CELCOMMUNICATIE: SOORTEN, BELANG, VOORBEELDEN - BIOLOGIE - 2026

De cellulaire communicatie , ook wel intercellulaire communicatie genoemd, is de overdracht van extracellulaire signaalmoleculen. Deze moleculen starten vanuit een signaalgenererende cel en binden zich aan receptoren op de doelcel, waardoor een specifieke respons ontstaat.

Het signaalmolecuul kan een klein molecuul zijn (bijvoorbeeld: een aminozuur), een peptide of een eiwit. Daarom is communicatie, die chemisch is, een kenmerk van eencellige en meercellige organismen.

Bron: pixabay.com

Bij bacteriën zijn de signaalmoleculen bacteriële feromonen. Deze zijn nodig voor functies als horizontale genoverdracht, bioluminescentie, biofilmvorming en de productie van antibiotica en pathogene factoren.

In meercellige organismen kan cellulaire communicatie plaatsvinden tussen aangrenzende cellen of tussen cellen die gescheiden zijn. In het laatste geval moeten de signaalmoleculen diffunderen en lange afstanden afleggen. Tot de functies van de signalen behoren veranderingen in genexpressie, morfologie en celbeweging.

Celcommunicatie kan ook worden uitgevoerd door extracellulaire vesikels (EV), ectosomen en exosomen genoemd. Enkele functies van EV's zijn: modulatie van lymfocyten en macrofagen; controle van synaptische functie; in bloedvaten en het hart, coagulatie en angiogenese; en RNA-uitwisseling.

Typen (systemen / mechanismen)

Bij bacteriën is er een soort cellulaire communicatie genaamd quorum sensing, die bestaat uit gedragingen die alleen optreden als de dichtheid van de bacteriepopulatie hoog is. Quorumdetectie omvat de productie, afgifte en daaropvolgende detectie van hoge concentraties signaalmoleculen, autoinducers genoemd.

Bij eencellige eukaryoten, zoals T. brucei, is er ook quorumsensing. In gisten treden seksueel gedrag en celdifferentiatie op als reactie op feromooncommunicatie en veranderingen in de omgeving.

Bij planten en dieren is het gebruik van extracellulaire signaalmoleculen, zoals hormonen, neurotransmitters, groeifactoren of gassen, een belangrijk type communicatie dat betrekking heeft op de synthese van het signaalmolecuul, het vrijkomen ervan, het transport naar de doelcel, detectie signaal en specifieke reactie.

Met betrekking tot het transport van het signaalmolecuul bij dieren, bepaalt de actieafstand van het molecuul twee soorten signalen: 1) autocriene en paracriene signalen, die respectievelijk op dezelfde cel en op nabijgelegen cellen werken; en 2) endocrien, dat inwerkt op een ver verwijderde doelwitcel, getransporteerd door de bloedbaan.

Cellulaire communicatie door extracellulaire blaasjes is een belangrijk type cellulaire communicatie in eukaryote organismen en Archaea.

Naarmate de eencellige eukaryote of bacteriële populatie groeit, bereikt deze een voldoende aantal cellen, of quorum, dat de concentratie inductor produceert die een effect in de cellen kan produceren. Dit vormt een mechanisme voor het nemen van een telling.

Bij bacteriën zijn drie soorten quorumdetectiesystemen bekend: de ene is gramnegatief; een ander in gram-positief; en een andere op de gramnegatieve Vibrio harveyi.

Bij gramnegatieve bacteriën is de autoinducer geacyleerd homoserinelacton. Deze stof wordt gesynthetiseerd door het LuxI-type enzym en diffundeert passief door het membraan en hoopt zich op in de extracellulaire en intracellulaire ruimte. Wanneer de stimulerende concentratie is bereikt, wordt de transcriptie van genen gereguleerd door QS geactiveerd.

In gramnegatieve bacteriën zijn de autoinducers gemodificeerde peptiden, die naar de extracellulaire ruimte worden geëxporteerd, waar ze een interactie aangaan met membraaneiwitten. Er treedt een fosforyleringscascade op die eiwitten activeert, die zich binden aan DNA en de transcriptie van doelgenen regelen.

Vibrio harveyi produceert twee autoinducers, genaamd HAI-1 en A1-2. HAI-1 is geacyleerd lactonhomoserine, maar de synthese ervan is niet afhankelijk van LuxI. A1-2 is furanosylboraatdiester. Beide stoffen werken via een fosforyleringscascade die vergelijkbaar is met die van andere gramnegatieve bacteriën. Dit type QS controleert de bioluminescentie.

Chemische communicatie

Specifieke binding van het signaalmolecuul of ligand aan het receptoreiwit produceert een specifieke cellulaire respons. Elk type cel heeft bepaalde soorten receptoren. Hoewel een bepaald type receptor ook in verschillende soorten cellen kan worden aangetroffen en verschillende reacties op hetzelfde ligand kan produceren.

De aard van het signaalmolecuul bepaalt het pad dat zal worden gebruikt om de cel binnen te gaan. Hydrofobe hormonen, zoals steroïden, diffunderen bijvoorbeeld door de lipidedubbellaag en binden zich aan receptoren om complexen te vormen die de expressie van specifieke genen reguleren.

Gassen zoals stikstofmonoxide en koolmonoxide diffunderen door het membraan en activeren in het algemeen cyclisch GMP-producerende guanylylcyclase. De meeste signaalmoleculen zijn hydrofiel.

De receptoren bevinden zich op het celoppervlak. De receptoren werken als signaalvertalers die het gedrag van de doelcel veranderen.

Receptoren op het celoppervlak zijn onderverdeeld in: a) aan G-proteïne gekoppelde receptoren; b) receptoren met enzymactiviteit, zoals tyrosinekinase; en c) ionkanaalreceptoren.

Kenmerken van aan G-proteïne gekoppelde receptoren

G-eiwit-gekoppelde receptoren worden in alle eukaryoten aangetroffen. Over het algemeen zijn het receptoren met zeven domeinen die het membraan doorkruisen, met het N-terminale gebied naar de buitenkant van de cel en het C-terminale gebied naar de binnenkant van de cel. Deze receptoren associëren zich met een G-eiwit dat de signalen vertaalt.

Wanneer het ligand aan de receptor bindt, wordt het G-eiwit geactiveerd. Dit activeert op zijn beurt een effector-enzym dat een tweede intracellulaire boodschapper produceert, die cyclisch adenosinemonofosfaat (cAMP), arachidonzuur, diacylglycerol of inositol-3-fosfaat kan zijn, dat als signaalversterker fungeert. eerste.

Proteïne G heeft drie subeenheden: alfa, bèta en gamma. Activering van het G-eiwit omvat de dissociatie van GDP van het G-eiwit en de binding van GTP aan de alfa-subeenheid. In het G _alpha- GTP- complex dissociëren ze van de bèta- en gamma-subeenheden, waarbij ze specifiek interageren met effector-eiwitten en ze activeren.

De cAMP-route kan worden geactiveerd door bèta-adrenerge receptoren. CAMP wordt geproduceerd door adenylylcyclase. De fosfoinositolroute wordt geactiveerd door muscarine-acetylcholinereceptoren. Ze activeren fosfolipase C. De arachidonzuurroute wordt geactiveerd door de histaminereceptor. Activeert fosfolipase A2.

CAMP-pad

Binding van het ligand aan de receptor, het stimulerende proteïne G (G _s ), gebonden aan GDP, veroorzaakt de uitwisseling van GDP voor GTP en de dissociatie van de alfa-subeenheid van G _s van de bèta- en gamma-subeenheden. Het G- _alfa- GTP- complex associeert zich met een domein van adenylcyclase, activeert het enzym en produceert cAMP uit ATP.

CAMP bindt aan de regulerende subeenheden van het cAMP-afhankelijke proteïnekinase. Geeft katalytische subeenheden vrij, die eiwitten fosforyleren die cellulaire reacties reguleren. Deze route wordt gereguleerd door twee soorten enzymen, namelijk fosfodiësterasen en eiwitfosfatasen.

Fosfoinositol-route

Binding van het ligand aan de receptor activeert het G-eiwit ( _Gq ), dat fosfolipase C (PLC) activeert. Dit enzym breekt fosfatidylinositol 1,4,5-bisfosfaat (PIP ₂ ) af in twee tweede boodschappers, inositol 1,4,5-trifosfaat (IP ₃ ) en diacylglycerol (DAG).

IP ₃ diffundeert in het cytoplasma en bindt zich aan receptoren in het endoplasmatisch reticulum, waardoor Ca ^{+ 2} van binnenuit vrijkomt . DAG blijft in het membraan en activeert proteïnekinase C (PKC). Sommige isovormen van PKC vereisen Ca ⁺² .

Arachidonzuurroute

Binding van het ligand aan de receptor zorgt ervoor dat de bèta- en gamma-subeenheden van het G-eiwit fosfolipase A ₂ (PLA ₂ ) activeren . Dit enzym hydrolyseert fosfatidylinositol (PI) in het plasmamembraan, waarbij arachidonzuur vrijkomt, dat wordt gemetaboliseerd via verschillende routes, zoals 5 en 12-lipoxygenase en cyclo-oxygenase.

Kenmerken van receptortyrosinekinase

Receptortyrosinekinase (RTK) hebben extracellulaire regulerende domeinen en intracellulaire katalytische domeinen. In tegenstelling tot de G-eiwit-gekoppelde receptor, passeert de polypeptideketen van receptortyrosinekinase het plasmamembraan slechts één keer.

De binding van het ligand, dat een hormoon of groeifactor is, aan het regulerende domein zorgt ervoor dat de twee receptorsubeenheden associëren. Dit zorgt voor autofosforylering van de receptor op een tyrosineresidu en activering van eiwitfosforyleringscascades.

De gefosforyleerde tyrosineresiduen van de receptortyrosinekinase (RTK) interageren met adapterproteïnen, die de geactiveerde receptor verbinden met componenten van de signaaltransductieroute. Adapterproteïnen dienen om multiproteïne-signaleringscomplexen te vormen.

RTK bindt aan verschillende peptiden, zoals: epidermale groeifactor; fibroblast groeifactoren; hersengroeifactoren; zenuwgroeifactor; en insuline.

Algemene kenmerken van de ontvangers

Activering van oppervlakreceptoren veroorzaakt veranderingen in eiwitfosforylering door twee typen eiwitkinasen te activeren: tyrosinekinase en serine- en treoninekinasen.

De serine- en threoninekinasen zijn: cAMP-afhankelijke proteïnekinase; cGMP-afhankelijke proteïnekinase; proteïne kinase C; en het Ca ⁺² / Calmoduline- afhankelijke eiwit . In deze proteïnekinasen, met uitzondering van het cAMP-afhankelijke kinase, wordt het katalytische en regulerende domein gevonden op dezelfde polypeptideketen.

De tweede boodschapper bindt zich aan deze serine- en threoninekinasen en activeert ze.

Kenmerken van receptoren die ionenkanalen zijn

Ionenkanaalreceptoren hebben de volgende kenmerken: a) ze geleiden ionen; b) herkennen en selecteren van specifieke ionen; c) openen en sluiten in reactie op chemische, elektrische of mechanische signalen.

Ionenkanaalreceptoren kunnen een monomeer zijn, of het kunnen heteroligomeren of homoligomeren zijn, waarvan de gebieden van de polypeptideketen het plasmamembraan kruisen. Er zijn drie families ionenkanalen: a) ligandpoortkanalen; b) gap junction kanalen; en c) Na ⁺ -afhankelijke spanningskanalen .

Enkele voorbeelden van ionkanaalreceptoren zijn de neuromusculaire junctie acetylcholinereceptoren en de ionotrope glutamaatreceptoren, NMDA en niet-NMDA, in het centrale zenuwstelsel.

Communicatie via extracellulaire blaasjes

Extracellulaire blaasjes (EV) zijn een mengsel van ectosomen en exosomen, die verantwoordelijk zijn voor de overdracht van biologische informatie (RNA, enzymen, reactieve zuurstofsoorten, enz.) Tussen cel en cel. De oorsprong van beide blaasjes is anders.

Ectosomen zijn blaasjes die worden geproduceerd door te ontspruiten uit het plasmamembraan, gevolgd door hun scheiding en afgifte in de extracellulaire ruimte.

Ten eerste vindt de clustering van membraaneiwitten in discrete domeinen plaats. Vervolgens hopen de eiwitlipidenankers cytosolische eiwitten en RNA op in het lumen, waardoor de knop groeit.

Exosomen zijn blaasjes die worden gevormd uit multivesiculaire lichamen (MVB) en worden vrijgegeven door exocytose in de extracellulaire ruimte. MVB's zijn late endosomen, waarin zich intraluminale vesikels (ILV's) bevinden. MVB's kunnen fuseren met lysosomen en de afbraakroute voortzetten, of ILVS vrijgeven als exosomen door exocytose.

EV's interageren op verschillende manieren met de doelcel: 1) verdwijnen van het EV-membraan en het vrijkomen van de actieve factoren erin; 2) EV's maken contact met het oppervlak van de doelcel, die ze samensmelten, waardoor hun inhoud in het cytosol vrijkomt; en 3) EV's worden volledig opgevangen door macropinocytose en fagocytose.

Belang

Alleen al de grote verscheidenheid aan functies van intercellulaire communicatie geeft het belang ervan aan. Enkele voorbeelden illustreren het belang van verschillende soorten mobiele communicatie.

- Belang van quorum sensing. QS reguleert verschillende processen, zoals virulentie binnen een soort, of micro-organismen van verschillende soorten of geslachten. Een stam van Staphylococcus aureus gebruikt bijvoorbeeld een signaalmolecuul bij quorumsensing om de gastheer te infecteren en remt andere stammen van S. aureus om dit te doen.

- Belang van chemische communicatie. Chemische markering is nodig voor de overleving en reproductief succes van meercellige organismen.

Geprogrammeerde celdood, die de meercellige ontwikkeling reguleert, verwijdert bijvoorbeeld hele structuren en maakt de ontwikkeling van specifieke weefsels mogelijk. Dit alles wordt gemedieerd door trofische factoren.

- Belang van elektrische voertuigen. Ze spelen een belangrijke rol bij diabetes, ontstekingen en neurodegeneratieve en cardiovasculaire aandoeningen. De EV's van normale cellen en kankercellen verschillen enorm. EV's kunnen factoren dragen die het kankerfenotype in doelcellen bevorderen of onderdrukken.

Referenties

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. 2007. Moleculaire biologie van de cel. Garland Science, New York.
2. Bassler, BL 2002. Small Talk: cel-naar-celcommunicatie bij bacteriën. Cell, 109: 421-424.
3. Cocucci, E. en Meldolesi, J. 2015. Ectosomen en exosomen: de verwarring tussen extracellulaire blaasjes wegnemen. Trends in celbiologie, xx: 1–9.
4. Kandel, E., Schwarts, JH, en Jessell, T., 2000. Principles of Neural Science. McGraw-Hill USA.
5. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Cellulaire en moleculaire biologie. Redactioneel Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexico, Sāo Paulo.
6. Pappas, KM, Weingart, CL, Winans, SC 2004. Chemische communicatie in proteobacteriën: biochemische en structurele studies van signaalsynthasen en receptoren die nodig zijn voor intercellulaire signalering. Molecular Microbiology, 53: 755-769.
7. Perbal, B. 2003. Communicatie is de sleutel. Celcommunicatie en signalering. Redactioneel, 1-4.