteins (BMP ligands) and hormones like insulin
- Hydrophobic molecules like steroids
- Ions like calcium ions
- Some gases – E.g. nitric oxide
Four Steps of Cell Signaling
While cell receptors and the type of signaling molecules may vary, a similar pattern is evident it comes to cell signaling., Questa sezione si concentrerà su quattro (4) fasi/passaggi principali che sono presenti in diversi percorsi di segnalazione cellulare.,ussi:
a – ligando viene rilevato e si lega al recettore delle cellule sulla superficie cellulare
b – ligando cause cambiamento conformazionale del recettore e risultati nella produzione di relè di molecole
c – Il relè di molecole che agiscono come messaggeri secondari, portare le informazioni al sito di destinazione e di influenzare la risposta cellulare (e.,g. l’espressione del gene per produrre proteine ecc)
Fase 1: Reception
la ricezione del Segnale è il primo passo di segnalazione delle cellule e comporta la rilevazione di molecole di segnalazione provenienti dall’ambiente extracellulare. Qui, le molecole (ligandi) vengono rilevate quando si legano ai recettori cellulari.,
Nei rispettivi ambienti, diversi tipi di cellule (organismi unicellulari, cellule di organismi multicellulari, ecc.) entrano in contatto con diversi tipi di segnali, la maggior parte dei quali sono di natura chimica. Affinché il segnale venga trasdotto nel percorso di segnalazione intracellulare, deve verificarsi la ricezione della molecola/ligando di segnalazione.
Generalmente, ci sono due meccanismi attraverso i quali questo può essere raggiunto., Uno di questi meccanismi comporta il legame delle molecole/ligandi ai recettori situati sulla superficie della cellula.
A causa delle diverse funzioni cellulari, in particolare negli organismi multicellulari, i loro recettori sono specifici per determinate molecole che influenzano le loro risposte.
Mentre i recettori della dopamina situati su alcune cellule del sistema nervoso legano specificamente la dopamina, i recettori dell’insulina presenti sulla superficie di molte cellule del corpo legano l’insulina., Qui, i recettori accoppiati alla proteina G (GPCR) e i recettori legati all’enzima sono due dei tipi più comuni di recettori che si legano a diversi tipi di ligandi chimici.
Oltre a legarsi ai recettori cellulari, alcuni dei ligandi passano o si diffondono attraverso la membrana cellulare che consente loro di entrare nella cellula e legarsi ai recettori situati nel nucleo o nel citoplasma. Qui, i ligandi ottengono l’ingresso nella cellula attraverso canali ligando-gated noti anche come recettori ionotropici.,
Come suggerisce il nome, questi canali consentono il passaggio di ioni come calcio, sodio e potassio. Questi tipi di recettori possono essere trovati nelle cellule nervose e hanno dimostrato di lavorare insieme ad altri tipi di recettori e segnali.
Affinché i canali si aprano (ad esempio alla giunzione neuromuscolare), un altro segnale deve legarsi al recettore. Questo influenza i recettori del canale per aprire che a sua volta permette il movimento di ioni.,
Fase 2: Induzione
Trasduzione è il secondo passo di segnalazione delle cellule e coinvolge il legame di molecole di segnalazione del recettore, che a sua volta innesca una serie di eventi nel pathway di trasduzione. Oltre ad alcuni dei ligandi (ad esempio ioni) che effettivamente entrano nella cellula attraverso la membrana cellulare,la maggior parte dei ligandi non entrano nella cellula perché sono troppo grandi ecc.,
Per questo motivo, le loro attività influenzano solo i recettori a cui si legano, causando cambiamenti conformazionali ai recettori che a loro volta influenzano una cascata di eventi attraverso i quali le informazioni vengono comunicate nella cellula.
Il cambiamento conformazionale dei recettori (proteine transmembrana) dopo che si legano ai ligandi è importante dato che consente loro di rilasciare segnali (segnali chimici) nella cellula o di legarsi ad altri componenti all’interno della cellula.,
Ad esempio, a seguito di questa attivazione (cambiamento di forma), il recettore può legarsi a proteine come la proteina G che si trova tipicamente sulla superficie interna della membrana. Di conseguenza, la proteina viene attivata per attaccarsi ad un’altra proteina attaccata alla membrana (ad esempio un enzima) causando un cambiamento conformazionale.
Di conseguenza, l’enzima rilascia una molecola di segnalazione (ad esempio cAMP) in grado di diffondersi nella cellula dove può interagire con il componente bersaglio per avviare una risposta., In questo caso, il CAMPO agisce come il secondo messaggero mentre il ligando (ligando che prima legato al recettore cellulare) è il messaggero primario.
Dato che il secondo o recettore secondario serve ad amplificare il messaggio che è stato presentato dal ligando, agisce anche come messaggero.
Vale anche la pena notare che in seguito al legame del ligando al recettore, molti messaggeri secondari sono prodotti all’interno della cellula (il segnale è amplificato nella cellula)., Per questo motivo, la cellula non richiede necessariamente una quantità elevata di ligandi per avviare una risposta. Ciò significa che per ogni ligando che si lega al recettore, vengono prodotti molti messaggeri secondari.
Per alcune cellule, il legame del ligando con il recettore provoca cambiamenti di conformazione del recettore che rilascia una molecola relè nella cellula (ad esempio in una cascata di fosforilazione). La molecola continua quindi ad interagire con altre proteine intracellulari in quella che è nota come una cascata di fosforilazione.,
Qui, le molecole scambiano gruppi fosfatici in una reazione a catena, consentendo al segnale di attivare il componente bersaglio e avviare una reazione cellulare. In un’endocitosi mediata dal recettore, le molecole di segnale si attaccano prima ai recettori seguiti dall’invaginazione della membrana in cui i recettori e le molecole di segnale sono contenuti in una fossa che forma una vescicola. Ciò consente alle molecole di essere trasportate nella cellula dove vengono rilasciate dalle vescicole e raggiungono il componente bersaglio.,
A differenza delle molecole di segnalazione, i recettori vengono trasportati indietro alla membrana dove il processo può essere ripetuto. Nel caso in cui i recettori siano nel citoplasma o nel nucleo, tali molecole di segnale come l’ossido nitrico passano semplicemente attraverso la membrana per legare questi recettori. Qui, tuttavia, la maggior parte di questi segnali è probabile che passino solo se sono di piccole dimensioni e non polari.,
Passo 3: Risposta
Il terzo passo della segnalazione cellulare riguarda le risposte cellulari specifiche alle informazioni presentate dalla molecola di segnalazione. Come già accennato, la segnalazione cellulare si riferisce al processo attraverso il quale una cellula è in grado di percepire le informazioni e rispondere in modo appropriato.
Nella terza fase della segnalazione cellulare, la cella può rispondere in diversi modi a seconda del segnale ricevuto., Mentre la cellula può semplicemente rispondere aumentando o diminuendo il processo metabolico attraverso l’assunzione aumentata o diminuita di glucosio, la risposta può anche comportare la regolazione dell’espressione genica in cui determinati geni vengono attivati o disattivati a seconda di determinati processi. In definitiva, tuttavia, la cella deve rispondere in modo appropriato al segnale.,
Usando il metabolismo come esempio, un aumento dell’adenosina monofosfato ciclico (cAMP) nella cellula attiva l’enzima Chinasi A che è coinvolto nella fosforilazione di due enzimi (fosforilasi chinasi e glicogeno sintasi).
Mentre l’enzima fosforilasi chinasi è coinvolto nella conversione del glicogeno in glucosio, la glicogeno sintasi agisce impedendo la conversione del glucosio in glicogeno. L’eccesso di glucosio nel corpo viene immagazzinato sotto forma di glicogeno.,
Pertanto, convertendo il glicogeno in glucosio impedendo la conversione del glucosio in glicogeno, questi enzimi promuovono la disgregazione del glucosio nel corpo al fine di produrre più energia. Qui, quindi, la via di segnalazione aumenta il tasso di metabolismo del glucosio quando il corpo richiede più energia.,
Fase 4: Ripristino
Mentre questo passaggio è omesso in alcuni testi, è uno dei passaggi di segnalazione cellulare. Qui, la cella viene ripristinata allo stato normale. Durante questa fase finale, la molecola del segnale si stacca dal recettore cellulare che a sua volta interrompe la serie di eventi che consentono alla cellula di rispondere.,
Per questo motivo, il macchinario cellulare coinvolto nella trasduzione ritorna allo stato originale in attesa di un altro segnale. Pertanto, questo è un passo importante della segnalazione cellulare in quanto consente al ciclo di ricominciare e continuare man mano che la cellula riceve nuovi segnali.
Garantisce inoltre che la cella non continui a rispondere quando non è necessario. Questo regola vari processi cellulari e previene le funzioni cellulari anormali.,
Percorsi
Mentre la maggior parte dei percorsi condividono gli stessi passaggi di base della segnalazione cellulare (ricezione, trasduzione, risposta, ripristino), ci sono diversi percorsi.
Alcuni di questi percorsi sono:
Notch signaling pathway – notch signaling pathway è uno dei più comuni percorsi di segnalazione cellulare., È un percorso importante coinvolto nello sviluppo e nell’omeostasi negli organismi multicellulari. Mentre è coinvolto nello sviluppo della rete arteriosa ramificata, è anche coinvolto nella morte cellulare e nella soppressione del tumore.
Nei mammiferi, ci sono quattro (4) tipi di recettori notch che includono NOTCH1, NOTCH2, NOTCH3 e NOTCH4. Ci sono anche due tipi principali di ligandi che si legano a questi recettori che includono membri della famiglia di proteine frastagliate e membri della famiglia di proteine Delta-like.,
In questo tipo di percorso, il ligando (molecola di segnalazione) viene inviato da un’altra cellula che consiste di più ligandi (ad esempio più proteine DLL – Delta) rispetto ai recettori Notch. Pertanto, la cellula con più recettori riceverà i segnali e risponderà. In questo tipo di segnalazione, ci sono due messaggeri cioè, il messaggero primario e secondario.,
Mentre le molecole di segnale come le proteine Delta-like agiscono come il messaggero primario, il dominio intracellulare di Notch prodotto in seguito al legame del messaggero primario agisce come il messaggero secondario all’interno della cellula.
Percorso di segnalazione Akt / PKB-Questo tipo di percorso è coinvolto in una serie di processi cellulari tra cui apoptosi, angiogenesi, metabolismo e differenziazione, ecc. Come suggerisce il nome, la proteina principale coinvolta in questo percorso è la Protein chinasi B., Qui, il recettore principale è RTK (recettore tirosina chinasi).
Normalmente, questo recettore esiste come monomeri e forma dimeri solo quando il ligando si lega (ad esempio il fattore di crescita). Ciò si traduce nella produzione di un messaggero secondario all’interno della cellula che alla fine innesca la risposta cellulare. Qui, la cellula può rispondere preparandosi per la divisione cellulare di produrre sostanze che guidano la morte cellulare, ecc.,
Hedgehog signaling pathway – In diversi tipi di animali, la via di segnalazione Hedgehog è necessaria per una corretta differenziazione cellulare e quindi per lo sviluppo di diverse parti del corpo. Come suggerisce il nome, la molecola di segnalazione principale in questa via è conosciuta come la proteina Hedgehog (Hh).,
Attraverso una serie di eventi, la molecola di segnalazione attiva in ultima analisi determinati geni nel nucleo che a sua volta consente alla cellula di rispondere in vari processi cellulari come la riparazione e la crescita dei tessuti, ecc.
Wnt signaling pathway – Questo tipo di segnalazione coinvolge principalmente diversi tipi di fattori stimolatori della crescita. Come tale, svolge un ruolo importante nello sviluppo embrionale (in particolare lo sviluppo del cuore)., Il ligando (Wnt) è prodotto dagli esosomi e attiva il recettore cellulare (crespo) quando si lega.
A sua volta, questo attiva (fosforila) la molecola LRP che quindi induce la traslocazione del complesso di distruzione. In definitiva, ciò si traduce nell’innalzamento dei livelli di beta-catenina che a sua volta attiva l’espressione della ciclina D1 coinvolta nella proliferazione cellulare.,mTOR signaling pathway
Technology
Given that cell signaling involves the detection and binding of signal molecules to cell receptors in order to induce specific cellular responses, researchers have taken advantage of this mechanism to develop drugs and chemicals aimed at influencing given responses.,
Nello sviluppo di farmaci, le molecole sono sviluppate con l’obiettivo di identificare un dato bersaglio sulla superficie cellulare o all’interno della cellula con l’obiettivo di influenzare le risposte date. Pertanto, la segnalazione è una delle aree più importanti nella scoperta di farmaci.
Attualmente, maggiore attenzione è stata rivolta allo sviluppo di farmaci che trarranno vantaggio dalla segnalazione cellulare per sviluppare farmaci per il trattamento di malattie cardiovascolari, malattie di Alzheimer e per la guarigione delle ferite.,
Oltre allo sviluppo di farmaci, nuovi studi stanno sfruttando la segnalazione cellulare per la produzione di diversi tipi di proteine tra le altre molecole in biotecnologia. Qui, le cellule sono influenzate per partecipare alla sintesi proteica e ad altre molecole.
In sostanza, ciò comporta lo sfruttamento dello stesso meccanismo utilizzato in vivo. Questo si è dimostrato particolarmente efficace utilizzando diversi tipi di cellule, tra cui batteri e alcuni protisti.,
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Gerhard Krauss. (2008). Basics of Cell Signaling. Biochemistry of Signal Transduction and Regulation. 4th Edition.,
Jineetkumar Gawad, Bhakti Chavan, Pradeep Bawane, Amol Mhaske e Savita Tauro. (2015). Panoramica della segnalazione cellulare e della comunicazione cellulare.
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