ZELLKOMMUNIKATION: TYPEN, WICHTIGKEIT, BEISPIELE - BIOLOGIE - 2025

Die zelluläre Kommunikation , auch interzelluläre Kommunikation genannt, ist die Übertragung von extrazellulären Signalmolekülen. Diese Moleküle gehen von einer signalerzeugenden Zelle aus und binden an Rezeptoren auf der Zielzelle, wodurch eine spezifische Antwort erzeugt wird.

Das Signalmolekül kann ein kleines Molekül (Beispiel: eine Aminosäure), ein Peptid oder ein Protein sein. Daher ist die Kommunikation, die chemisch ist, ein Merkmal von einzelligen und mehrzelligen Organismen.

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In Bakterien sind die Signalmoleküle bakterielle Pheromone. Diese sind notwendig für Funktionen wie horizontalen Gentransfer, Biolumineszenz, Biofilmbildung und die Produktion von Antibiotika und pathogenen Faktoren.

In mehrzelligen Organismen kann die zelluläre Kommunikation zwischen benachbarten Zellen oder zwischen getrennten Zellen stattfinden. Im letzteren Fall müssen die Signalmoleküle diffundieren und lange Strecken zurücklegen. Zu den Funktionen der Signale gehören Veränderungen der Genexpression, Morphologie und Zellbewegung.

Die Zellkommunikation kann auch durch extrazelluläre Vesikel (EV) erfolgen, die als Ektosomen und Exosomen bezeichnet werden. Einige Funktionen von EVs sind: Modulation von Lymphozyten und Makrophagen; Kontrolle der synaptischen Funktion; in Blutgefäßen und im Herzen Gerinnung und Angiogenese; und RNA-Austausch.

Typen (Systeme / Mechanismen)

In Bakterien gibt es eine Art von zellulärer Kommunikation, die als Quorum Sensing bezeichnet wird und aus Verhaltensweisen besteht, die nur auftreten, wenn die Dichte der Bakterienpopulation hoch ist. Quorum Sensing umfasst die Produktion, Freisetzung und den anschließenden Nachweis hoher Konzentrationen von Signalmolekülen, die als Autoinduktoren bezeichnet werden.

Bei einzelligen Eukaryoten wie T. brucei gibt es auch Quorum Sensing. In Hefen treten sexuelles Verhalten und Zelldifferenzierung als Reaktion auf Pheromonkommunikation und Umweltveränderungen auf.

Bei Pflanzen und Tieren ist die Verwendung von extrazellulären Signalmolekülen wie Hormonen, Neurotransmittern, Wachstumsfaktoren oder Gasen eine wichtige Art der Kommunikation, die die Synthese des Signalmoleküls, seine Freisetzung, seinen Transport zur Zielzelle und den Nachweis umfasst Signal und spezifische Antwort.

In Bezug auf den Transport des Signalmoleküls bei Tieren bestimmt der Aktionsabstand des Moleküls zwei Arten von Signalen: 1) autokrine und parakrine, die jeweils auf dieselbe Zelle und auf benachbarte Zellen wirken; und 2) endokrin, das auf eine entfernte Zielzelle wirkt und durch den Blutkreislauf transportiert wird.

Die zelluläre Kommunikation durch extrazelluläre Vesikel ist eine wichtige Art der zellulären Kommunikation in eukaryotischen Organismen und Archaea.

Wenn die einzellige eukaryotische oder bakterielle Population wächst, erreicht sie eine ausreichende Anzahl von Zellen oder Quorum, die die Konzentration des Induktors erzeugt, der in der Lage ist, eine Wirkung in den Zellen hervorzurufen. Dies ist ein Mechanismus zur Erfassung von Volkszählungen.

Bei Bakterien sind drei Arten von Quorum-Sensing-Systemen bekannt: eines ist gramnegativ; ein anderer in grampositiv; und noch eine auf dem gramnegativen Vibrio harveyi.

In gramnegativen Bakterien ist der Autoinduktor acyliertes Homoserinlacton. Diese Substanz wird vom Enzym vom LuxI-Typ synthetisiert und diffundiert passiv durch die Membran, wobei sie sich im extrazellulären und intrazellulären Raum ansammelt. Wenn die stimulierende Konzentration erreicht ist, wird die Transkription von durch QS regulierten Genen aktiviert.

In gramnegativen Bakterien sind die Autoinduktoren modifizierte Peptide, die in den extrazellulären Raum exportiert werden, wo sie zusammen mit Membranproteinen interagieren. Es tritt eine Phosphorylierungskaskade auf, die Proteine ​​aktiviert, die an DNA binden und die Transkription von Zielgenen steuern.

Vibrio harveyi produziert zwei Autoinduktoren mit den Bezeichnungen HAI-1 und A1-2. HAI-1 ist acyliertes Lactonhomoserin, seine Synthese ist jedoch nicht von LuxI abhängig. A1-2 ist Furanosylboratdiester. Beide Substanzen wirken durch eine Phosphorylierungskaskade ähnlich der anderer gramnegativer Bakterien. Diese Art von QS steuert die Biolumineszenz.

Chemische Kommunikation

Die spezifische Bindung des Signalmoleküls oder Liganden an das Rezeptorprotein erzeugt eine spezifische zelluläre Antwort. Jeder Zelltyp hat bestimmte Rezeptortypen. Obwohl ein bestimmter Rezeptortyp auch in verschiedenen Zelltypen gefunden werden kann und unterschiedliche Reaktionen auf denselben Liganden hervorruft.

Die Art des Signalmoleküls bestimmt den Weg, der zum Eintritt in die Zelle verwendet wird. Beispielsweise diffundieren hydrophobe Hormone wie Steroide durch die Lipiddoppelschicht und binden an Rezeptoren, um Komplexe zu bilden, die die Expression spezifischer Gene regulieren.

Gase wie Stickoxid und Kohlenmonoxid diffundieren durch die Membran und aktivieren im Allgemeinen die cyclische GMP-produzierende Guanylylcyclase. Die meisten Signalmoleküle sind hydrophil.

Seine Rezeptoren befinden sich auf der Zelloberfläche. Die Rezeptoren wirken als Signalübersetzer, die das Verhalten der Zielzelle verändern.

Zelloberflächenrezeptoren sind unterteilt in: a) G-Protein-gekoppelte Rezeptoren; b) Rezeptoren mit Enzymaktivität, wie Tyrosinkinase; und c) Ionenkanalrezeptoren.

Eigenschaften von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren kommen in allen Eukaryoten vor. Im Allgemeinen sind sie Rezeptoren mit sieben Domänen, die die Membran kreuzen, wobei die N-terminale Region zur Außenseite der Zelle und die C-terminale zur Innenseite der Zelle zeigt. Diese Rezeptoren assoziieren mit einem G-Protein, das die Signale übersetzt.

Wenn der Ligand an den Rezeptor bindet, wird das G-Protein aktiviert. Dies wiederum aktiviert ein Effektorenzym, das einen zweiten intrazellulären Botenstoff erzeugt, der cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP), Arachidonsäure, Diacylglycerin oder Inositol-3-phosphat sein kann, das als Signalverstärker fungiert. Initiale.

Protein G hat drei Untereinheiten: Alpha, Beta und Gamma. Die Aktivierung des G-Proteins beinhaltet die Dissoziation des GDP vom G-Protein und die Bindung von GTP an die Alpha-Untereinheit. Im G _alpha -GTP- Komplex dissoziieren sie von den Beta- und Gamma-Untereinheiten, interagieren spezifisch mit Effektorproteinen und aktivieren sie.

Der cAMP-Weg kann durch beta-adrenerge Rezeptoren aktiviert werden. CAMP wird durch Adenylylcyclase hergestellt. Der Phosphoinositolweg wird durch muskarinische Acetylcholinrezeptoren aktiviert. Sie aktivieren Phospholipase C. Der Arachidonsäureweg wird durch den Histaminrezeptor aktiviert. Aktiviert Phospholipase A2.

CAMP-Pfad

Die Bindung des Liganden an den Rezeptor, das an GDP gebundene stimulierende Protein G (G _s ), bewirkt den Austausch von GDP gegen GTP und die Dissoziation der Alpha-Untereinheit von G _s von den Beta- und Gamma-Untereinheiten. Der G _alpha -GTP- Komplex assoziiert mit einer Domäne der Adenylcyclase, aktiviert das Enzym und produziert cAMP aus ATP.

CAMP bindet an die regulatorischen Untereinheiten der cAMP-abhängigen Proteinkinase. Gibt katalytische Untereinheiten frei, die Proteine ​​phosphorylieren, die die Zellreaktionen regulieren. Dieser Weg wird durch zwei Arten von Enzymen reguliert, nämlich Phosphodiesterasen und Proteinphosphatasen.

Phosphoinositol-Weg

Die Bindung des Liganden an den Rezeptor aktiviert das G-Protein (G _q ), das Phospholipase C (PLC) aktiviert. Dieses Enzym zerlegt Phosphatidylinosit 1,4,5-Bisphosphat (PIP ₂ ) in zwei zweite Botenstoffe, Inosit 1,4,5-Triphosphat (IP ₃ ) und Diacylglycerin (DAG).

IP ₃ diffundiert in das Zytoplasma und bindet an Rezeptoren im endoplasmatischen Retikulum, wodurch Ca ^{+ 2} von innen freigesetzt wird . DAG bleibt in der Membran und aktiviert die Proteinkinase C (PKC). Einige Isoformen von PKC erfordern Ca ⁺² .

Arachidonsäure-Weg

Die Bindung des Liganden an den Rezeptor bewirkt, dass die Beta- und Gamma-Untereinheiten des G-Proteins Phospholipase A ₂ (PLA ₂ ) aktivieren . Dieses Enzym hydrolysiert Phosphatidylinositol (PI) in der Plasmamembran unter Freisetzung von Arachidonsäure, die auf verschiedenen Wegen wie 5- und 12-Lipoxygenase und Cyclooxygenase metabolisiert wird.

Eigenschaften der Rezeptortyrosinkinase

Rezeptortyrosinkinase (RTK) hat extrazelluläre regulatorische Domänen und intrazelluläre katalytische Domänen. Im Gegensatz zum G-Protein-gekoppelten Rezeptor passiert die Polypeptidkette der Rezeptortyrosinkinase die Plasmamembran nur einmal.

Die Bindung des Liganden, der ein Hormon oder Wachstumsfaktor ist, an die regulatorische Domäne bewirkt, dass sich die beiden Rezeptoruntereinheiten verbinden. Dies ermöglicht die Autophosphorylierung des Rezeptors an einem Tyrosinrest und die Aktivierung von Proteinphosphorylierungskaskaden.

Die phosphorylierten Tyrosinreste der Rezeptortyrosinkinase (RTK) interagieren mit Adapterproteinen, die den aktivierten Rezeptor mit Komponenten des Signaltransduktionsweges verbinden. Adapterproteine ​​dienen zur Bildung von Multiprotein-Signalkomplexen.

RTK bindet an verschiedene Peptide wie: epidermalen Wachstumsfaktor; Wachstumsfaktoren für Fibroblasten; Gehirnwachstumsfaktoren; Nervenwachstumsfaktor; und Insulin.

Allgemeine Eigenschaften der Empfänger

Die Aktivierung von Oberflächenrezeptoren führt zu Veränderungen der Proteinphosphorylierung durch Aktivierung von zwei Arten von Proteinkinasen: Tyrosinkinase und Serin- und Threoninkinasen.

Die Serin- und Threoninkinasen sind: cAMP-abhängige Proteinkinase; cGMP-abhängige Proteinkinase; Proteinkinase C; und das Ca ^{+ 2} / Calmodulin- abhängige Protein . In diesen Proteinkinasen befindet sich mit Ausnahme der cAMP-abhängigen Kinase die katalytische und regulatorische Domäne an derselben Polypeptidkette.

Der zweite Botenstoff bindet an diese Serin- und Threoninkinasen und aktiviert sie.

Eigenschaften von Rezeptoren, die Ionenkanäle sind

Ionenkanalrezeptoren haben die folgenden Eigenschaften: a) sie leiten Ionen; b) bestimmte Ionen erkennen und auswählen; c) Öffnen und Schließen als Reaktion auf chemische, elektrische oder mechanische Signale.

Ionenkanalrezeptoren können ein Monomer sein oder sie können Heteroligomere oder Homoligomere sein, deren Regionen der Polypeptidkette die Plasmamembran kreuzen. Es gibt drei Familien von Ionenkanälen: a) Ligand-Gate-Kanäle; b) Gap Junction-Kanäle; und c) Na ⁺ -abhängige Spannungskanäle .

Einige Beispiele für Ionenkanalrezeptoren sind die Acetylcholinrezeptoren mit neuromuskulärem Übergang und die ionotropen Glutamatrezeptoren NMDA und Nicht-NMDA im Zentralnervensystem.

Kommunikation über extrazelluläre Vesikel

Extrazelluläre Vesikel (EV) sind eine Mischung aus Ektosomen und Exosomen, die für die Übertragung biologischer Informationen (RNA, Enzyme, reaktive Sauerstoffspezies usw.) zwischen Zelle und Zelle verantwortlich sind. Der Ursprung beider Vesikel ist unterschiedlich.

Ektosomen sind Vesikel, die durch Keimen aus der Plasmamembran und anschließende Trennung und Freisetzung in den extrazellulären Raum erzeugt werden.

Erstens erfolgt die Clusterbildung von Membranproteinen in diskrete Domänen. Dann akkumulieren die Proteinlipidanker cytosolische Proteine ​​und RNA im Lumen, wodurch die Knospe wächst.

Exosomen sind Vesikel, die sich aus multivesikulären Körpern (MVB) bilden und durch Exozytose in den extrazellulären Raum freigesetzt werden. MVBs sind späte Endosomen, in denen sich intraluminale Vesikel (ILVs) befinden. MVBs können mit Lysosomen fusionieren und den Abbauweg fortsetzen oder ILVS als Exosomen durch Exozytose freisetzen.

EVs interagieren auf unterschiedliche Weise mit der Zielzelle: 1) Verschwinden der EV-Membran und Freisetzung der darin enthaltenen aktiven Faktoren; 2) Elektrofahrzeuge stellen Kontakt mit der Oberfläche der Zielzelle her, die sie fusionieren und ihren Inhalt im Cytosol freisetzen; und 3) EVs werden vollständig durch Makropinozytose und Phagozytose erfasst.

Bedeutung

Die Vielzahl der Funktionen der interzellulären Kommunikation allein zeigt ihre Bedeutung. Einige Beispiele veranschaulichen die Bedeutung verschiedener Arten der zellularen Kommunikation.

- Bedeutung der Quorum-Erfassung. QS reguliert verschiedene Prozesse wie Virulenz innerhalb einer Art oder Mikroorganismen verschiedener Arten oder Gattungen. Beispielsweise verwendet ein Stamm von Staphylococcus aureus ein Signalmolekül bei der Quorum-Erkennung, um den Wirt zu infizieren, und hindert andere Stämme von S. aureus daran.

- Bedeutung der chemischen Kommunikation. Die chemische Markierung ist für das Überleben und den Fortpflanzungserfolg mehrzelliger Organismen erforderlich.

Zum Beispiel entfernt der programmierte Zelltod, der die mehrzellige Entwicklung reguliert, ganze Strukturen und ermöglicht die Entwicklung spezifischer Gewebe. All dies wird durch trophische Faktoren vermittelt.

- Bedeutung von Elektrofahrzeugen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei Diabetes, Entzündungen sowie neurodegenerativen und kardiovaskulären Erkrankungen. Die EVs normaler Zellen und Krebszellen unterscheiden sich stark. Elektrofahrzeuge können Faktoren tragen, die den Krebsphänotyp in Zielzellen fördern oder unterdrücken.

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