Перенос информации (биология)

Передача сигнала (signal transduction, сигнальная трансдукция, трансдукция, сигналинг, сигнализация, (англ. signal transduction) — в молекулярной биологии термин «Передача сигнала» относится к любому процессу, при помощи которого клетка превращает один тип сигнала или стимула в другой.

В большинство процессов передачи сигнала вовлечены упорядоченные цепи биохимических реакций внутри клетки, которые осуществляются ферментами, или посредством ферментов, активируемых вторичными посредниками. Такие процессы обычно являются быстрыми, продолжительность таких процессов составляет порядки миллисекунд в случае ионных каналов и минут в случае активации каскадов протеинкиназ и липид-опосредованных киназ, но некоторые могут занимать часы и даже сутки (в случае экспрессии генов). Количество белков и других молекул, принимающих участие в передаче сигнала, возрастает по мере увеличения числа этапов от первоначального стимула. Таким образом, имеет место сигнальный каскад (signal cascade), начинающихся с относительно слабого стимула, который вызывает значительный ответ. Такие процессы относятся к амплификации сигнала. Оригинальный термин en:Signal transduction впервые появился в реферируемых журналах в 1974 году, а в названии статьи фигурировал в 1979 году.

Первичные посредники

Механизмы, преобразующие внешние сигналы во внутриклеточные, находятся в плазматической мембране клетки. Восприятие клетками внешних сигналов в основном происходит благодаря взаимодействию внешних факторов с клеточными рецепторами, расположенными на наружной мембране клеток. Рецепторы распознают и связывают внешний сигнал (сигнальный агент — лиганд) и приводят в дейcтвие внутриклеточные пути передачи информации, ведущие к запуску и регуляции различных внутриклеточных процессов.

Внешний сигнальный агент, называемый первичным посредником, как правило, не проникает внутрь клетки, а специфически взаимодействует с рецепторами наружной клеточной мембраны. В качестве первичных посредников выступают различные химические соединения (гормоны, нейромедиаторы, газотрансмиттеры и др.) или физические факторы (квант света). Однако существуют гидрофобные гормоны (стероидные и тиреоидные), которые способны проникать внутрь клетки, преодолевая при этом липидный бислой, и взаимодействовать там с растворимыми рецепторными белками. Таким же механизмом действия обладают малые молекулы — NO и CO.

Если внешняя сигнальная молекула воздействует на рецепторы клеточной мембраны и активирует их, то последние передают полученную информацию на систему белковых компонентов мембраны, называемую каскадом передачи сигнала. Мембранные белки каскада передачи сигнала подразделяют на:

• белки-преобразователи, связанные с рецепторами
• ферменты-усилители, связанные с белками-преобразователями (активируют вторичные внутриклеточные посредники, переносящие информацию внутрь клетки).

Так действуют . Другие рецепторы (ионные каналы, рецепторы с протеинкиназной активностью) сами служат умножителями.

Вторичные посредники

В роли вторичных посредников (second messenger) выступают малые молекулы и ионы:

• ионы кальция (Ca²⁺);
• циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) и циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ)
• инозитолтрифосфат
• липофильные молекулы (например, диацилглицерол);
• оксид азота (NO) (эта молекула выступает и в роли первичного посредника, проникающего в клетку извне).

Вторичные посредники характеризуются следующими свойствами: имеют небольшую молекулярную массу и с высокой скоростью диффундируют в цитоплазме; быстро расщепляются и быстро удаляются из цитоплазмы.

Иногда в клетке образуются и третичные посредники. Так, обычно ионы Ca²⁺ выступают в роли вторичного посредника, но при передаче сигнала с помощью инозитолтрифосфата (вторичный посредник) выделяющиеся при его участии из ЭПС ионы Ca²⁺ служат третичным посредником.

Рецепторы

В плазматических мембранах про- и эукариотических клеток локализованы различные специализированные рецепторные системы, процессы функционирования которых включают реализацию следующих стадий:

• связывание первичного мессенджера с рецептором;
• передачу информации о связывании внешнего сигнала с рецептором на мембранные или цитоплазматические белковые компоненты каскада;
• формирование первичного и вторичного клеточного ответа

Для обеспечения рецепторной функции молекулы белков должны отвечать ряду требований: а) обладать высокой избирательностью к лиганду; б) кинетика связывания лиганда должна описываться кривой с насыщением, соответствующим состоянию полной занятости всех молекул рецепторов, число которых на мембране ограничено; в) рецепторы должны обладать тканевой специфичностью, отражающей наличие или отсутствие данных функций в клетках органа-мишени; г) связывание лиганда и его клеточный (физиологический) эффект должны быть обратимы, параметры сродства должны соответствовать физиологическим концентрациям лиганда.

Механизм

Передача сигнала предполагает примерно следующую схему:

1. взаимодействие внешнего агента (стимула) с клеточным рецептором,
2. активация эффекторной молекулы, находящейся в мембране и отвечающей за генерацию вторичных посредников,
3. образование вторичных посредников,
4. активация посредниками белков-мишеней, вызывающих генерацию следующих посредников,
5. исчезновение посредника.

См. также

• Передача сигнала в клетке