9.1 Boðsameindir og frumuviðtakar

Hæfniviðmið

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

• Lýst fjórum tegundum boðskipta sem finnast í fjölfrumungum
• Borið saman innri viðtaka og yfirborðsviðtaka frumna
• Útskýrt sambandið milli byggingar bindils og verkunarmáta hans

Til eru tvær tegundir samskipta í heimi lifandi frumna. Samskipti milli frumna kallast millifrumuboðskipti og samskipti innan frumu kallast innanfrumuboðskipti. Auðveld leið til að muna muninn er að skilja latneskan uppruna forskeytanna: inter- þýðir „á milli“ (til dæmis eru línur sem skerast línur sem skerast) og intra- þýðir „inni í“ (eins og í orðinu intravenous, sem merkir í æð).

Boðfrumur losa efnaboð í formi lítilla, yfirleitt rokgjarnra eða leysanlegra sameinda sem kallast bindlar. Bindill er sameind sem binst annarri sértækri sameind og skilar í sumum tilfellum boðum í ferlinu. Því má líta á bindla sem boðsameindir. Bindlar víxlverka við prótein í markfrumum, sem eru frumur sem verða fyrir áhrifum af efnaboðum; þessi prótein eru einnig kölluð viðtakar. Bindlar og viðtakar eru til í nokkrum afbrigðum; þó hefur tiltekinn bindill tiltekinn viðtaka sem binst yfirleitt aðeins þeim bindli.

Form boðskipta

Til eru fjórir flokkar efnaboðskipta sem finnast í fjölfrumungum: nærboðskipti, innkirtlaboðskipti, sjálfsboðskipti og bein boðskipti um gatatengi (Mynd 9.2). Helsti munurinn á mismunandi flokkum boðskipta er sú vegalengd sem boðið ferðast í gegnum lífveruna til að ná til markfrumunnar. Við ættum að taka fram hér að ekki verða allar frumur fyrir áhrifum af sömu boðunum.

Nærboðskipti

Boð sem verka staðbundið milli frumna sem eru nálægt hver annarri kallast nærboð. Nærboð flytjast með flæði í gegnum utanfrumuefnið. Þessar tegundir boða kalla venjulega fram hröð viðbrögð sem vara aðeins í stuttan tíma. Til að halda svöruninni staðbundinni eru nærboðsbindlar venjulega brotnir hratt niður af ensímum eða fjarlægðar af nálægum frumum. Með því að fjarlægja boðin endurmyndast styrkhallinn fyrir boðið, sem gerir þeim kleift að flæða hratt í gegnum millifrumurýmið ef þau losna aftur.

Dæmi um nærboðskipti er flutningur boða yfir taugamót milli taugafrumna. Taugafruma samanstendur af frumubol, nokkrum stuttum, greinóttum öngum sem kallast griplur, sem taka við áreiti, og löngum anga sem kallast sími, sem sendir boð til annarra taugafrumna eða vöðvafrumna. Tengingin milli taugafrumna þar sem boðflutningur á sér stað kallast taugamót. Taugamótaboð er efnaboð sem ferðast milli taugafrumna. Boð innan taugafrumnanna berast með hröðum rafboðum. Þegar þessi rafboð ná enda símans heldur boðið áfram til griplu næstu frumu með losun efnaboða sem kallast taugaboðefni frá fyrirmótafrumunni (frumunni sem sendir boðið). Taugaboðefnin eru flutt yfir mjög stuttar vegalengdir (20–40 nanómetrar) milli taugafrumna, sem kallast efnataugamót (Mynd 9.3). Stutta vegalengdin milli taugafrumna gerir boðinu kleift að ferðast hratt; þetta gerir kleift að bregðast strax við, eins og „Taktu höndina af hellunni!“

Þegar taugaboðefnið binst viðtakanum á yfirborði eftirmótafrumunnar breytist rafefnaspenna markfrumunnar og næsta rafboð er sett af stað. Taugaboðefnin sem losna í efnataugamótin eru brotin hratt niður eða endurupptekin af fyrirmótafrumunni svo að móttökutaugafruman geti jafnað sig hratt og verið tilbúin til að bregðast hratt við næsta taugamótaboði.

Innkirtlaboðskipti

Boð frá fjarlægum frumum kallast innkirtlaboð (fjarboð/innkirtlaboð) og þau eiga uppruna sinn í innkirtlafrumum. (Í líkamanum eru margar innkirtlafrumur staðsettar í innkirtlum, svo sem skjaldkirtli, undirstúku og heiladingli.) Þessar tegundir boða kalla venjulega fram hægari viðbrögð en hafa langvarandi áhrif. Bindlarnir sem losna í innkirtlaboðskiptum kallast hormón, boðsameindir sem eru framleiddar í einum hluta líkamans en hafa áhrif á önnur líkamssvæði í nokkurri fjarlægð.

Hormón ferðast langar vegalengdir milli innkirtlafrumna og markfrumna þeirra með blóðrásinni, sem er tiltölulega hæg leið til að ferðast um líkamann. Vegna flutningsmáta þeirra þynnast hormón út og eru til staðar í lágum styrk þegar þau verka á markfrumur sínar. Þetta er ólíkt nærboðskiptum, þar sem staðbundinn styrkur bindla getur verið mjög hár.

Sjálfsboðskipti

Sjálfsboð eru framleidd af boðfrumum sem geta einnig bundist bindlinum sem er losaður. Þetta þýðir að boðfruman og markfruman geta verið sama fruman eða fruma af svipaðri gerð (forskeytið auto- merkir sjálf- og minnir á að boðfruman sendir boð til sjálfrar sín). Þessi tegund boðskipta á sér oft stað á fyrstu stigum þroska lífveru til að tryggja að frumur þroskist í rétta vefi og taki að sér rétta starfsemi. Sjálfsboðskipti stjórna einnig sársaukaskyni og bólguviðbrögðum. Ennfremur, ef fruma er sýkt af veiru, getur fruman sent boð til sjálfrar sín um að gangast undir stýrðan frumudauða og drepa veiruna í leiðinni. Í sumum tilfellum verða nálægar frumur af sömu gerð einnig fyrir áhrifum af losaða bindlinum. Í fósturþroska getur þetta ferli, að örva hóp nálægra frumna, hjálpað til við að stýra sérhæfingu einsleitra frumna í sömu frumugerð og tryggja þannig rétta þroskun.

Bein boðskipti um gatatengi

Gatatengi í dýrum og frymisbrýr í plöntum eru tengingar milli frumuhimna nálægra frumna. Þessi vökvafylltu göng gera litlum boðsameindum, sem kallast innanfrumumiðlarar, kleift að flæða milli frumnanna tveggja. Litlar sameindir eða jónir, eins og kalsíumjónir (Ca²⁺), geta farið á milli frumna, en stórar sameindir eins og prótein og DNA komast ekki í gegnum göngin. Sértækni ganganna tryggir að frumurnar haldist sjálfstæðar en geti hratt og auðveldlega sent boð. Flutningur boðsameinda miðlar núverandi ástandi frumunnar sem er beint við hliðina á markfrumunni; þetta gerir hópi frumna kleift að samhæfa viðbrögð sín við boði sem aðeins ein þeirra gæti hafa fengið. Í plöntum eru frymisbrýr útbreiddar, sem gerir alla plöntuna að risastóru samskiptaneti.

Tegundir viðtaka

Viðtakar eru próteinsameindir í markfrumunni eða á yfirborði hennar sem binda bindil. Til eru tvær tegundir viðtaka, innri viðtakar og frumuyfirborðsviðtakar.

Innri viðtakar

Innri viðtakar, einnig þekktir sem innanfrumuviðtakar eða umfrymisviðtakar, finnast í umfrymi frumunnar og bregðast við vatnsfælnum bindlasameindum sem geta ferðast yfir frumuhimnuna. Þegar inn í frumuna er komið bindast margar þessara sameinda próteinum sem virka sem stjórnendur mRNA-myndunar (umritunar) til að miðla tjáningu gena. Tjáning gena er frumuferlið þar sem upplýsingum í DNA frumu er breytt í röð amínósýra, sem að lokum myndar prótein. Þegar bindillinn binst innri viðtakanum er hrundið af stað formbreytingu sem afhjúpar DNA-bindiset á próteininu. Bindils-viðtakaflókinn færist inn í kjarnann, binst síðan sérstökum stjórnsvæðum litninga-DNA og stuðlar að upphafi umritunar (Mynd 9.4). Umritun er ferlið við að afrita upplýsingarnar í DNA frumu yfir í sérstakt form af RNA sem kallast boð-RNA (mRNA); fruman notar upplýsingar í mRNA (sem færist út í umfrymið og tengist ríbósómum) til að tengja saman sérstakar amínósýrur í réttri röð og framleiða prótein. Innri viðtakar geta haft bein áhrif á tjáningu gena án þess að þurfa að senda boðið áfram til annarra viðtaka eða boðbera.

Frumuyfirborðsviðtakar

Frumuyfirborðsviðtakar, einnig þekktir sem himnugegnir viðtakar, eru himnubundin (íhimnu) prótein á yfirborði frumu sem bindast ytri bindlasameindum. Þessi tegund viðtaka nær í gegnum frumuhimnuna og framkvæmir boðmiðlun, þar sem utanfrumuboði er breytt í innanfrumuboð. Bindlar sem víxlverka við frumuyfirborðsviðtaka þurfa ekki að fara inn í frumuna sem þeir hafa áhrif á. Frumuyfirborðsviðtakar eru einnig kallaðir frumusértæk prótein eða merki vegna þess að þeir eru sértækir fyrir einstakar frumugerðir.

Þar sem frumuyfirborðsviðtakaprótein eru grundvallaratriði fyrir eðlilega starfsemi frumna, ætti það ekki að koma á óvart að bilun í einhverju þessara próteina geti haft alvarlegar afleiðingar. Sýnt hefur verið fram á að villur í próteinbyggingu ákveðinna viðtakasameinda spili hlutverk í háþrýstingi, astma, hjartasjúkdómum og krabbameini.

Hver frumuyfirborðsviðtaki hefur þrjá meginhluta: ytra bindlasvæði sem kallast utanfrumusvæði, vatnsfælið svæði sem nær í gegnum himnuna og kallast himnugegnumgangandi svæði, og innanfrumusvæði inni í frumunni. Stærð og umfang hvers þessara svæða er mjög breytilegt eftir tegund viðtaka.

Þróunarfræðileg tenging

Hvernig veirur þekkja hýsil

Ólíkt lifandi frumum hafa margar veirur hvorki frumuhimnu né neina þá uppbyggingu sem nauðsynleg er til að viðhalda efnaskiptalífi. Sumar veirur eru einfaldlega samsettar úr óvirku próteinhylki sem umlykur DNA eða RNA. Til að fjölga sér verða veirur að ráðast inn í lifandi frumu, sem þjónar sem hýsill, og taka síðan yfir frumuvélar hýsilsins. En hvernig þekkir veira hýsil sinn?

Veirur bindast oft frumuyfirborðsviðtökum á hýsilfrumunni. Til dæmis binst veiran sem veldur inflúensu í mönnum (flensu) sértækt við viðtaka á himnum frumna í öndunarfærum. Efnafræðilegur munur á frumuyfirborðsviðtökum milli hýsla þýðir að veira sem sýkir tiltekna tegund (til dæmis menn) getur oft ekki sýkt aðra tegund (til dæmis kjúklinga).

Hins vegar hafa veirur mjög lítið magn af DNA eða RNA samanborið við menn, og þar af leiðandi getur fjölgun veira átt sér stað hratt. Fjölgun veira leiðir undantekningarlaust til villna sem geta valdið breytingum í nýframleiddum veirum; þessar breytingar þýða að veirupróteinin sem víxlverka við frumuyfirborðsviðtaka geta þróast á þann hátt að þau geti bundist viðtökum í nýjum hýsli. Slíkar breytingar gerast af handahófi og nokkuð oft í fjölgunarferli veiru, en breytingarnar skipta aðeins máli ef veira með nýja bindieiginleika kemst í snertingu við hentugan hýsil. Í tilfelli inflúensu getur þetta ástand komið upp í aðstæðum þar sem dýr og fólk eru í nánu sambýli, svo sem á alifugla- og svínabúum. 1 Þegar veira hefur stokkið yfir fyrri „tegundarhindrun“ yfir í nýjan hýsil getur hún breiðst hratt út. Vísindamenn fylgjast náið með nýjum veirum (kallaðar nýkomnar veirur) í von um að slíkt eftirlit geti dregið úr líkum á heimsfaraldri.

Frumuyfirborðsviðtakar koma við sögu í flestum boðskiptum í fjölfrumungum. Það eru þrír meginflokkar frumuyfirborðsviðtaka: jónagangatengdir viðtakar, G-próteintengdir viðtakar og ensímtengdir viðtakar.

Jónagangatengdir viðtakar binda bindil og opna göng í gegnum himnuna sem leyfa sértækum jónum að fara í gegn. Til að mynda göng hefur þessi tegund frumuyfirborðsviðtaka umfangsmikið svæði sem spannar himnuna. Til að geta haft samskipti við fosfólípíðtvílagið sem mynda miðju frumuhimnunnar, eru margar amínósýrurnar á himnugegna svæðinu vatnsfælna eðlis. Aftur á móti eru amínósýrurnar sem klæða innanverð göngin vatnssæknar til að leyfa flæði vatns eða jóna. Þegar bindill binst utanfrumusvæði ganganna verður breyting á þrívíddarbyggingu próteinsins sem leyfir jónum eins og natríum, kalsíum, magnesíum og vetni að fara í gegn (Mynd 9.5).

G-próteintengdir viðtakar binda bindil og virkja himnuprótein sem kallast G-prótein. Virkjaða G-próteinið víxlverkar síðan við annaðhvort jónagöng eða ensím í himnunni (Mynd 9.6). Allir G-próteintengdir viðtakar hafa sjö himnugegnumgangandi svæði, en hver viðtaki hefur sitt eigið sértæka utanfrumusvæði og bindiset fyrir G-prótein.

Frumuboðskipti með notkun G-próteintengdra viðtaka eiga sér stað sem hringrás atburða. Áður en bindillinn binst getur óvirka G-próteinið bundist við bindiset á viðtakanum sem er sértækt fyrir bindingu þess. Þegar bindillinn binst viðtakanum virkjar lögunarbreytingin sem verður G-próteinið, sem losar gúanósíndífosfat (GDP) og tekur upp gúanósínþrífosfat (GTP). Undireiningar G-próteinsins klofna þá í α-undireiningu og βγ-undireiningu. Annar eða báðir þessara G-próteinbúta geta í kjölfarið virkjað önnur prótein. Eftir nokkra stund er GTP á virku α-undireiningu G-próteinsins vatnsrofið í GDP og βγ-undireiningin verður óvirk. Undireiningarnar sameinast aftur til að mynda óvirka G-próteinið og hringrásin hefst á ný.

Ensímtengdir viðtakar eru frumuyfirborðsviðtakar með innanfrumusvæði sem eru tengd ensími. Í sumum tilfellum er innanfrumusvæði viðtakans sjálft ensím. Aðrir ensímtengdir viðtakar hafa lítið innanfrumusvæði sem víxlverkar beint við ensím. Ensímtengdir viðtakar hafa venjulega stór utanfrumu- og innanfrumusvæði, en himnugegnumgangandi svæðið samanstendur af einum alfa-gormlaga hluta peptíðkeðjunnar. Þegar bindill binst utanfrumusvæðinu er boð flutt í gegnum himnuna og virkjar ensímið. Virkjun ensímsins setur af stað keðjuverkun atburða innan frumunnar sem leiðir að lokum til svörunar. Eitt dæmi um þessa tegund ensímtengdra viðtaka er viðtaka-týrósínkínasinn (Mynd 9.8). Kínasi er ensím sem flytur fosfathópa frá ATP yfir á annað prótein. Viðtaka-týrósínkínasinn flytur fosfathópa yfir á týrósínsameindir (týrósínleifar). Fyrst bindast boðsameindir utanfrumusvæði tveggja nálægra viðtaka-týrósínkínasa. Viðtakarnir tveir tengjast síðan saman, eða mynda tvennd. Fosfötum er þá bætt við týrósínleifar á innanfrumusvæði viðtakanna (sjálffosfórun). Fosfóruðu leifarnar geta síðan miðlað boðinu til næsta boðbera í umfryminu.

Myndræn tenging

HER2 er viðtaka-týrósínkínasi. Í 30 prósentum brjóstakrabbameina í mönnum er HER2 varanlega virkjaður, sem leiðir til óstjórnlegrar frumuskiptingar. Lapatinib, lyf sem notað er til að meðhöndla brjóstakrabbamein, hindrar sjálffosfórun HER2-viðtaka-týrósínkínasans (ferlið þar sem viðtakinn bætir fosfötum á sjálfan sig) og minnkar þannig æxlisvöxt um 50 prósent. Fyrir utan sjálffosfórun, hvert af eftirfarandi skrefum yrði hindrað af Lapatinib?

1. Binding boðsameindar, tvenndarmyndun og frumusvar í kjölfarið
2. Tvenndarmyndun og frumusvar í kjölfarið
3. Frumusvar í kjölfarið
4. Fosfatasavirkni, tvenndarmyndun og frumusvar í kjölfarið

Boðsameindir

Bindlar eru framleiddir af boðfrumum og bindast síðan viðtökum í markfrumum, en þeir virka sem efnaboð sem ferðast til markfrumna til að samhæfa svörun. Tegundir sameinda sem þjóna sem bindlar eru ótrúlega fjölbreyttar og spanna allt frá litlum próteinum til lítilla jóna eins og kalsíums (Ca²⁺).

Litlir vatnsfælnir bindlar

Litlir vatnsfælnir bindlar geta flætt beint í gegnum frumuhimnuna og haft samskipti við innri viðtaka. Mikilvægir meðlimir þessa flokks bindla eru sterahormónin. Sterar eru lípíð sem hafa kolvetnisgrind með fjórum samtengdum hringjum; mismunandi sterar hafa mismunandi virka hópa tengda við kolvetnisgrindina. Sterahormón eru meðal annars kvenkynshormónið estradíól, sem er tegund estrógens; karlkynshormónið testósterón; og kólesteról, sem er mikilvægur byggingarþáttur líffræðilegra himna og forveri sterahormóna (Mynd 9.9). Önnur vatnsfælin hormón eru meðal annars skjaldkirtilshormón og D-vítamín. Til að vera leysanlegir í blóði verða vatnsfælnir bindlar að bindast burðarpróteinum á meðan þeir eru fluttir með blóðrásinni.

Vatnsleysanlegir bindlar

Vatnsleysanlegir bindlar eru skautaðir og geta því ekki farið í gegnum frumuhimnuna án aðstoðar; stundum eru þeir of stórir til að komast í gegnum himnuna. Í staðinn bindast flestir vatnsleysanlegir bindlar utanfrumusvæði frumuyfirborðsviðtaka. Þessi hópur bindla er nokkuð fjölbreyttur og inniheldur litlar sameindir, peptíð og prótein.

Aðrir bindlar

Nituroxíð (NO) er gas sem virkar einnig sem bindill. Það getur flætt beint yfir frumuhimnuna og eitt af hlutverkum þess er að víxlverka við viðtaka í sléttum vöðvum og framkalla slökun í vefnum. NO hefur mjög stuttan helmingunartíma og virkar því aðeins yfir stuttar vegalengdir. Nítróglýserín, lyf við hjartasjúkdómum, virkar með því að koma af stað losun á NO, sem veldur því að æðar víkka (þenjast út) og endurheimtir þannig blóðflæði til hjartans. NO hefur orðið þekktara nýlega vegna þess að ferlið sem það hefur áhrif á er skotmark lyfseðilsskyldra lyfja við ristruflunum, eins og Viagra (ris tengist víkkun æða).