5 podstawowych typów komunikacji międzykomórkowej:

1. komunikacja endokrynowa

cząsteczki sygnałowe (hormony) są uwalniane do płynu tkankowego, następnie przedostają się do krwiobiegu i są rozprowadzane w obrębie całego ciała.

2. komunikacja parakrynowa

cząsteczki sygnałowe (mediatory lokalne) są uwalniane do płynu tkankowego, oddziaływują na okoliczne komórki miejscowo.

3. komunikacja neuronalna (sympatyczna)

sygnały są przekazywane na duże odległości, do komórek dochodzi sygnał chemiczny i jest zamieniany na sygnał elektryczny w postaci impulsów.

4. komunikacja bezpośrednia (ma najmniejszy zasięg)

sygnały są przekazywane pomiędzy stykającymi się komórkami dzięki wiązaniu się cząsteczek sygnałowych zakończonych w błonie komórkowej komórki sygnałowej z receptorami zlokalizowanym w błonie komórkowej komórki docelowej.

5. komunikacja autokrynowa

cząsteczki sygnałowe są wydzielane na zewnątrz komórki i oddziaływują na tę samą komórkę.

Rodzaj odpowiedzi sygnałowej zależy od wielu czynników.

Komórka zareaguje na cząsteczkę sygnałową tylko jeśli ma receptor dla takiego sygnału.

Ta sama cząsteczka sygnałowa może indukować różne odpowiedzi w różnych komórkach docelowych mimo wiązania się z receptorami o tej samej budowie.

(komórki mięśnia sercowego, komórki wydzielnicze gruczołu ślinowego)

Komórka posiada bardzo dużo różnych receptorów stąd jest wrażliwa na wiele cząsteczek sygnałowych - obecność jednego sygnału może modyfikować odpowiedź na inny sygnał.

Gdy żadna cząsteczka sygnałowa nie pobudza komórki, wtedy zachodzi śmierć komórkowa.

Podział zewnątrzkomórkowy cząsteczek sygnałowych:

I Mała klasa

Małe i/lub hydrofobowe cząsteczki - dyfundują przez błonę komórkową i aktywują enzymy wewnątrzkomórkowe lub receptory wewnętrzne komórek regulując ekspresję genów.

II Duża klasa

Duże i/lub hydrofilowe cząsteczki

-nie mogą dyfundować przez błonę komórkową więc łączą się receptorami na powierzchni komórki docelowej

Małe - hydrofobowe cząsteczki

<tlenek azotu>

-funkcjonuje jako mediator lokalny

-powstaje z argininy

-jest uwalniany przez komórki śródbłonka w odpowiedzi na pobudzenie na zakończenie nerwowe

-we wnętrzu komórek docelowych aktywuje cyklazę guanylanową. prowadzi do tworzenia cyklicznego GMP cząsteczki sygnałowej z GTP.

- powoduje rozkurcz komórek mięśni gładkich w ścianie naczynia krwionośnego - naczynie rozszerza się.

Nitrogliceryna - choroba niedokrwienna serca

Viagra - wydłużenie erekcji

Hormony steroidowe, hormony tarczycy

We wnętrzu komórek docelowych aktywują receptory regulujące transkrypcję genów znajdujące się w cytozolu lub w jądrze (poprzez wywołania zmian w ich konformacji)

np. kortyzol

Dla każdego hormonu istnieje odrębny receptor, który działa na odrębne miejsce regulatorowe w DNA.

Duże - hydrofobowe cząsteczki

Ogromna większość cząsteczek sygnałowych jest zbyt duża lub/i zbyt hydrofilna aby przeniknąć przez błonę komórkową.

Cząsteczki te wiążą się z receptorami które są białkami transbłonowymi.

Klasy receptorów na powierzchni komórki

1. Receptory jonotropowe - receptory będące kanałami jonowymi

2. Receptory metabotropowe - receptory współpracujące z białkami G

3. Receptory katalityczne - receptory wykorzystujące aktywność enzymatyczną.

Liczba typów receptorów w obrębie 3 klas jest większa niż liczba działających na nie zewnątrzkomórkowych cząsteczek sygnałowych, dla wielu z nich istnieje więcej niż 1 typ receptora.

Receptory jonotropowe

Występują w układzie nerwowym i innych komórkach pobudliwych elektrycznie (np. mięśniowych)

przekształca sygnał chemiczny dostarczany do zewnętrznej powierzchni komórki docelowej w formie neuroprzekaźnika w sygnał elektryczny w postaci zmiany potencjału błonowego ( napięcia istniejącego w poprzek błony)

Po związaniu neuroprzekaźnika otwierają lub zamykają swój kanał którym mogą się przemieścić określone typy jonów ( Na+, K+, Ca 2+, Cl-) napędzane gradientem elektrochemicznym.

Charakter receptora decyduje czy odpowiedzią komórki docelowej będzie pobudzenie czy zahamowanie.

receptorem dla neuroprzekaźników pobudzających - głownie acetylocholiny i glutaminianu - są kanały jonowe umożliwiające przepływ odpowiednio Na+ i Ca 2+ związanie neuroprzekaźnika powoduje zmianę potencjału błonowego z potencjału spoczynkowego (-60mV) na potencjał czynnościowy (+50mV)

Receptorami dla przekaźników hamujących - głownie kwasu gamma- aminomasłowego (GABA) i glicyny są zazwyczaj kanały jonowe umożliwiające przepływ Cl-, związanie neuroprzekaźnika powoduje tłumienie powstawania potencjału czynnościowego.

Receptory metabotropowe i receptory katalityczne - podobieństwa

Cząsteczki sygnałowe zewnątrzkomórkowe są odbierane przez receptory metabotropowe i katalityczne i przenoszone skomplikowanymi kaskadami sygnalizacyjnymi cząsteczek sygnałowych wewnątrzkomórkowych.

Szlak przekazywania sygnałów:

-kaskada sygnalizacyjna

uwolnienie cząsteczki sygnałowej zewnątrzkomórkowej I rzędu/ pierwotnej/ liganda

- odebranie liganda przez receptory komórki docelowej

- przekazywanie przez receptor cząsteczki sygnałowej zewnątrzkomórkowej na cząsteczkę sygnałową II rzędu / wtórną

- przekazanie informacji z jednej cząsteczki sygnałowej wewnątrzkomórkowej do innej

- odpowiedź komórki na aktywację enzymu, rozpoczęcie ekspresji genu, zmiana organizacji cytoszkieletu

- zakończenie sygnału

Funkcje kaskady sygnalizacyjnej:

-przekształca sygnał w formę molekularną umożliwiając przemieszczenie sygnału

-przenosi fizycznie sygnał z punktu, w którym odebrała go komórka do punktu w którym powstanie odpowiedź

-zazwyczaj wzmacnia odebrany sygnał

- mogą rozprowadzać sygnał tak, że będzie on wpływał równolegle na wiele procesów

- każdy etap kaskady sygnalizacyjnej może być nadzorowany przez czynniki zewnętrzne

Klasy cząsteczek sygnałowych wewnątrzkomórkowych:

I Białka,których aktywność jest włączona przez fosforylację (z udziałem kinaz), a wyłączana przez defosforylację (z udziałem fosfataz)

II Białka,których aktywność jest włączana przez związanie się z cząsteczką GTP i wyłączana przez związanie się z cząsteczką GDP

Receptory metabotropowe ( receptory o siedmiu helisach transbłonowych r7TM)

- największa rodzina receptorów na powierzchni komórki

-zbudowane z pojedynczego łańcucha polipeptydowego siedmiokrotnie przechodzącego przez dwuwarstwę lipidową błony komórkowej

- po związaniu się z zewnątrzkomórkową cząsteczką sygnałową ulegają zmianie konformacyjnej,która umożliwia im oddziaływanie z białkiem G

Białka G

Białka G złożone są z 3 podjednostek białkowych alfa beta i gamma z których alfa i gamma połączone są z błoną. Przy braku stymulacji podjednostka zwiąże GDP a białko G jest nieaktywne.

Gdy ligand wiąże się z receptorem metabotropowym receptor ulega zmianie konformacyjnej i aktywuje białko G przez zmuszenie podjednostki alfa do zmniejszenie jej powinowactwa względem GDP, którego cząsteczka zostaje zastąpiona przez cząsteczkę GTP.

Aktywacja prowadzi do rozpadu białka G - podjednostka alfa ze związanym GTP odłącza się od kompleksu beta gamma, co prowadzi do powstania 2 odrębnych cząsteczek przemieszczających się niezależnie wzdłuż błony.

Aktywna podjednostka alfa i aktywny kompleks beta gamma mogą oddziaływać na białka docelowe umieszczone w błonie komórkowej.

Po związaniu się z białkiem docelowym białko G aktywuje je lub hamuje ( zazwyczaj aktywuje)

Czas przez który podjednostki są rozdzielone i aktywne zależy od podjednostki alfa, która posiada aktywność GTP-azy i w końcu hydrolizuje GTP z powrotem do GDP.

Typy białek G

białka Gs - stymulujące - po aktywacji stymulują enzymy kaskady sygnalizującej

białka Gi - inhibitorowe - po aktywacji inhibują (hamują) enzymy kaskady sygnalizującej

(występują np. w toksynie cholery, toksynie krztuśca)

Białka docelowe dla białek G

Różne białka docelowe kontrolowane są przez różne typy białek G, a różne typy białek G są aktywowana przez różne klasy receptorów metabotropowych.

kanały jonowe - związanie się białek G z kanałami jonowymi powoduje natychmiastową zmianę w stanie komórki

enzymy błonowe - związanie się białek G z enzymami błonowymi powoduje zazwyczaj stopniową zmianę w stanie komórki

cyklaza adenylowa - odpowiedzialna za wytworzenie małej wewnątrzkomórkowej cząsteczki sygnałowej cyklicznego AMP (cAMP)

fosfolipaza c - odpowiedzialna za wytworzenie małych wewnątrzkomórkowych cząsteczek sygnałowych trifosforanu inozytolu i diacyloglicerolu

Regulacja kanałów jonowych przez białka G na przykładzie mięśnie sercowego

1. włókna nerwowe spowalniające rytm serca uwalniają acetylocholinę. Wiązanie acetylocholiny z receptorem metadotropowym komórki mięśnia sercowego powoduje dysocjację białka G do uaktywnionego kompleksu beta gamma, zaktywowanej podjednostki alfa

2. Uaktywniony kompleks beta gamma wiąże się z kanałem K+ w błonie komórkowej, otwiera go co umożliwia wypływ jonów. Zmiana właściwości elektrycznych komórki hamuje jej aktywność.

3. Inaktywacja podjednostki alfa w wyniku hydrolizy GTP powoduje jej ponowne połączenie się z kompleksem beta gamma co prowadzi do odtworzenia nieaktywnego białka G i zamknięcia kanałów K+

Aktywacja enzymów błonowych przez białka G - na przykładzie cyklazy adenylowej

Fosfodiestraza cyklicznego AMP jest ustawicznie aktywna i szybko rozkłada cykliczny AMP (cAMP) do zwykłego AMP, stąd stężenie cAMP gwałtownie się zmienia w odpowiedzi na zewnątrzkomórkowe cząsteczki sygnałowe

Cykliczny AMP pośredniczy w wielu odpowiedziach komórki.

Niektóre odpowiedzi komórek wywołane przez hormony za pośrednictwem cAMP

Zewnątrzkomórkowa cząsteczka sygnałowa	Tkanka docelowa	Główna odpowiedź
adrenalina	Mięsień sercowy	Przyspieszenie i zwiększenie siły Skurczu mięśnia
Adrenalina	Mięsień poprzecznie-prążkowany	Rozpad glikogenu
Adrenalina ACTH glukagon	Tkanka tłuszczowa	Rozpad tłuszczu
ACTH	nadnercze	Wydzielanie kortyzolu

Większość skutków wywołanych przez cAMP jest związana z faktem, że aktywuje on kinazę białkową A.

Związanie 4 cząsteczek cAMP aktywuje kinazę białkową A nieaktywnego holoenzymu R2C2 na podjednostkę regulacyjną R2 i dwie aktywne podjednostki katalityczne 2C.

Aktywne podjednostki katalityczne fosforylują specyficzne reszty seryny i treoniny wielu białek docelowych zmniejszając ich aktywność.

Aktywacja enzymów błonowych przez białka G:

- na przykładzie fosfolipazy C ( szlaku fosfatydyloinozytolowego )

Jony Ca 2+ uruchamiają wiele procesów biologicznych poprzez wywołanie zmian w cytozolowych białkach wiążących Ca 2+. Najbardziej rozpowszechnionym białkiem reagującym na Ca 2+ jest kalmodulina.

( Kinaza CaM zależna jest od kompleksu kalmodulina Ca2+ )

Kinaza białkowa C fosforyluje i aktywuje kolejne białka kaskady sygnalizacyjnej.

Rodopsyna - najdokładniej zbadany receptor metabotropowy.

Receptory katalityczne

-białka z zazwyczaj jednym segmentem transbłonowym o strukturze helisy alfa

- domena zewnętrznej powierzchni wiąże zewnątrzkomórkowe cząsteczki sygnałowe (głównie mediatory lokalne)

- domena cytoplazmatyczna wykazuje aktywność enzymatyczną lub tworzy kompleks z enzymem

- związanie liganda powoduje zbliżenie się w błonie dwóch cząsteczek receptora, wytworzenie domen i jego aktywację

- biorą udział w regulacji wzrostu, proliferacji, różnicowania i przeżycia komórek oraz w szybkich zmianach organizacji cytoszkieletu

- anomalie w funkcjonowaniu receptorów mają istotne znaczenie w powstawaniu nowotworów

- odpowiedzi zainicjowane przez receptory katalityczne mogą przebiegać :

~ wolno (kilka godzin) dotyczy receptorowych kinaz tyrozynowych

~ szybko - dotyczy receptorów cytokin i receptorowych kinaz serynowo-treoninowych

Receptorowe kinazy tyrozynowe

Białko RAS tzw. monomeryczne białko G - małe białko związane z cytoplazmatyczną powierzchnią błony komórkowej - wiąże GTP przypominające podjednostkę alfa białek G (posiadają aktywność GTP-azy, aktywne gdy związane z GTP, nieaktywne gdy związane z GDP)

Kaskada kinaz MAP

Aktywne białko RAS aktywuje kaskadę zwaną kaskadą kinaz MAP, której seria kinaz białkowych fosforyluje i aktywuje jedną kinazę po drugiej.

Kinaza MAP jest ostatnią kinazą w łańcuchu fosforyluje reszty seryny i treoniny białek docelowych w tym białek regulujących transkrypcję genów.

Kinaza MAP jest aktywowana przez kinazę kinazy MAP itd.