แคลเซียมภายในเซลล์และตัวส่งสัญญาณตัวที่สอง

ตัวส่งสัญญาณตัวที่สอง (second messengers) คือโมเลกุลและไอออนขนาดเล็กภายในเซลล์ที่ทำหน้าที่ส่งต่อและขยายสัญญาณที่ได้รับที่ผิวเซลล์ ไอออนแคลเซียมเป็นตัวส่งสัญญาณที่มีความหลากหลายมากที่สุดในกลุ่มนี้: เซลล์จะรักษาระดับแคลเซียมในไซโตซอลให้ต่ำมาก และปล่อยออกมาเป็นช่วงๆ อย่างควบคุม เพื่อกระตุ้นการตอบสนองต่างๆ ตั้งแต่การหดตัวของกล้ามเนื้อไปจนถึงการหลั่งสาร นอกเหนือจากแคลเซียมแล้ว ตัวส่งสัญญาณอื่นๆ เช่น cyclic AMP และ inositol trisphosphate ยังทำหน้าที่ส่งสัญญาณจากตัวรับที่ถูกกระตุ้นเข้าสู่ภายในเซลล์

Definition

ตัวส่งสัญญาณตัวที่สองคือโมเลกุลหรือไอออนขนาดเล็กภายในเซลล์ที่ความเข้มข้นเปลี่ยนแปลงไปตามการกระตุ้นของตัวรับ และทำหน้าที่ส่งสัญญาณต่อไปยังตัวกระตุ้นปลายน้ำ แคลเซียมภายในเซลล์เป็นตัวอย่างสำคัญ โดยถูกรักษาระดับให้ต่ำในไซโตซอลขณะพัก และถูกระดมเพื่อกระตุ้นการตอบสนองของเซลล์

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมแนวคิดของตัวส่งสัญญาณตัวที่สอง แหล่งที่มาและการจัดการแคลเซียมภายในเซลล์ (การเข้าสู่เซลล์ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์และการปล่อยจากแหล่งเก็บภายใน) วิถี inositol-phospholipid ที่สร้าง inositol trisphosphate และ diacylglycerol รวมถึงตัวส่งสัญญาณอื่นๆ เช่น cyclic nucleotides เนื้อหานี้ถือว่าการส่งสัญญาณของตัวส่งสัญญาณตัวที่สองเป็นหัวข้ออ้างอิงในชีววิทยาของเซลล์ และไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์

Core questions

• เหตุใดเซลล์จึงรักษาระดับแคลเซียมในไซโตซอลให้ต่ำมากในขณะพัก?
• แคลเซียมที่ใช้ในการส่งสัญญาณมาจากที่ใด และถูกปล่อยออกมาได้อย่างไร?
• inositol trisphosphate เชื่อมโยงตัวรับบนผิวเซลล์กับการปล่อยแคลเซียมได้อย่างไร?
• สัญญาณแคลเซียมและตัวส่งสัญญาณตัวที่สองอื่นๆ ถูกสร้างเป็นรูปแบบเชิงพื้นที่และเวลาได้อย่างไร?

Key concepts

• แนวคิดตัวส่งสัญญาณตัวที่สอง
• แคลเซียมในไซโตซอลที่ต่ำในขณะพัก
• การเข้าสู่แคลเซียมผ่านเยื่อหุ้มเซลล์
• การปล่อยแคลเซียมจากแหล่งเก็บภายใน
• Inositol trisphosphate และ diacylglycerol
• Cyclic nucleotides (cAMP, cGMP)
• รูปแบบเชิงพื้นที่และเวลาของสัญญาณแคลเซียม

Key theories

วิถีการส่งสัญญาณ Inositol trisphosphate (IP3)

การกระตุ้นตัวรับของ phospholipase C จะแยกฟอสโฟลิพิดในเยื่อหุ้มเซลล์ออกเป็น IP3 และ diacylglycerol; IP3 จะแพร่ไปยังเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมและเปิดช่องทางปล่อยแคลเซียม ซึ่งเชื่อมโยงสัญญาณบนผิวเซลล์กับการเพิ่มขึ้นของแคลเซียมในไซโตซอล

Mechanisms

เซลล์รักษาระดับแคลเซียมในไซโตซอลให้ต่ำกว่าระดับภายนอกเซลล์และระดับที่เก็บไว้มาก โดยอาศัยปั๊มและตัวแลกเปลี่ยน ซึ่งสร้างความแตกต่างของความเข้มข้นที่สูงชันที่สามารถนำมาใช้ในการส่งสัญญาณได้ เมื่อมีสิ่งกระตุ้น แคลเซียมจะเข้าสู่เซลล์ผ่านช่องทางบนเยื่อหุ้มเซลล์ หรือถูกปล่อยออกมาจากแหล่งเก็บภายใน ซึ่งส่วนใหญ่คือเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม (และในกล้ามเนื้อคือซาร์โคพลาสมิกเรติคูลัม) วิถีการปล่อยที่สำคัญเริ่มต้นเมื่อตัวรับกระตุ้น phospholipase C ซึ่งจะแยกฟอสโฟลิพิดในเยื่อหุ้มเซลล์ออกเป็น inositol trisphosphate (IP3) และ diacylglycerol; IP3 จะเปิดช่องทางปล่อยแคลเซียมของเรติคูลัม ในขณะที่ diacylglycerol จะกระตุ้น protein kinase C การเพิ่มขึ้นของแคลเซียมที่เกิดขึ้นจะจับกับโปรตีนตัวกระตุ้นเพื่อกระตุ้นการตอบสนอง และถูกสร้างให้เป็นรูปแบบของยอดแหลมชั่วคราว คลื่น หรือการแกว่ง ซึ่งเวลาและตำแหน่งของการเกิดจะเข้ารหัสข้อมูล ตัวส่งสัญญาณตัวที่สองอื่นๆ โดยเฉพาะ cyclic AMP และ cyclic GMP ที่สร้างขึ้นจากตัวรับที่แตกต่างกัน จะส่งสัญญาณควบคู่กันไป สัญญาณจะถูกยุติโดยการปั๊มแคลเซียมกลับเข้าสู่แหล่งเก็บหรือออกจากเซลล์ และโดยการย่อยสลาย cyclic nucleotides ซึ่งเป็นการรีเซ็ตระบบ

Clinical relevance

การส่งสัญญาณของแคลเซียมและตัวส่งสัญญาณตัวที่สองเป็นพื้นฐานของสรีรวิทยาที่สำคัญ เช่น การหดตัวของกล้ามเนื้อ การหลั่งสารสื่อประสาทและฮอร์โมน และการตอบสนองของการแสดงออกของยีน ดังนั้นการทำความเข้าใจสิ่งเหล่านี้จึงเป็นรากฐานสำหรับการตีความกระบวนการของเซลล์หลายอย่างทั้งในภาวะสุขภาพและโรค เนื้อหานี้อธิบายกลไกการส่งสัญญาณเพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

แนวคิดของตัวส่งสัญญาณตัวที่สองเกิดขึ้นจากการค้นพบ cyclic AMP ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ว่าเป็นตัวส่งต่อภายในเซลล์ของการทำงานของฮอร์โมน ต่อมาแคลเซียมได้รับการยอมรับว่าเป็นสัญญาณภายในเซลล์ที่เกือบจะเป็นสากล และในช่วงทศวรรษ 1980 และ 1990 ได้มีการชี้แจงวิถี inositol-phospholipid โดยระบุว่า IP3 เป็นตัวส่งสัญญาณที่ปล่อยแคลเซียมจากแหล่งเก็บภายใน งานวิจัยในภายหลังเน้นย้ำถึงรูปแบบเชิงพื้นที่และเวลาของสัญญาณแคลเซียม — ยอดแหลม คลื่น และการแกว่ง — ในฐานะวิธีการเข้ารหัสการตอบสนองที่แตกต่างกัน

Key figures

• Michael J. Berridge
• Robin F. Irvine

Seminal works

• berridge-2000
• berridge-irvine-1993

Frequently asked questions

ตัวส่งสัญญาณตัวที่สองคืออะไร?

ตัวส่งสัญญาณตัวที่สองคือโมเลกุลหรือไอออนขนาดเล็กภายในเซลล์ เช่น แคลเซียม, cyclic AMP, หรือ inositol trisphosphate ซึ่งระดับจะเปลี่ยนแปลงไปหลังจากตัวรับถูกกระตุ้น และทำหน้าที่ส่งสัญญาณต่อไปยังตัวกระตุ้นภายในเซลล์

เหตุใดเซลล์จึงรักษาระดับแคลเซียมในไซโตซอลให้ต่ำมาก?

การรักษาระดับแคลเซียมในไซโตซอลขณะพักให้ต่ำมากจะสร้างความแตกต่างของความเข้มข้นที่สูงชันเมื่อเทียบกับพื้นที่ภายนอกเซลล์และแหล่งเก็บภายใน ดังนั้นการเปิดช่องทางแคลเซียมจึงทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและชัดเจน ซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นสัญญาณที่แม่นยำได้