کلسیم درون‌سلولی و پیام‌رسان‌های ثانویه

پیام‌رسان‌های ثانویه مولکول‌ها و یون‌های کوچک درون‌سلولی هستند که سیگنال‌های دریافتی در سطح سلول را منتقل و تقویت می‌کنند. یون‌های کلسیم متنوع‌ترین این پیام‌رسان‌ها هستند: سلول‌ها کلسیم سیتوزولی را در سطح بسیار پایینی نگه می‌دارند و آن را در فوران‌های کنترل‌شده آزاد می‌کنند تا پاسخ‌هایی از انقباض عضلانی تا ترشح را آغاز کنند. در کنار کلسیم، پیام‌رسان‌هایی مانند cAMP و اینوزیتول تری‌فسفات سیگنال‌ها را از گیرنده‌های فعال‌شده به داخل سلول منتقل می‌کنند.

Definition

پیام‌رسان ثانویه یک مولکول یا یون کوچک درون‌سلولی است که غلظت آن در پاسخ به فعال‌سازی گیرنده تغییر می‌کند و سیگنال را به اثرگذارنده‌های پایین‌دست منتقل می‌کند؛ کلسیم درون‌سلولی یک نمونه اصلی است که در سطوح پایین سیتوزولی در حالت استراحت نگهداری می‌شود و برای تحریک پاسخ‌های سلولی بسیج می‌گردد.

Scope

این مدخل مفهوم پیام‌رسان ثانویه، منابع و مدیریت کلسیم درون‌سلولی (ورود از طریق غشای پلاسمایی و آزادسازی از ذخایر داخلی)، مسیر اینوزیتول-فسفولیپید که اینوزیتول تری‌فسفات و دی‌آسیل‌گلیسرول را تولید می‌کند، و سایر پیام‌رسان‌ها مانند نوکلئوتیدهای حلقوی را پوشش می‌دهد. این موضوع به عنوان یک مبحث مرجع در زیست‌شناسی سلولی مورد بررسی قرار می‌گیرد و راهنمای بالینی نیست.

Core questions

• چرا سلول‌ها کلسیم سیتوزولی را در حالت استراحت تا این حد پایین نگه می‌دارند؟
• کلسیم سیگنال‌دهنده از کجا تأمین می‌شود و چگونه آزاد می‌گردد؟
• اینوزیتول تری‌فسفات چگونه گیرنده‌های سطحی را به آزادسازی کلسیم مرتبط می‌کند؟
• سیگنال‌های کلسیم و سایر پیام‌رسان‌های ثانویه چگونه در فضا و زمان شکل می‌گیرند؟

Key concepts

• مفهوم پیام‌رسان ثانویه
• کلسیم سیتوزولی پایین در حالت استراحت
• ورود کلسیم از طریق غشای پلاسمایی
• آزادسازی کلسیم از ذخایر داخلی
• اینوزیتول تری‌فسفات و دی‌آسیل‌گلیسرول
• نوکلئوتیدهای حلقوی (cAMP, cGMP)
• الگوی فضایی و زمانی سیگنال‌های کلسیم

Key theories

مسیر سیگنال‌دهی اینوزیتول تری‌فسفات (IP3)

فعال‌سازی فسفولیپاز C توسط گیرنده، یک فسفولیپید غشایی را به IP3 و دی‌آسیل‌گلیسرول تجزیه می‌کند؛ IP3 به شبکه آندوپلاسمی منتشر شده و کانال‌های آزادسازی کلسیم را باز می‌کند، و سیگنال‌های سطحی را به افزایش کلسیم سیتوزولی مرتبط می‌سازد.

Mechanisms

سلول‌ها کلسیم سیتوزولی را به وسیله پمپ‌ها و مبدل‌ها بسیار پایین‌تر از سطوح خارج‌سلولی و ذخیره‌شده حفظ می‌کنند و یک گرادیان شیب‌دار ایجاد می‌کنند که می‌تواند برای سیگنال‌دهی مورد بهره‌برداری قرار گیرد. هنگامی که یک محرک می‌رسد، کلسیم از طریق کانال‌های غشای پلاسمایی وارد می‌شود یا از ذخایر داخلی، عمدتاً شبکه آندوپلاسمی (و در عضله، شبکه سارکوپلاسمی) آزاد می‌گردد. یک مسیر اصلی آزادسازی زمانی آغاز می‌شود که گیرنده‌ها فسفولیپاز C را فعال می‌کنند، که یک فسفولیپید غشایی را به اینوزیتول تری‌فسفات (IP3) و دی‌آسیل‌گلیسرول تجزیه می‌کند؛ IP3 کانال‌های آزادسازی کلسیم شبکه‌ای را باز می‌کند در حالی که دی‌آسیل‌گلیسرول پروتئین کیناز C را فعال می‌کند. افزایش کلسیم حاصله به پروتئین‌های اثرگذار متصل می‌شود تا پاسخ‌ها را تحریک کند و به صورت پیک‌ها، امواج یا نوسانات گذرا شکل می‌گیرد که زمان‌بندی و مکان آن‌ها اطلاعات را کدگذاری می‌کند. سایر پیام‌رسان‌های ثانویه، به ویژه cAMP و cGMP که در پایین‌دست گیرنده‌های متمایز تولید می‌شوند، سیگنال‌ها را به صورت موازی منتقل می‌کنند. سیگنال‌ها با پمپ کردن کلسیم به داخل ذخایر یا به خارج از سلول و با تجزیه نوکلئوتیدهای حلقوی خاتمه می‌یابند و سیستم را بازنشانی می‌کنند.

Clinical relevance

سیگنال‌دهی کلسیم و پیام‌رسان‌های ثانویه زیربنای فیزیولوژی اساسی مانند انقباض عضلانی، ترشح انتقال‌دهنده‌های عصبی و هورمون‌ها، و پاسخ‌های بیان ژن هستند، بنابراین درک آن‌ها برای تفسیر بسیاری از فرآیندهای سلولی در سلامت و بیماری بنیادی است. این مدخل مکانیسم‌های سیگنال‌دهی را برای مرجع توصیف می‌کند و مبنایی برای تشخیص یا درمان نیست.

History

مفهوم پیام‌رسان ثانویه از کشف cAMP در اواسط قرن بیستم به عنوان یک واسطه درون‌سلولی برای عمل هورمون‌ها نشأت گرفت. کلسیم متعاقباً به عنوان یک سیگنال درون‌سلولی تقریباً جهانی شناخته شد، و دهه‌های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ مسیر اینوزیتول-فسفولیپید را روشن کردند و IP3 را به عنوان پیام‌رسانی که کلسیم را از ذخایر داخلی آزاد می‌کند، شناسایی کردند. کارهای بعدی بر الگوی فضایی و زمانی سیگنال‌های کلسیم — پیک‌ها، امواج و نوسانات — به عنوان ابزاری برای کدگذاری پاسخ‌های متمایز تأکید داشت.

Key figures

• Michael J. Berridge
• Robin F. Irvine

Seminal works

• berridge-2000
• berridge-irvine-1993

Frequently asked questions

پیام‌رسان ثانویه چیست؟

پیام‌رسان ثانویه یک مولکول یا یون کوچک درون‌سلولی، مانند کلسیم، cAMP یا اینوزیتول تری‌فسفات است که سطح آن پس از فعال شدن یک گیرنده تغییر می‌کند و سیگنال را به اثرگذارنده‌های درون سلول منتقل می‌کند.

چرا سلول‌ها کلسیم سیتوزولی را تا این حد پایین نگه می‌دارند؟

پایین نگه داشتن کلسیم سیتوزولی در حالت استراحت یک گرادیان شیب‌دار در برابر فضای خارج‌سلولی و ذخایر داخلی ایجاد می‌کند، به طوری که باز شدن کانال‌های کلسیم منجر به افزایش سریع و شدید می‌شود که می‌تواند به عنوان یک سیگنال دقیق عمل کند.