If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

თუ ვებფილტრს იყენებთ, დარწმუნდით, რომ *.kastatic.org და *.kasandbox.org დომენები არ არის დაბლოკილი.

ძირითადი მასალა

სიგნალის გადამცემი გზები

გაიგეთ, როგორ გადაიცემა უჯრედის მემბრანული რეცეპტორის მიერ მიღებული სიგნალები უჯრედის შიგნით.  იმ მოლეკულათა ჯაჭვი, რომელიც უჯრედის შიგნით გადასცემს სიგნალებს, უჯრედშიდა სიგნალის გამტარ გზას ქმნის.

შესავალი

ერთი უჯრედიდან გამოგზავნილი სასიგალო მოლეკულის (ლიგანდის) მეორე უჯრედის რეცეპტორთან დაკავშირებით მთავრდება სიგნალის გადამცემი მთელი პროცესი?
თუ უჯრედშიდა რეცეპტორებზე ვსაუბრობთ, რომლებიც ლიგანდს უჯრედშივე უკავშირდებიან და პირდაპირ გენებს ააქტიურებენ, პასუხი შეიძლება, იყოს „კი", თუმცა შემთხვევათა უმრავლესობაში ეს ასე არ არის - საერთოდ არა! უჯრედის მემბრანაზე მდებარე რეცეპტორების მიერ მიღებული სიგნალი ჯერ სხვა მოლეკულებს უნდა გადაეცეს, უჯრედული „გაფუჭებული ტელეფონის" თამაშივით (ოღონდ არა გაფუჭებული)
მოლეკულათა ჯაჭვებს, რომლებიც უჯრედის შიგნით ატარებენ სიგნალებს, უჯრედშიდა სიგნალის გამტარი გზები ეწოდება. ამ სტატიაში ზოგადად მიმოხივილავთ ამ გზებს და მათში სიგნალის გადასაცემად ხშირად გამოყენებულ მექანიზმებსაც.

დაკავშირება სასიგნალო გზას რთავს

ლიგანდის უჯრედის ზედაპირულ რეცეპტორებთან დაკავშირება ამ რეცეპტორის უჯრედშიდა დომენს (უჯრედის შიგნით მდებარე ნაწილს) ცვლის. ამაში, როგორც წესი, ფორმის ცვლილება იგულისხმება, რაც ფერმენტის გააქტიურებას ან სხვა მოლეკულებთან დაკავშირებას იწვევს.
რეცეპტორის ცვლილება სიგნალის გადამცემ ჯაჭვს ააქტიურებს. მაგალითად, რეცეპტორმა შესაძლოა, უჯრედის შიგნით მეორე სასიგნალო მოლეკულა ჩართოს, რომელიც შემდეგ თავის სამიზნეს გაააქტურებს და ა. შ. ეს ჯაჭვური რეაქცია საბოლოოდ უჯრედის ქცევის ან თვისებების შეცვლას იწვევს, რაც ქვედა ილუსტრაციაზეა ასახული.
ილუსტრაცია ანიმაციის სტილში, რომელზეც ჩანს თეორიული სასიგნალო გზის საფეხურების აქტივაცია მიმდევრობით - ერთი მეორეს რთავს, მეორე მესამეს და საბოლოოდ უჯრედის საპასუხო რეაქცია გამოიწვევა.
როგორც ვხედავთ, ინფორმაცია განსაზღვრული მიმართულებით მიედინება. სწორედ ამიტომ, რომელიმე, ჩვენთვის საინტერესო მოლეკულამდე არსებულ მოლეკულებსა და მოვლენებზე ვამბობთ, რომ ჯაჭვში ზემოთ მდებარეობენ, ჩვენთვის საინტერესო მოლეკულის შემდეგ არსებულნი კი - ქვემოთ. მაგალითად, დიაგრამაზე რეცეპტორი ჯაჭვში ლიგანდის „ქვემოთ" და ციტოზოლის ცილების „ზემოთ" მდებარეობს. სიგნალის გადამცემი მრავალ გზაში სიგნალის ამპლიფიკაცია (გამრავლება, გაძლიერება) ხდება, ანუ, ლიგანდის ერთი მოლეკულა ჯაჭვში ქვემოთ მდებარე მრავალი სამიზნის გააქტიურებას იწვევს.
სიგნალის გადამცემი მოლეკულები ხშირად ცილებია, თუმცა არაცილოვანი ნივთიერებები, მაგალითად იონები და ფოსფოლიპიდებიც, მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ ამაში.

ფოსფორილირება

ზედა ილუსტრაციაზე ბუშტუკებს (სასიგნალო მოლეკულებს) „ჩართული" და „გამორთული" აწერია. სინამდვილეში რას ნიშნავს მოლეკულის ჩართვა ან გამორთვა? ცილები აქტივაცია და ინაქტივაცია რამდენიმე სხვადასხვა გზით შეიძლება. და მაინც, ცილის აქტივობის შეცვლის ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული ხერხი ფოსფორის ჯგუფის დამატებაა ცილის ერთ ან მეტ ადგილას, რასაც ფოსფორილება ეწოდება.
დიაგრამაზე ასახულია ფოსფორილებული ცილა, რომელსაც ფოსფატის ჯგუფი სერინის ნაშთზე აქვს მიბმული. ნაჩვენებია ამ ბმის ქიმიური სტრუქტურაც.
ფოსფატის ჯგუფი ცილის ნებისმიერ ნაწილს ვერ დაუკავშირდება. იგი, როგორც წესი, გვერდით ჯაჭვში ჰიდროქსილის (-OH) ჯგუფის შემცველი სამი ამინომჟავიდან რომელიმეს ებმის ხოლმე: თიროზინს, თრეონინს ან სერინს. ფოსფატის ჯგუფის გადატანის რეაქციის მაკატალიზებელ ფერმენტებს კინაზები ეწოდებათ და უჯრედში მრავალი სხვადასხვა კინაზაა მრავალი სხვადასხვა სამიზნე მოლეკულის ფოსფორილებისთვის.
ფოსფორილება ხშირად ჩამრთველ-ამომრთველის როლს ასრულებს, მაგრამ ცილებზე მისი ეფექტები მაინც განსხვავებულია. ზოგჯერ ფოსფორილება ცილას ააქტიურებს (ზრდის მის კატალიზურ აქტივობას ან საშუალებას აძლევს, დაუკავშირდეს საჭირო პარტნიორს). ხანდახან კი ფოსფორილება ცილის ინაქტივაციას ან დაშლას იწვევს.
ზოგადად, ფოსფორილება სამუდამო არ არის. უჯრედს სპეციალური ფერმენტები, ფოსფატაზები, აქვს იმისთვის, რომ სამიზნე ცილებს ფოსფატის ჯგუფი მოაშოროს და ისევ უკან, არაფოსფორილებულ ფორმაში, დააბრუნოს.
ილუსტრაცია, რომელზეც ასახულია ცილის ფოსფორილება კინაზას მიერ ატფ-იდან ერთი ფოსფატური ჯგუფის დამატებით, რის შედეგადაც ადფ წარმოიქმნება თანაპროდუქტის სახით. ცილა ფოსფატაზას მიერ დეფოსფორილდება და ამჯერად თანაპროდუქტის სახით Pi (არაორგანული ფოსფატი) გამოთავისუფლდება. ეს ორი რეაქცია ციკლს ქმნის, რომელშიც ცილა ორ მდგომარეობას შორის „მოძრაობს".

ფოსფორილების მაგალითი: MAPK სასიგნალო კასკადი

ფოსფორილების უკეთ გასაგებად, მოდით, განვიხილოთ რეალური მაგალითი ზრდის ფაქტორების სასიგნალო გზისა, რომელშიც სწორედ ეს ხერხი გამოიყენება. უფრო კონკრეტულად, აქ გავეცნობით ეპიდერმული ზრდის ფაქტორის (EGF - epidermal growth factor) სასიგნალო გზას, რომლის რეაქციათა წყებაშიც კინაზები მონაწილეობენ უჯრედული პასუხის მისაღებად.
ამ დიაგრამაზე ეპიდერმული ზრდის ფაქტორის სასიგნალო გზის ნაწილია გამოსახული:
ფოსფორილება (აღნიშნულია P-ით) მნიშვნელოვანია ამ გზის მრავალ საფეხურზე.
  • როცა ზრდის ფაქტორი ლიგანდები რეცეპტორებს უკავშირდება, ეს რეცეპტორები წყვილდება და კინაზებად იქცევა - ისინი ერთმანეთის უჯრედშიდა კუდებს ფოსფატის ჯგუფებს უკავშირებენ. მეტის გასაგებად წაიკითხეთ სტატია რეცეპტორებსა და ლიგანდებზე.
  • აქტივირებული რეცეპტორი რეაქციათა წყების ჩართვას იწვევს (ეს ნაწილი გამოვტოვეთ, რადგან მასში ფოსფორილება არ ხდება). საბოლოოდ, Raf-კინაზა აქტიურდება.
  • გააქტიურებული Raf აფოსფორილებს და ააქტიურებს MEK-ს, რომელიც თავის მხრივ ERK-ებს აფოსფორილებს და ააქტიურებს.
  • ERK-ებსაც იგივე ფუნქცია აქვთ: რამდენიმე სხვადასხვანაირი სამიზნე მოლეკულის ფოსფორილება და გააქტიურება. ამ მოლეკულებს შორისაა ტრანსკრიფციის ფაქტორები, მაგალითად, c-Myc და ციტოპლაზმური სამიზნეები. აქტივირებული სამიზნე მოლეკულები უჯრედის ზრდასა და გაყოფას ასტიმულირებენ.
Raf, MEK, და ERK-ები ერთად სამდონიან კინაზურ სასიგნალო გზას ქმნიან, რომელსაც მიტოგენით აქტივირებადი პროტეინკინაზური (მაპკ - mitogen-activated protein kinase - MAPK) კასკადი ეწოდება. (მიტოგენი სიგნალია, რომელიც უჯრედს ანიშნებს, დაიწყოს მიტოზი ანუ გაყოფა). იმის გამო, რომ ეს სასიგნალო კასკადი მთავარ როლს ასრულებს უჯრედის გაყოფის სტიმულაციაში, ის გენები, რომლებიც ზრდის ფაქტორის რეცეპტორს, Raf-ს და c-Myc-ს აკოდირებენ, პროტოონკოგენებია. ეს იმას ნიშნავს, რომ მათმა ზედმეტად გააქტიურებამ ავთვისებიანი სიმსივნე შეიძლება, გამოიწვიოს1.
მაპ კინაზური სასიგნალო გზები ფართოდ გამოიყენება ბიოლოგიაში: ისინი მრავალ სხვადასხვანაირ ორგანიზმში გვხვდება, ადამიანებიდან დაწყებული, საფუარა სოკოებითა და მცენარეებით დამთავრებული. მაპკ კასკადის მსგავსება განსხვავებულ ორგანიზმებში იმის მანიშნებელია, რომ იგი ევოლუციურად ადრევე ჩამოყალიბდა და თანამედროვე ცხოველების, მცენარეებისა და სოკოების საერთო წინაპარში უკვე არსებობდა.

მეორეული მესენჯერები

მიუხედავად იმისა, რომ ცილები მნიშვნელოვანია სიგნალის გადამცემ გზებში, მათში სხვა სახის მოლეკულებიც მონაწილეობენ. მრავალ სასიგნალო გზას აქვს მეორეული მესენჯერები, პატარა, არაცილოვანი მოლეკულები, რომლებიც ლიგანდის („პირველადი მესენჯერის") რეცეპტორთან დაკავშირებით აღმოცენებულ სიგნალს გადასცემენ უჯრედს.
მეორადი მესენჯერებია: Ca2+ იონები, ციკლური ამფ (ც-ამფ, ატფ-ისგან წარმოქმნილი ნივთიერება) და ინოზიტოლფოსფატი, რომელიც ფოსფოლიპიდებისგან წარმოიქმნება.

კალციუმის იონები

კალციუმის იონები ხშირად გამოიყენება მეორეული მესენჯერების სახით. უჯრედების უმრავლესობაში ციტოპლაზმაში ეს იონები (Ca2+) ძალიან დაბალი კონცენტრაციითაა, რადგან პლაზმურ მემბრანაში ჩაშენებულ იონურ ტუმბოებს მუდმივად გააქვთ ისინი უჯრედის გარეთ. სასიგნალო მიზნებისთვის Ca2+ უჯრედმა შესაძლოა, განცალკევებულ სივრცეში, მაგალითად ენდოპლაზმურ ბადეში, შეინახოს.
სასიგნალო გზებში, სადაც კალციუმის იონი ( Ca2+) გამოიყენება მეორეულ მესინჯერად, ჯაჭვში „ზემოთ" მდებარე რეაქციებში გამოთავისუფლდება ლიგანდი, რომელიც ლიგანდდამოკიდებულ კალციუმის არხებს უკავშირდება და ხსნის. არხების გახსნას უჯრედგარე სივრციდან (ან უჯრედშიდა შემნახველი კომპარტმენტებიდან) დიდი რაოდენობით Ca2+-ის შემოსვლა მოჰყვება თან და ციტოპლაზმაში მისი კონცენტრაციაც იზრდება.
როგორ მონაწილეობს გამოთავისუფლებული Ca2+ სიგნალის გადაცემაში? უჯრედში ზოგ ცილას სპეციალური უბანი აქვს Ca2+ იონების დასაკავშირებლად. გამოთავისუფლებული Ca2+ უკავშირდება ამ ცილებს და ცვლის მათ ფორმას (შესაბამისად, აქტივობასაც). სხვადასხვა უჯრედში სხვადასხვანაირი კალციუმდამოკიდებული ცილა არსებობს და გამოწვეული პასუხიც განსხვავებულია. მაგალითად, პანკრეასის, ანუ კუჭქვეშა ჯირკვლის, β უჯრედებში Ca2+ ინსულინის გამოთავისუფლებას იწვევს, კუნთის უჯრედებში კი - შეკუმშვას.

ციკლური ამფ (ც-ამფ)

მრავალ სხვადასხვანაირ უჯრედში გამოყენებული კიდევ ერთი მეორეული მესენჯერია ციკლური ადენოზინმონოფოსფატი (ციკლური ამფ ანუ ც-ამფ), პატარა მოლეკულა, რომელიც ატფ-ისგან წარმოიქმნება. სიგნალების საპასუხოდ ფერმენტი ადენილილციკლაზა ატფ-ს ც-ამფ-ად გარდაქმნის - აშორებს ორ ფოსფატურ ჯგუფს და მესამის დახმარებით ამ შაქარს რგოლურ ფორმას აძლევს.
წარმოქმნის შემდეგ ც-ამფ ააქტიურებს ფერმენტს, სახელად პროტეინკინაზა A (PKA), რითაც საშუალებას აძლევს მას, წარმართოს სამიზნე მოლეკულების ფოსფორილება და გადასცეს სიგნალი. პროტეინკინაზა A მრავალ სხვადასხვანაირ უჯრედში გვხვდება და მას თითოეულში სხვადასხვა სამიზნე აქვს. ამის მეშვეობით ერთისა და იმავე მეორეული მესენჯერის, ც-ამფ-ის, მეშვეობით სხვადასხვა შემთხვევაში სხვადასხვა პასუხი მიიღება.
დიაგრამაზე ასახულია სასიგნალო გზა, რომელშიც ც-ამფ გამოიყენება მეორეულ მესენჯერად. ლიგანდი რეცეპტორს უკავშირდება და არაპირდაპირ იწვევს ადენილილციკლაზას გააქტიურებას. ეს ფერმენტი ატფ-ს ც-ამფ-ად გარდაქმნის. ც-ამფ პროტეინკინაზა A-ს უკავშირდება და ააქტიურებს მას. აქტიური PKA ჯაჭვში ქვემოთ მდებარე მოლეკულებს აფოსფორილებს, რაც საბოლოოდ უჯრედულ პასუხს იწვევს.
ც-ამფ-ის სასიგნალო აქტივობას გამორთავენ სპეციალური ფეტმენტები, ფოსფოდიესთერაზები, რომლებიც ც-ამფ-ის რგოლს ხლეჩენ და მას ადენოზინმონოფოსფატად (ამფ) გარდაქმნიან.

ინოზიტოლფოსფატი

მიუხედავად იმისა, რომ ხშირად პლაზმური მემბრანის ფოსფოლიპიდები უჯრედის სტრუქტურულ ნაწილებად მიგვაჩნია, ისინი სიგნალის გადაცემაშიც მნიშვნელოვან როლს ასრულებს. ფოსფოლიპიდების ერთი სახე, ფოსფატიდილინოზიტოლები, შეიძლება, ფოსფორილდეს და შუაზე გაიხლიჩოს, რის შედეგადაც ორი მეორეული მესენჯერი მოლეკულა მიიღება.
ამ ჯგუფში ერთ, სიგნალის გადაცემაში განსაკუთრებულად მნიშვნელოვან ლიპიდს PIP2 ეწოდება (ფოსფატიდილინოზიტოლ-4,5-ბიფოსფატი). სიგნალის საპასუხოდ ფერმენტი ფოსფოლიპაზა C PIP2 -ს ორ ნაწილად ხლეჩს, რის შედეგადაც მიიღება DAG (დიაცილგლიცეროლი) და IP3 (ინოზიტოლტრიფოსფატი). ეს ორივე მოლეკულა მეორეული მესინჯერის ფუნქციას ასრულებს.
DAG პლაზმურ მემბრანაში რჩება და სამიზნეს, პროტეინკინაზა C-ს (PKC), ააქტიურებს, რითაც საშუალებას აძლევს მას, სხვა, საკუთარი სამიზნე მოლეკულების ფოსფორილება წარმართოს. IP3 ციტოპლაზმაში გადადის და ენდოპლაზმურ ბადეზე ლიგანდდამოკიდებულ კალციუმის არხებს უკავშირდება. შედეგად, გამოთავისუფლდება Ca2+ იონები და ისინი აგრძელებენ სიგნალის გადაცემას.
დიაგრამაზე ასახულია სასიგნალო გზა, რომელშიც ინოზიტოლტრიფოსფატი და კალციუმის იონები გამოიყენება მეორეულ მესენჯერებად. ლიგანდის მემბრანულ რეცეპტორებთან დაკავშირებისას ფოსფოლიპაზა C აქტიურდება. იგი PIP2-ს ორად ხლეჩს და წარმოქმნის IP3-სა და DAG-ს. DAG მემბრანაში რჩება და ააქტიურებს პროტეინკინაზა C-ს, რომელიც თავის სამიზნე მოლეკულებს აფოსფორილებს. IP3 ციტოზოლში გადადის, კალციუმის იონურ არხებს უკავშირდება ენდოპლაზმურ ბადეზე და ხსნის მათ. ენდოპლაზმურ ბადეში დაგროვილი კალციუმი ციტოზოლში გადმოდის და კალციუმდამოკიდებულ ცილებს უკავშირდება. ეს ცილები უჯრედულ პასუხს იწვევენ.

და.. ყველაფერი ამაზე უფრო რთულადაა!

სასიგნალო გზები თვალსა და ხელს შუა შეიძლება, ძალიან გართულდეს! მაგალითად, სტატიის დასაწყისში წარმოდგენილი ეპიდერმული ზრდის ფაქტორის სასიგნალო გზა მთლიანად რომ დახატოთ, გაბურდულ თმის ბღუჯას დაემსგავსება და მთელ პოსტერს დაიკავებს. ეს შეგიძლიათ, თავად ნახოთ სალის ვიდეოში მაპკ სასიგნალო გზაზე.
ამ სირთულეს მეტაბოლური გზების ურთიერთქმედება იწვევს, რაც საკმაოდ ხშირია. სწორედ ამ ურთიერთქმედების დამსახურებით შეუძლია უჯრედს ლოგიკური ოპერაციების განხორციელება და ინფორმაციის მრავალი წყაროს არსებობისას საუკეთესო პასუხის „გამოთვლა". ასე მაგალითად, პასუხის გამოსაწვევად სიგნალის მიღება ორი სხვადასხვა გზიდან შეიძლება იყოს საჭირო, რაც ლოგიკურ ამოცანებში „და"-ს შეესაბამება. ზოგჯერ ორიდან რომელიმე ერთი გზით მიღებული სიგნალიც საკმარისია იმავე პასუხის გამოსაწვევად, რაც ლოგიკაში „ან"-ის ტოლფასია.
მარცხენა დიაგრამა: ლოგიკური „და კავშირი" უჯრედულ სასიგნალო გზაში. იმისთვის, რომ შუალედური ნივთიერება გააქტიურედეს და უჯრედული პასუხი აღიძრას, მისი ორი სხვადასხვა ნაშთი უნდა ფოსფორილდეს ორი სხვადასხვა სასიგნალო გზის მოქმედებით. პასუხი მხოლოდ მაშინ მიიღება, თუ პირველი გზაც ჩართულია და (!) მეორეც.
მარჯვენა დიაგრამა: ლოგიკური „ან" უჯრედულ სასიგნალო გზაში. იმისთვის, რომ შუალედური ნივთიერება გააქტიურედეს და უჯრედული პასუხი აღიძრას, მისი სულ ერთი ნაშთის ფოსფორილებაც საკმარისია რომელიმე სასიგნალო გზის მიერ. პასუხი მაშინ მიიღება, თუ ორიდან რომელიმე გზა მაინცაა ჩართული.
სასიგნალო გზების სირთულის კიდევ ერთი მიზეზია ის, რომ ერთსა და იმავე სასიგნალო მოლეკულას სხვადასხვანაირი პასუხის გამოწვევა შეუძლია იმის მიხედვით, თუ რა სამიზნე მოლეკულებია უჯრედში3. მაგალითად, ლიგანდი აცეტილქოლინი საპირისპირო ეფექტს იწვევს ჩონჩხისა და გულის კუნთებზე, რადგან ამ ორ უჯრედს აცეტილქოლინის სხვადასხვანაირი რეცეპტორი აქვს და მათში ლიგანდის საპასუხოდ სხვადასხვა სასიგნალო გზები ირთვება4,5,6.
უჯრედის ტიპის სპეციფიკურობა აცეტილქოლინზე საპასუხოდ.
მარცხნივ: ჩონჩხის კუნთის უჯრედი. აცეტილქოლინის მოლეკულა ლიგანდდამოკიდებულ იონურ არხს უკავშირდება, ხსნის მას და საშუალებას აძლევს დადებით იონებს, შევიდნენ უჯრედში. ეს კუნთის შეკუმშვას იწვევს.
მარჯვნივ: გულის კუნთის უჯრედი. აცეტილქოლინის მოლეკულა G ცილასთან დაკავშირებულ რეცეპტორს ებმის, რაც კუნთის შეკუმშვის დამთრგუნველ სასიგნალო გზას ააქტიურებს.
აქ ჩამოთვლილი მიზეზების გამო სასიგნალო გზები ძალიან რთული, მაგრამ შესასწავლად საოცრად საინტერესოა. უჯრედშორისი სასიგნალო გზები, განსაკუთრებით კი ეპიდერმული ზრდის ფაქტორის გზა, რომელსაც წეღან გავეცანით, ის ერთ-ერთი საკითხია, რომელსაც მეცნიერები იკვლევენ ავთვისებიანი სიმსივნის საწინააღმდეგო წამლის შექმნის მიზნით.

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

პოსტები ჯერ არ არის.
გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.