Buněčná signalizace

Buněčná signalizace je téma, které se v rámci povídání o buňkách lidského těla musí zmínit. Lidský organizmus je extrémně složitá soustava složená z trilionů buněk. Tyto buňky jsou specializované na různé činnosti a pro přežití organizmu je nutná jejich neustálá koordinace.

Buněčná signalizace je způsob, jakým se této koordinace dosahuje. Jde o činnost neuvěřitelně komplexní signální soustavy zajišťující komunikaci mezi buňkami. V rámci buněčné signalizace někde v organizmu vznikne signál, který se musí dostat na místo určení k příslušné buňce, následně se musí převést přes cytoplazmatickou membránu do cílové buňky a následně na přesné místo uvnitř této buňky. Je to hodně složité, proto se pokusím o hodně zjednodušující popis.

Asi byste mysleli, že buněčná signalizace pro běžnou medicínskou praxi není zase tak důležitá, ale v tomto případě byste se spletli. V řadě případů nám znalosti buněčné signalizace umožní ji s terapeutickým úmyslem určitým způsobem modifikovat nebo dokonce cíleně narušit, o čemž si můžete přečíst na konci tohoto textu. A nyní již k vlastní signalizaci:

Základní způsoby šíření signálů mezi buňkami

Signál mezi buňkami se šíří primárně pomocí signálních molekul, které můžeme označit jako ligandy. Určitý ligand má schopnost navázat se na určitý buněčný receptor a tím pak ovlivnit cílovou buňku. Buňka nevybavená příslušným receptorem na ligand nereaguje. Podle vzdálenosti rozlišujeme signalizaci autokrinní, parakrinní, endokrinní a signalizaci přímým kontaktem.

Autokrinní signalizace – Autokrinní signalizace znamená, že určitá buňka produkuje chemickou sloučeninu, která zpětně ovlivní receptory té samé buňky. Může jít například o různé formy zpětnovazebné regulace.
Parakrinní signalizace – Parakrinní signalizace je signalizace mezi buňkami na relativně krátkou vzdálenost. Příkladem je uvolňování a působení lokálních růstových faktorů.
- Synaptická signalizace – Synaptickou signalizaci můžeme považovat za velmi specifický podtyp parakrinní signalizace. Signál se v tomto případě šíří nervovou buňkou díky depolarizaci její membrány, mnohdy i na velmi velkou vzdálenost. Na konci v oblasti synapse se nicméně uvolní chemická látka (tzv. neuromediátor či neurotransmiter) a ta účinkuje na krátkou vzdálenost na membránu buňky tvořící druhou část synapse. To může být opět neuron nebo buňka jiného typu (například svalové vlákno v nervosvalové ploténce).
Endokrinní signalizace – Endokrinní signalizace (hormonální signalizace) je vedena na velkou vzdálenost. Určitá buňka produkuje chemickou sloučeninu (hormon) a vyplavuje ho do krve, která ho rozvádí po organizmu. Tím lze ovlivnit i velmi vzdálené cílové buňky.
Signalizace přímým kontaktem – Tato signalizace existuje mezi buňkami, které jsou pevně propojeny mezibuněčnými spojeními typu gap junction, kterými mohou mezi buňkami přecházet signální molekuly. Další možností je přímé přiblížení dvou buněk a přímý kontakt mezi povrchovými strukturami na jejich povrchu.

Schéma - základní typy buněčné signalizace

Průchod signálu do cílové buňky

Přenos signálu z povrchu cytoplazmatické membrány na cílové místo buňky se označuje jako signální transdukce. V rámci tohoto procesu je signál přijat, zesílen (amplifikován) a převeden do určité biologické odpovědi. V zásadě jsou možné dvě základní možnosti:

1. Signální molekula se může navázat na membránový receptor cílové buňky a to přímo způsobí biologickou odpověď nebo vede k dalšímu přenosu signálu do nitra cílové buňky.

2. Signální molekula pronikne skrze cytoplazmatickou membránu do nitra cílové buňky a zde se naváže na nitrobuněčný receptor, což vede k dalším změnám.

1. Povrchové membránové receptory mohou fungovat více způsoby. Řadí se mezi ně například receptory spojené s iontovými kanály, receptory spojené s G-proteiny a receptory s enzymovou aktivitou, z nichž je nutné jmenovat receptory s tyrosinkinázovou aktivitou.

Řada membránových receptorů (zejména těch spojených s G-proteiny) je spojena s tzv. „druhými posly“. Druhý posel je molekula, jejíž koncentrace v buňce se vlivem aktivovaného receptoru výrazně zvýší a způsobí biologickou odpověď. Mezi typické druhé posly řadíme sloučeniny cAMP a cGMP, ale můžeme mezi ně počítat i ionty Ca²⁺.

Receptory spojené s iontovými kanály – Reagují velmi rychle. Po navázání ligandu se otevře iontový kanál v cytoplazmatické membráně, tím dojde k proudění iontů a následně dojde ke změně napětí na povrchu buňky. Tyto receptory jsou typické pro nervové synapse včetně nervosvalové ploténky.
Receptory spojené s G-proteiny – Působení signálních molekul na tyto receptory vede k aktivaci membránového G-proteinu. G-protein pak ovlivní některý z iontových kanálů nebo enzymů. Aktivace G-proteinu se účastní molekula GTP. Specifickým podtypem těchto receptorů je receptor, jehož G-protein aktivuje enzym adenylátcykláza. Ten vytváří cAMP, který slouží jako tzv. „druhý posel“ a způsobí v buňce požadovanou biologickou odpověď. Podobně jiný receptor této skupiny aktivuje enzym guanylátcykláza, který vytváří „druhý posel“ cGMP.
Receptory s enzymovou aktivitou – Tyto receptory mají nitrobuněčnou část spojenou s určitým enzymem, který se po navázání ligandu na receptor aktivuje. Typickým příkladem jsou receptory s tyrosinkinázovou aktivitou, které po aktivaci způsobí navázání fosfátu na aminokyselinu tyrosin a to pak vede k dalšímu přenosu signálu.

Základní typy membránových receptorů - vlevo je receptor spojený s iontovým kanálem, uprostřed receptor spojený s G-proteinem a vpravo je receptor s enzymovou (v tomto případě tyrosinkinázovou) aktivitou.

2. Intracelulární receptory jsou určené pro signální molekuly, které umí proniknout cytoplazmatickou membránou (např. hormony štítné žlázy a steroidní hormony). Vzniklý komplex receptor-signální molekula je pak transportován do jádra, kde ovlivní transkripci DNA.

Schéma - přenos signálu na intracelulární receptor

Proč je to důležité?

Jak jsem psal na začátku tohoto textu, ovlivnění buněčné signalizace je zcela zásadní pro medicínu postavenou na farmakoterapii. Existuje velké množství léků, které nějakým způsobem ovlivňují buněčnou signalizaci a tím dosahují terapeutického efektu. Není možné je všechny vyjmenovat, proto bych alespoň zmínil některé důležité a-nebo zajímavé příklady:

Beta-blokátory jsou běžně užívané léky zpomalující srdeční akci a snižující krevní tlak. Blokují totiž beta-receptory pro adrenalin lokalizované na srdečních buňkách a hladkých svalových buňkách krevních tepen. Beta-receptory patří mezi receptory sdružené s G-proteinem a následnou tvorbou cAMP. Vyřazení receptorů naruší efekt adrenalinu na příslušné tkáně a tím sníží tepovou frekvenci i krevní tlak. O beta-blokátorech si můžete více přečíst v tomto textu.
Organofosfáty jsou sloučeniny, které na nervosvalové ploténce zablokováním enzymu acetylcholinsterázy neadekvátně zesílí přenos signálu na svalová vlákna a tím vyvolá silné kontrakce svalů. Informace o otravě organofosfáty najdete v tomto textu.
Inhibitory tyrosinkináz jsou skupinou léků využívaných v terapii nádorových onemocnění, které spadají do problematiky biologické léčby. Tyrosinkinázové receptory zmíněné v textu výše se totiž typicky podílí na signalizaci související s buněčný cyklem a množením buněk. Zablokování jejich enzymů proto účinně zpomaluje množení nádorových buněk.