Indledning til molekylær- og cellebiologi

Forestil dig, hvordan livet ville være, hvis du og de mennesker omkring dig ikke kunne kommunikere. Du ville ikke kunne udtrykke dine ønsker over for andre, og du ville heller ikke kunne stille spørgsmål for at finde ud af mere om dine omgivelser. Den sociale organisation er afhængig af kommunikation mellem de individer, der udgør dette samfund.

Som med mennesker er det afgørende for de enkelte celler at kunne interagere med deres omgivelser og med hinanden. Dette gælder, uanset om en celle vokser alene i en dam eller om den er en af mange celler, der udgør en større organisme. For at kunne reagere korrekt på eksterne stimuli har cellerne udviklet komplekse kommunikationsmekanismer, så de kan modtage en besked, overføre informationen over plasmamembranen og derefter producere ændringer i cellen som reaktion på beskeden.

I flercellede organismer sender og modtager cellerne konstant kemiske beskeder for at koordinere andre organers, vævers og cellers handlinger. Evnen til at sende meddelelser hurtigt og effektivt gør det muligt for cellerne at koordinere og finjustere deres funktioner. Selv om nødvendigheden af cellulær kommunikation i større organismer synes indlysende, kommunikerer selv encellede organismer med hinanden. Gærceller sender signaler til hinanden for at hjælpe hinanden med at parre sig. Nogle former for bakterier koordinerer deres handlinger for at danne store komplekser kaldet biofilm eller for at organisere produktionen af toksiner for at fjerne konkurrerende organismer. Cellernes evne til at kommunikere gennem kemiske signaler opstod i enkeltceller og var afgørende for udviklingen af flercellede organismer. Effektiv, fejlfri kommunikation er afgørende for alt liv.

9.1 | Signalmolekyler og cellulære receptorer

Der findes to former for kommunikation i den levende celleverden. Kommunikation mellem celler kaldes intercellulær signalering, og kommunikation inden for en celle kaldes intracellulær signalering. En nem måde at huske forskellen på er ved at forstå, at præfikset inter- betyder “mellem” (en interstate highway krydser mellem stater) og intra- betyder “inde” (et IV betyder intravenøst eller “inde i venen”).

Kemiske signaler frigives af en signalcelle og modtages af en målcelle. Målceller har proteiner kaldet receptorer, som binder sig til signalmolekyler og forårsager et respons. Signalmolekyler, der binder sig til receptorer, kaldes ligander. Ligander og receptorer er specifikke for hinanden; en receptor vil typisk kun binde sig til sin specifikke ligand. Der findes dog forskellige typer af signalering.

9.1.1.1 Signalformer

Der findes fire kategorier af kemisk signalering i flercellede organismer: autokrin signalering, parakrin signalering, endokrin signalering og direkte signalering over gap junctions (figur 9.2). Den væsentligste forskel mellem de forskellige kategorier af signalering er den afstand, som signalet tilbagelægger for at nå målcellen.

Paracrine signalering

Signaler, der virker lokalt mellem celler, der er tæt på hinanden, kaldes parakrine signaler. Paracrine signaler bevæger sig ved diffusion gennem den ekstracellulære matrix (figur 9.2). Disse typer signaler fremkalder normalt hurtige reaktioner, der kun varer kort tid. For at holde responsen lokaliseret, bliver parakrine ligander normalt hurtigt nedbrudt af enzymer eller fjernet af nabocellerne. Fjernelse af signalerne genetablerer koncentrationsgradienten for signalmolekylet, hvilket gør det muligt for dem at diffundere hurtigt gennem det intracellulære rum, hvis de frigives igen.

Et eksempel på parakrin signalering er overførsel af signaler mellem nerveceller. Det lille rum mellem nervecellerne, hvor signaloverførslen finder sted, kaldes en synapse. Signalerne spredes langs nervecellerne ved hjælp af hurtige elektriske impulser. Når disse impulser når frem til enden af en nervecelle, frigøres kemiske ligandstoffer, kaldet neurotransmittere, i synapsen af den præsynaptiske celle (den celle, der afgiver signalet). Neurotransmitterne spredes på tværs af synapsen (figur 9.3). Den lille afstand mellem nervecellerne gør det muligt for signalet at rejse hurtigt, hvilket muliggør en øjeblikkelig reaktion, f.eks. “tag din hånd væk fra komfuret!” Når neurotransmitteren binder receptoren på overfladen af den postsynaptiske celle, udløses den næste elektriske impuls. Neurotransmitterne nedbrydes hurtigt eller reabsorberes af den præsynaptiske celle, så den modtagende nervecelle hurtigt kan komme sig og være forberedt på at reagere hurtigt på det næste synaptiske signal.

Autokrin signalering

Når en celle reagerer på sit eget signalmolekyle, kaldes det autokrin signalering (auto = “selv”). Autokrin signalering forekommer ofte sammen med andre typer signalering. Når der f.eks. frigives et parakrint signal, kan den signalgivende celle reagere på signalet sammen med sine naboer (figur 9.2).

Autokrin signalering forekommer ofte under den tidlige udvikling af en organisme for at sikre, at cellerne udvikler sig til de korrekte væv. Autokrin signalering regulerer også smertefornemmelse og inflammatoriske reaktioner. Endvidere kan en celle, hvis den er inficeret med en virus, signalere til sig selv, at den skal gennemgå programmeret celledød, hvorved virussen dræbes i processen.

Endokrin signalering

Signaler fra fjerntliggende celler kaldes endokrine signaler, og de stammer fra endokrine celler. (I kroppen er mange endokrine celler placeret i endokrine kirtler, f.eks. i skjoldbruskkirtlen, hypothalamus og hypofysen). Disse typer signaler giver normalt en langsommere reaktion, men har en længerevarende virkning. De ligander, der frigives ved endokrin signalering, kaldes hormoner, signalmolekyler, der produceres i en del af kroppen, men som påvirker andre kropsregioner et stykke væk (figur 9.2).

Hormoner tilbagelægger de store afstande mellem endokrine celler og deres målceller via blodbanen, som er en relativt langsom måde at bevæge sig i hele kroppen på. På grund af deres transportform bliver hormoner fortyndet og er til stede i lave koncentrationer, når de virker på deres målceller. Dette adskiller sig fra parakrin signalering, hvor de lokale koncentrationer af signalmolekyler kan være meget høje.

Direkte signalering

Gap junctions hos dyr og plasmodesmata hos planter er forbindelser mellem plasmamembranerne i naboceller. Disse vandfyldte kanaler gør det muligt for små signalmolekyler at diffundere mellem de to celler. Små molekyler, som f.eks. calciumioner (Ca2+), kan bevæge sig mellem cellerne, men store molekyler som proteiner og DNA kan ikke passere gennem kanalerne. Kanalernes specificitet sikrer, at cellerne forbliver uafhængige, men at de hurtigt og nemt kan overføre signaler. Direkte signalering gør det muligt for en gruppe af celler at koordinere deres reaktion på et signal, som kun én af dem kan have modtaget. I planter er plasmodesmata allestedsnærværende, hvilket gør hele planten til et gigantisk kommunikationsnetværk.

9.1.2 Typer af receptorer

Receptorer er proteinmolekyler i målcellen eller på dens overflade, der binder sig til ligander. Der findes to typer receptorer, interne receptorer og receptorer på celleoverfladen.

Interne receptorer

Interne receptorer, også kendt som intracellulære eller cytoplasmatiske receptorer, findes i målcellens cytoplasma og reagerer på hydrofobiske ligandmolekyler, der er i stand til at bevæge sig gennem plasmamembranen. Når de er inde i cellen, binder mange af disse molekyler sig til proteiner, der fungerer som regulatorer af mRNA-syntesen (transkription) for at formidle genekspression.

Genekspression er den cellulære proces, hvor informationen i en celles DNA omdannes til en sekvens af aminosyrer, der i sidste ende danner et protein. Når liganden binder til den interne receptor, udløses en konformationsændring, der blotlægger et DNA-bindingssted på receptorproteinet. Ligand-receptorkomplekset bevæger sig ind i kernen og binder sig derefter til specifikke regulerende regioner af kromosom-DNA’et og fremmer initieringen af transkription (figur 9.4). Transkription er den proces, hvor informationen i en celles DNA kopieres til en særlig form for RNA kaldet messenger RNA (mRNA); cellen bruger informationen i mRNA’et til at sammenkæde specifikke aminosyrer i den korrekte rækkefølge og producerer et protein. Når en ligand binder sig til en intern receptor, kan den således direkte påvirke genekspressionen i målcellen.

Cell-surface-receptorer

Cell-surface-receptorer, også kendt som transmembranreceptorer, er integrale proteiner, der binder til eksterne signalmolekyler. Disse receptorer spænder over plasmamembranen og udfører signaltransduktion, hvor et ekstracellulært signal omdannes til et intercellulært signal. (Figur 9.5). Da receptorproteiner på celleoverfladen er grundlæggende for cellens normale funktion, bør det ikke komme som nogen overraskelse, at en fejlfunktion i et af disse proteiner kan have alvorlige konsekvenser. Fejl i proteinstrukturerne for visse receptormolekyler har vist sig at spille en rolle i hypertension (højt blodtryk), astma, hjertesygdomme og kræft.

Hver receptor på celleoverfladen har tre hovedkomponenter: et eksternt ligandbindingsdomæne eller ekstracellulært domæne; et hydrofobt membranoverskridende område; og et intracellulært domæne. Celleoverfladereceptorer er involveret i det meste af signaleringen i flercellede organismer. Der findes tre generelle kategorier af receptorer på celleoverfladen: enzymbundne receptorer, ionkanalbundne receptorer og G-proteinbundne receptorer.

Enzymbundne receptorer er receptorer på celleoverfladen med intracellulære domæner, som er associeret med et enzym. I nogle tilfælde er selve det intracellulære domæne af receptoren et enzym. Andre enzymrelaterede receptorer har et lille intracellulært domæne, der interagerer direkte med et enzym. Enzymbundne receptorer har normalt store ekstracellulære og intracellulære domæner, men det membranoverskridende område består af en enkelt alfa-helix i peptidstrengen.

Når en ligand binder til det ekstracellulære domæne af en enzymbunden receptor, overføres et signal gennem membranen, hvorved enzymet aktiveres. Aktivering af enzymet sætter en kæde af begivenheder i gang i cellen, som i sidste ende fører til et respons.

Et eksempel på en enzymbunden receptor er tyrosinkinase-receptoren (figur 9.6). En kinase er et enzym, der overfører fosfatgrupper fra ATP til et andet protein. Tyrosinkinase-receptoren overfører fosfatgrupper til tyrosinmolekyler. Først binder signalmolekyler sig til det ekstracellulære domæne af to nærliggende tyrosinkinase-receptorer. De to nærliggende receptorer bindes derefter sammen eller dimeriseres. Derefter tilføjes fosfater til tyrosinrester på receptorernes intracellulære domæne (fosforylering). De fosforylerede rester kan derefter overføre signalet til den næste budbringer i cytoplasmaet.

Epidermale vækstfaktorreceptorer er et eksempel på receptortyrosinkinaser, der følger denne måde at signalere på. Defekter i ErbB-signalering i denne familie kan føre til neuromuskulære sygdomme som f.eks. multipel sklerose og Alzheimers sygdom.

Ion-kanal-relaterede receptorer binder sig til en ligand og åbner en kanal gennem membranen, som tillader specifikke ioner at passere. Denne type receptor på celleoverfladen har en omfattende membranoverskridende region med hydrofobiske aminosyrer. Omvendt er de aminosyrer, der beklæder kanalens inderside, hydrofile for at muliggøre passage af ioner. Når en ligand binder sig til kanalens ekstracellulære område, sker der en konformationsændring i proteinets struktur, som tillader ioner som natrium, calcium, magnesium eller hydrogen at passere (figur 9.7).

G-protein-knyttede receptorer binder til en ligand og aktiverer et tilknyttet G-protein. Det aktiverede G-protein interagerer derefter med et nærliggende membranprotein, som kan være en ionkanal eller et enzym (figur 9.8). Alle G-proteinbundne receptorer har syv transmembrandomæner, men hver receptor har et specifikt ekstracellulært domæne og et G-proteinbindingssted.

Cellens signalering ved hjælp af G-proteinkoblede receptorer foregår som en cyklus. Når liganden binder til receptoren, aktiverer den deraf følgende formændring G-proteinet, som frigiver GDP og optager GTP. G-proteinets underenheder deler sig derefter i α- og βγ-underenheder. En eller begge af disse G-proteinfragmenter kan være i stand til at aktivere andre proteiner i cellen. Efter et stykke tid hydrolyseres GTP’en på den aktive α-underenhed af G-proteinet til GDP, og βγ-underenheden deaktiveres. Underenhederne associeres igen for at danne det inaktive G-protein, og cyklussen begynder igen (figur 9.8).

G-proteintilknyttede receptorer anvendes i mange fysiologiske processer, herunder dem til synstransduktion, smag og regulering af immunsystemet og inflammation.

9.1.3 Signalmolekyler

Ligander, der produceres af signalceller, er kemiske signaler, der bevæger sig til målceller og forårsager et respons. De typer af molekyler, der tjener som ligander, er utroligt varierede og spænder fra små proteiner til små ioner. Ligander kategoriseres som enten små hydrofobiske ligander, som kan krydse plasmamembraner, eller vandopløselige ligander, som ikke kan det.

Små hydrofobiske ligander

Små hydrofobiske ligander, også kaldet lipidopløselige ligander, kan diffundere direkte gennem plasmamembranen og interagere med interne receptorer. Vigtige medlemmer af denne klasse af ligander er steroidhormonerne. Steroider er lipider, der har et kulstofskelet med fire sammensmeltede ringe; forskellige steroider har forskellige funktionelle grupper knyttet til kulstofskelettet. Steroidhormoner omfatter det kvindelige kønshormon østradiol, som er en type østrogen; det mandlige kønshormon testosteron; og kolesterol, som er en vigtig strukturel komponent i biologiske membraner og en forløber for steroidhormoner (figur 9.10). Andre hydrofobiske hormoner omfatter skjoldbruskkirtelhormoner og D-vitamin. For at være opløselige i blodet skal hydrofobiske ligander binde sig til bæreproteiner, mens de transporteres gennem blodbanen.

Vandopløselige ligander

Da vandopløselige ligander er polære, kan de ikke passere gennem plasmamembranen uden hjælp. Nogle gange er de for store til at kunne passere gennem membranen overhovedet. I stedet binder de fleste vandopløselige ligander sig til det ekstracellulære domæne af receptorer på celleoverfladen (se figur 9.5). Denne gruppe af ligander er ret forskelligartet og omfatter små molekyler, peptider og proteiner.