Передача сигнала и рецепторы

Передача сигнала — это совокупность процессов, посредством которых клетка обнаруживает внешний сигнал и преобразует его во внутриклеточный ответ. Сигнальная молекула связывается с рецептором — на поверхности клетки или внутри нее — что инициирует каскад молекулярных событий, который передает, усиливает и интегрирует информацию до того, как клетка отреагирует. Рецепторы являются отправной точкой этого преобразования, обеспечивая клеткам специфичность для реакции на конкретные сигналы.

Definition

Передача сигнала — это преобразование внеклеточного или внутриклеточного стимула, обнаруженного специфическим рецептором, в последовательность внутриклеточных биохимических событий, которые приводят к клеточному ответу.

Scope

Статья охватывает основные классы рецепторов (рецепторы, сопряженные с G-белками; рецепторные тирозинкиназы; внутриклеточные рецепторы), компоненты передачи, распространяющие сигналы (G-белки, протеинкиназы и фосфатазы, малые ГТФазы), а также принципы усиления, интеграции и прекращения сигнала. Она рассматривает передачу сигнала как справочную тему в клеточной биологии и не является клиническим руководством.

Core questions

• Как рецептор отличает свой сигнал от молекулярного фона?
• Как событие связывания на поверхности передается в цитоплазму и ядро?
• Как сигналы усиливаются, но при этом сохраняют специфичность?
• Как сигнальные каскады выключаются и перезапускаются?

Key concepts

• Связывание лиганда с рецептором и специфичность
• Рецепторы, сопряженные с G-белками
• Рецепторные тирозинкиназы
• Внутриклеточные (ядерные) рецепторы
• Каскады протеинкиназ
• Передача сигнала через МАР-киназы
• Усиление, интеграция и прекращение сигнала

Key theories

Обратимое фосфорилирование белков как сигнальный переключатель

Протеинкиназы добавляют, а фосфатазы удаляют фосфатные группы, действуя как противоположные переключатели, которые включают и выключают сигнальные белки; эта обратимая ковалентная модификация является центральным механизмом распространения и регуляции сигналов.

Молекулярные переключатели ГТФаз

Гетеротримерные и малые G-белки циклически переходят между активным ГТФ-связанным и неактивным ГДФ-связанным состояниями, при этом регуляторы способствуют активации или ускоряют гидролиз ГТФ, обеспечивая временной контроль включения/выключения нижестоящей передачи сигнала.

Mechanisms

Сигнальная молекула связывается с рецептором с высокой специфичностью. Рецепторы клеточной поверхности делятся на основные классы: рецепторы, сопряженные с G-белками, активируют гетеротримерные G-белки, которые действуют как молекулярные переключатели; рецепторные тирозинкиназы димеризуются и аутофосфорилируются для привлечения нижестоящих эффекторов; а липофильные сигналы проходят через мембрану, достигая внутриклеточных рецепторов, которые влияют на экспрессию генов. Далее сигналы распространяются в основном за счет обратимого фосфорилирования белков, при котором киназы и фосфатазы включают и выключают целевые белки, а также за счет малых ГТФаз, которые циклически переходят между ГТФ-связанным и ГДФ-связанным состояниями. Многоуровневые каскады, такие как пути МАР-киназ, усиливают и направляют сигналы, в то время как та же архитектура позволяет интегрировать несколько входных сигналов. Интернализация рецепторов посредством эндоцитоза связывает передачу сигнала с внутриклеточным транспортом и помогает прекратить или перенаправить ответ. Прекращение сигнала — через активность фосфатаз, гидролиз ГТФ и даун-регуляцию рецепторов — перезагружает систему для следующего сигнала.

Clinical relevance

Передача сигнала определяет, как клетки реагируют на гормоны, факторы роста и нейротрансмиттеры, а измененная передача сигнала имеет центральное значение для понимания многих патологических процессов, поэтому рецепторы и сигнальные ферменты широко изучаются как мишени для лекарственных препаратов. Эта статья описывает механизмы передачи сигнала для справки и не является основанием для диагностики или лечения.

History

Концепция рецептора и открытие циклического АМФ как вторичного посредника в середине XX века установили, что поверхностные сигналы передаются внутрь клетки. Последующие десятилетия позволили определить основные семейства рецепторов, роль G-белков и ГТФазных переключателей, а также центральное место обратимого фосфорилирования белков, при этом киназные каскады, такие как пути МАР-киназ, стали организующими структурами. Более поздние работы интегрировали передачу сигнала с мембранным транспортом, показав, что эндоцитоз определяет продолжительность и локализацию сигналов.

Key figures

• Tony Hunter
• Elliott M. Ross
• Mark von Zastrow

Seminal works

• hunter-1995
• ross-wilkie-2000

Frequently asked questions

Что такое рецептор в клеточной сигнализации?

Рецептор — это белок, который специфически связывает сигнальную молекулу и при связывании инициирует внутриклеточный ответ; рецепторы могут располагаться в плазматической мембране или внутри клетки в зависимости от того, может ли сигнал пересекать мембрану.

Как сигналы усиливаются внутри клетки?

Каждый активированный рецептор может запустить множество нижестоящих молекул, а многоуровневые киназные каскады и вторичные посредники многократно усиливают эффект, так что небольшое количество событий связывания может вызвать значительный клеточный ответ.