Signaalinsiirto — solujen viestintä ja signaalireitit (määritelmä)

Signaalinsiirto: solujen reseptorit, toisiolähettimet ja kaskadit selitetty — miten pieni ärsyke voi muuttaa entsyymejä ja geenien ilmentymistä nopeasti tai pitkäkestoisesti.

Biologiassa signaalinsiirto on solumekanismi. Se muuttaa ärsykkeen solun vasteeksi. Tässä prosessissa on kaksi vaihetta:

1. Signaalimolekyyli kiinnittyy solukalvolla olevaan reseptoriproteiiniin.
2. Toinen lähettiläs välittää signaalin soluun, ja solussa tapahtuu muutos.

Signaalinsiirto alkaa siis signaalista solureseptorille ja päättyy solun toiminnan muuttumiseen. Kummassakin vaiheessa signaali voi vahvistua. Yksi signaalimolekyyli voi siis aiheuttaa monia vasteita.

Reseptorityypit ja signaalin vastaanotto

Reseptorit ovat solukalvolla, ja osa reseptorista on solun ulkopuolella ja osa solun sisällä.  Kemiallinen signaali sitoutuu reseptorin ulompaan osaan ja muuttaa sen muotoa. Tämä aiheuttaa toisen signaalin solun sisällä.  Jotkin kemialliset viestimet, kuten testosteroni, voivat kulkea solukalvon läpi ja sitoutua suoraan sytoplasmassa tai ytimessä oleviin reseptoreihin.

Tyypillisiä reseptoriluokkia ovat:

• ionikanavareseptorit (ligandiohjatut kanavat), jotka muuttavat ionivirtaa ja toimivat nopeasti;
• G-proteiinikytketyt reseptorit (GPCR), jotka aktivoivat G-proteiineja ja niiden kautta monia toisiolähetinjärjestelmiä;
• reseptorityrosiinikinaasit ja muut kinasaattiset reseptorit, jotka fosforyloivat proteiineja ja käynnistävät laajoja kaskadeja (esim. kasvutekijäreseptorit);
• intracellulaariset reseptorit, joihin kuuluvat steroidihormonien kaltaiset reseptorit, jotka säätelevät suoraan geenien ilmentymistä.

Toisiolähettimet ja solunsisäinen viestintä

Useimmiten kyse on solun sisällä tapahtuvien biokemiallisten reaktioiden järjestäytyneistä sarjoista. Entsyymit suorittavat ne ja ne ovat yhteydessä toisiolähettien välityksellä. Näin syntyy "second messenger pathway". Tärkeimpiä toisiolähettimiä ovat mm. kalsiumionit (Ca2+), cAMP, cGMP, IP3 ja DAG. Nämä välittävät ja vahvistavat signaalia nopeasti ja mahdollistavat monipuoliset vasteet.

Näitä asioita toteuttavat usein proteiinikinaasit (esim. MAP-kinasaattien ketjut), jolloin signaali välittyy fosforylaation avulla. Myös fosfataasit palauttavat tilan ja sammuttavat signaalin.

Signaalikaskadit, vahvistus ja säätely

Joskus solun sisällä on signaalien kaskadi. Kaskadin jokaisella askeleella signaali voi vahvistua, joten pieni signaali voi johtaa suureen vasteeseen. Lopulta signaali saa aikaan muutoksen solussa, joko DNA:n ilmentymisessä ytimessä tai entsyymien aktiivisuudessa sytoplasmassa.

Prosessiin osallistuvien proteiinien ja muiden molekyylien määrä kasvaa prosessin aikana. Näin syntyy "signaalikaskadi", ja suhteellisen pieni ärsyke voi aiheuttaa suuren vasteen. Samanaikaisesti solu käyttää monenlaisia säätelymekanismeja, kuten negatiivista palautetta, reseptorin internalisaatiota ja proteiinien hajotusta, jotta vaste pysyy sopivassa voimakkuudessa ja kestossa.

Ajan skaala: millisekunneista tunteihin ja päiviin

Nämä solujen väliset viestintäjärjestelmät tapahtuvat yleensä nopeasti, joskus hyvin nopeasti. Ne voivat kestää millisekunneista (ionivirran tapauksessa) päiviin geenien ilmentymisessä. Esimerkiksi synaptinen välitys hermosoluissa on erittäin nopeaa, kun taas hormonien aiheuttamat muutokset geeniekspressiossa kehittyvät hitaammin mutta voivat olla pitkäkestoisia.

Yksisoluiset ja monisoluiset organismit

Bakteereissa ja muissa yksisoluisissa eliöissä solun transduktioprosessit rajoittavat niiden tapojen määrää, joilla se voi reagoida ympäristöönsä. Esimerkkejä ovat kaksi-komponenttijärjestelmät ja quorum sensing -järjestelmät, joilla bakteerit säätelevät ryhmäkäyttäytymistä.

Monisoluisissa eliöissä yksittäisten solujen käyttäytymisen koordinointiin käytetään paljon erilaisia signaalinsiirtoprosesseja. Tällä tavoin organisoidaan koko organismin toiminta. Mitä monimutkaisempi organismi on, sitä monimutkaisempi signaalinsiirtoprosessien repertuaari organismilla on oltava. Kehityksen aikaiset reitit, kuten Notch-, Wnt- ja Hedgehog-merkintäpolut, ovat esimerkkejä solujen välisestä koordinoinnista ja solulinjojen määrittelystä.

Terminointi, desensitisointi ja ristivaikutus

Signaalin sammuttaminen on yhtä tärkeää kuin sen aktivoiminen. Mekanismeja ovat:

• reseptorin deaktivaatio tai internalisaatio;
• second messenger -tasojen palauttaminen (esim. cAMP-hajoaminen);
• fosfaattien eli fosfataasien toiminta, joka poistaa fosfaattiryhmät kinasien kohdeproteiineista;
• negatiiviset palautesilmukat ja proteiinien hajoitus.

Lisäksi eri reitit voivat vaikuttaa toisiinsa (cross-talk), mikä antaa solulle mahdollisuuden integroida useista lähteistä tulevat signaalit ja tehdä sopiva vaste.

Merkitys terveydelle ja lääketieteelle

Sekä ulkoisen että sisäisen ympäristön havaitseminen solutasolla perustuu siis signaalinsiirtoon. Monet sairaudet, kuten diabetes, sydänsairaudet, autoimmuniteetti ja syöpä, johtuvat signaalinsiirtoreittien puutteista. Tämä korostaa signaalinsiirron ratkaisevaa merkitystä biologiassa ja lääketieteessä. Monet lääkkeet (esim. reseptoriantagonistit, kinase-estäjät, hormonikorvaushoidot) kohdistuvat signaalinsiirtoreitteihin.

Näiden mekanismien tuntemus on keskeistä sairauksien diagnostikassa, hoidossa ja lääkeaineiden kehityksessä.

Nämä solujen väliset viestintäjärjestelmät ovat erittäin vanhoja, ja niitä on kaikissa metazooissa.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on signaalinsiirto?

K: Mitkä ovat signaalin transduktion kaksi vaihetta?

Kysymys: Miten signaalit voivat vahvistua kummassakin signaalinsiirron vaiheessa?

K: Missä reseptorit sijaitsevat soluissa?

K: Miten kemiallinen signalointi toimii soluissa?

K: Miten nämä prosessit tapahtuvat yleensä nopeasti?

K: Miksi on tärkeää ymmärtää, miten signaalinsiirto toimii?

Hae kirjaimella