COMUNICAREA CELULARĂ: TIPURI, IMPORTANȚĂ, EXEMPLE - BIOLOGIE - 2025

Comunicarea celulară , numită și comunicare intercelulară, este transmiterea moleculelor de semnal extracelulare. Aceste molecule pornesc de la o celulă generatoare de semnal și se leagă de receptorii de pe celula țintă, producând un răspuns specific.

Molecula semnal poate fi o moleculă mică (exemplu: un aminoacid), o peptidă sau o proteină. Prin urmare, comunicarea, care este chimică, este o caracteristică a organismelor unicelulare și multicelulare.

Sursa: pixabay.com

În bacterii, moleculele semnal sunt feromoni bacterieni. Acestea sunt necesare pentru funcții precum transferul orizontal de gene, bioluminescența, formarea biofilmului și producerea de antibiotice și factori patogeni.

În organismele multicelulare, comunicarea celulară poate avea loc între celulele adiacente sau între celulele care sunt separate. În ultimul caz, moleculele de semnal trebuie să difuzeze și să parcurgă distanțe lungi. Printre funcțiile semnalelor se numără modificările expresiei genelor, morfologia și mișcarea celulelor.

Comunicarea celulară poate fi realizată și de vezicule extracelulare (EV), numite ectosomi și exosomi. Unele funcții ale EVs sunt: ​​modularea limfocitelor și a macrofagelor; controlul funcției sinaptice; în vasele de sânge și inima, coagulare și angiogeneză; și schimb de ARN.

Tipuri (sisteme / mecanisme)

În bacterii, există un tip de comunicare celulară numită senzor de cvorum, care constă în comportamente care apar numai atunci când densitatea populației bacteriene este mare. Detectarea cvorumului implică producerea, eliberarea și detectarea ulterioară a concentrațiilor mari de molecule de semnal, denumite autoinductoare.

În eucariote unicelulare, cum ar fi T. brucei, există, de asemenea, detectarea cvorumului. La drojdii, comportamentul sexual și diferențierea celulelor apar ca răspuns la comunicarea feromonilor și la schimbările de mediu.

La plante și animale, utilizarea moleculelor de semnal extracelulare, cum ar fi hormoni, neurotransmițători, factori de creștere sau gaze, este un tip important de comunicare care implică sinteza moleculei semnal, eliberarea acesteia, transportul acesteia la celula țintă, detectarea semnal și răspuns specific.

În raport cu transportul moleculei semnal la animale, distanța de acțiune a moleculei determină două tipuri de semnale: 1) autocrine și paracrine, care acționează, respectiv, asupra aceleiași celule și asupra celulelor din apropiere; și 2) endocrin, care acționează asupra unei celule țintă îndepărtate, fiind transportat de fluxul sanguin.

Comunicarea celulară prin veziculele extracelulare este un tip important de comunicare celulară în organismele eucariote și Archaea.

Pe măsură ce populația eucariotă sau bacteriană unicelulară crește, aceasta ajunge la un număr suficient de celule, sau cvorum, care produce concentrația de inductor capabil să producă un efect în celule. Aceasta constituie un mecanism de luare a recensământului.

Trei tipuri de sisteme de detectare a cvorumului sunt cunoscute în bacterii: unul este gram-negativ; alta în gram pozitiv; și alta pe gramul negativ Vibrio harveyi.

În bacteriile gram-negative, autoinducătorul este lactona homoserină acilată. Această substanță este sintetizată de enzima de tip LuxI și se difuzează pasiv prin membrană, acumulându-se în spațiul extracelular și intracelular. Atunci când este atinsă concentrația de stimulare, este activată transcrierea genelor reglementate de QS.

În bacteriile gram-negative, autoinductorii sunt peptide modificate, care sunt exportate în spațiul extracelular, unde interacționează împreună cu proteinele membranare. Se produce o cascadă de fosforilare care activează proteinele, care se leagă de ADN și controlează transcripția genelor țintă.

Vibrio harveyi produce doi autoinductori, numiți HAI-1 și A1-2. HAI-1 este homoserină lactonă acilată, dar sinteza acesteia nu depinde de LuxI. A1-2 este diester borat de furanosil. Ambele substanțe acționează printr-o cascadă de fosforilare similară cu cea a altor bacterii gram-negative. Acest tip de QS controlează bioluminescența.

Comunicare chimică

Legarea specifică a moleculei semnalului, sau a ligandului, la proteina receptorului produce un răspuns celular specific. Fiecare tip de celule are anumite tipuri de receptori. Deși un anumit tip de receptor poate fi, de asemenea, găsit în diferite tipuri de celule și produce răspunsuri diferite la același ligand.

Natura moleculei de semnal determină calea care va fi utilizată pentru a intra în celulă. De exemplu, hormonii hidrofobi, cum ar fi steroizii, se difuzează prin bicapa lipidică și se leagă de receptori pentru a forma complexe care reglează expresia genelor specifice.

Gazele cum ar fi oxidul nitric și monoxidul de carbon se difuzează prin membrană și activează, în general, guanylyl ciclaza producătoare de GMP ciclic. Majoritatea moleculelor semnal sunt hidrofile.

Receptorii săi se găsesc pe suprafața celulei. Receptorii acționează ca traducători de semnal care modifică comportamentul celulei țintă.

Receptorii de suprafață celulară sunt împărțiți în: a) Receptorii cuplați de proteine ​​G; b) receptori cu activitate enzimatică, cum ar fi tirozin kinaza; și c) receptorii canalului ionic.

Caracteristicile receptorilor cuplati cu proteina G

Receptorii cuplati cu proteine ​​G se gasesc in toate eucariotele. În general, aceștia sunt receptori cu șapte domenii care traversează membrana, cu regiunea N-terminal spre exteriorul celulei și C-terminal spre interiorul celulei. Acești receptori se asociază cu o proteină G care traduce semnalele.

Când ligandul se leagă de receptor, proteina G devine activată. La rândul său, aceasta activează o enzimă efectoare care produce un al doilea mesager intracelular, care poate fi monofosfat de adenozină ciclică (cAMP), acid arachidonic, diacilglicerol sau inozitol-3-fosfat, care acționează ca un amplificator de semnal. iniţială.

Proteina G are trei subunități: alfa, beta și gamma. Activarea proteinei G implică disocierea PIB-ului de proteina G și legarea GTP la subunitatea alfa. În complexul G _alfa- GTP se disociează de subunitățile beta și gamma, interacționând în mod specific cu proteinele efectoare, activându-le.

Calea cAMP poate fi activată de receptorii beta-adrenergici. CAMP este produs de adenilil-ciclază. Calea fosfoinositolului este activată de receptorii muscarinici ai acetilcolinei. Ele activează fosfolipasa C. Calea acidului arahidonic este activată de receptorul histaminic. Activează fosfolipasa A2.

Calea CAMP

Legarea ligandului la receptor, proteina G stimulatorii (G _s ), legat la PIB, determină schimbul de PIB pentru GTP și disocierea subunitatea alfa a G _s din beta și gama subunități. Complexul G _alfa- GTP se asociază cu un domeniu al adenilciclazei, activând enzima și producând cAMP din ATP.

CAMP se leagă de subunitățile de reglementare ale proteinei kinaza dependente de cAMP. Eliberează subunități catalitice, care proteinează fosforilate care reglează răspunsurile celulare. Această cale este reglată de două tipuri de enzime, și anume fosfodiesterazele și fosfatazele proteice.

Calea fosforositolului

Legarea ligandului la receptor activează proteina G (G _q ), care activează fosfolipasa C (PLC). Această enzimă rupe fosfatidil inozitol 1,4,5-bifosfat (PIP ₂ ) în doi alți mesageri, inozitol 1,4,5-trifosfat (IP ₃ ) și diacilglicerol (DAG).

IP _{3 se} difuzează în citoplasmă și se leagă de receptorii din reticulul endoplasmatic, determinând eliberarea de Ca ⁺² din interior. DAG rămâne în membrană și activează proteina kinaza C (PKC). Unele izoforme de PKC necesită Ca ⁺² .

Calea acidului arahidonic

Legarea ligandului la receptor determină subunitățile beta și gamma ale proteinei G să activeze fosfolipasa A ₂ (PLA ₂ ). Această enzimă hidrolizează fosfatidilinositolul (PI) în membrana plasmatică, eliberând acid arahidonic, care este metabolizat pe diferite căi, cum ar fi 5 și 12-lipoxigenază și ciclooxigenază.

Caracteristicile receptorului tirozin kinazei

Receptorul tirozin kinazei (RTK) au domenii de reglare extracelulare și domenii catalitice intracelulare. Spre deosebire de receptorul cuplat cu proteina G, lanțul polipeptidic al receptorului tirozin kinazei traversează membrana plasmatică o singură dată.

Legarea ligandului, care este un hormon sau factor de creștere, la domeniul regulator determină asocierea celor două subunități ale receptorului. Aceasta permite autofosforilarea receptorului pe un reziduu de tirozină și activarea cascadelor de fosforilare proteică.

Reziduurile fosforilate de tirozină ale receptorului tirozin kinazei (RTK) interacționează cu proteinele adaptoare, care leagă receptorul activat de componente ale căii de transducție a semnalului. Proteinele adaptatoare servesc la formarea complexelor de semnalizare multiproteine.

RTK se leagă de diferite peptide, cum ar fi: factorul de creștere a epidermei; factori de creștere a fibroblastului; factori de creștere a creierului; factorul de creștere a nervilor; și insulină.

Caracteristici generale ale receptorilor

Activarea receptorilor de suprafață produce modificări ale fosforilării proteice prin activarea a două tipuri de proteine ​​kinazei: tirozin kinază și serină și treonină kinazei.

Serina și treonina kinazele sunt: ​​proteina kinaza dependentă de cAMP; proteina kinaza dependentă de cGMP; proteina kinaza C; și proteina dependentă de Ca ⁺² / Calmodulin. În aceste proteine ​​kinaze, cu excepția kinazei dependente de cAMP, domeniul catalitic și regulator se găsește pe același lanț polipeptidic.

Al doilea mesager se leagă de aceste serine și treonină kinazele, activându-le.

Caracteristicile receptorilor care sunt canale ionice

Receptorii canalului ionic au următoarele caracteristici: a) conduc ioni; b) recunoaște și selectează ioni specifici; c) se deschid și se închid ca răspuns la semnale chimice, electrice sau mecanice.

Receptorii canalului ionic pot fi un monomer sau pot fi heteroligomeri sau homoligomeri, ale căror regiuni ale lanțului polipeptidic traversează membrana plasmatică. Există trei familii de canale ionice: a) canale poarta ligandului; b) canalele de joncțiune la distanță; și c) canale de tensiune dependente de Na ⁺ .

Unele exemple de receptori ai canalului ionic sunt receptorii de joncțiune neuromusculară pentru acetilcolină și receptorii ionotropi ai glutamatului, NMDA și non-NMDA, în sistemul nervos central.

Comunicare prin vezicule extracelulare

Veziculele extracelulare (EV) sunt un amestec de ectosomi și exosomi, care sunt responsabili de transmiterea informațiilor biologice (ARN, enzime, specii reactive de oxigen etc.) între celulă și celulă. Originea ambelor vezicule este diferită.

Ectozomii sunt vezicule produse prin încolțirea membranei plasmatice, urmată de separarea și eliberarea lor în spațiul extracelular.

În primul rând, are loc aglomerarea proteinelor de membrană în domenii discrete. Apoi, ancorele lipidice proteice acumulează proteine ​​citosolice și ARN în lumen, crescând astfel mugurele.

Exozomii sunt vezicule care se formează din corpuri multivesiculare (MVB) și sunt eliberate prin exocitoză în spațiul extracelular. MVB-urile sunt endosomi tardivi, în care există vezicule intraluminale (ILVs). MVB-urile pot fuziona la lizozomi și pot continua calea degradativă, sau pot elibera ILVS ca exosomi prin exocitoză.

EV-urile interacționează cu celula țintă în diferite moduri: 1) dispariția membranei EV și eliberarea factorilor activi din ea; 2) EV-urile stabilesc contactul cu suprafața celulei țintă, pe care o fuzionează, eliberând conținutul lor în citosol; și 3) EV-urile sunt captate în întregime de macropinocitoză și fagocitoză.

Importanţă

Varietatea largă a funcțiilor comunicării intercelulare doar indică importanța acesteia. Câteva exemple ilustrează importanța diferitelor tipuri de comunicare celulară.

- Importanța detectării cvorumului. QS reglementează diverse procese, cum ar fi virulența în cadrul unei specii sau microorganisme din diferite specii sau genuri. De exemplu, o tulpină de Staphylococcus aureus utilizează o moleculă semnal în cvorumul care sesizează să infecteze gazda și inhibă alte tulpini de S. aureus să o facă.

- Importanța comunicării chimice. Marcajul chimic este necesar pentru supraviețuirea și succesul reproductiv al organismelor multicelulare.

De exemplu, moartea celulară programată, care reglementează dezvoltarea multicelulară, elimină structuri întregi și permite dezvoltarea țesuturilor specifice. Toate acestea sunt mediate de factori trofici.

- Importanța EVs. Acestea joacă un rol important în diabet, inflamație și boli neurodegenerative și cardiovasculare. EV-ul celulelor normale și celulele canceroase diferă mult. EV-urile pot transporta factori care promovează sau reprimă fenotipul cancerului în celulele țintă.

Referințe

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., și colab. 2007. Biologia moleculară a celulei. Garland Science, New York.
2. Bassler, BL 2002. Small Talk: comunicare între celule și celule în bacterii. Celulă, 109: 421-424.
3. Cocucci, E. și Meldolesi, J. 2015. Ectozomi și exosomi: vărsarea confuziei dintre veziculele extracelulare. Tendințe în biologia celulară, xx: 1-9.
4. Kandel, E., Schwarts, JH și Jessell, T., 2000. Principiile științei neuronale. McGraw-Hill SUA.
5. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Biologie celulară și moleculară. Editorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexic, São Paulo.
6. Pappas, KM, Weingart, CL, Winans, SC 2004. Comunicare chimică în proteobacterii: studii biochimice și structurale ale sintazelor și receptorilor semnalului necesare pentru semnalizarea intercelulară. Microbiologie moleculară, 53: 755–769.
7. Perbal, B. 2003. Comunicarea este cheia. Comunicare și semnalizare celulară. Editorial, 1-4.