Hücrelerde Sinyal İletimi ve İletişim

Transkript

1 7 Hücrelerde Sinyal İletimi ve İletişim

2 7 7.1 Sinyal nedir ve hücreler buna nasıl cevap verir? 7.2 Sinyal almaçları hücre cevabını nasıl başlatır? 7.3 Sinyale cevap hücre içinde nasıl aktarılır? 7.4 Sinyallere göre hücreler nasıl değişir? 7.5 Çok hücreli canlılarda hücreler nasıl iletişim kurar?

3 7 Bir çayır faresi türünde, beyin hücrelerinin salgıladığı oksitosin ve vazopresin, diğer beyin hücrelerine bağlanarak erkek ve dişilerin hayat boyu birbirlerine bağlanmalarını ve yavru bakımını sağlıyor. SORU: Oksitosin insanlarda da böyle bir davranışa sebep olabilir mi?

4 7.1 Sinyal nedir ve hücreler nasıl cevap verir? Tüm hücreler çevrelerinden bilgi alır. Bu bilgi kimyasal veya ışık gibi fiziksel bir uyaran olabilir. Sinyaller organizmanın dışından veya komşu hücrelerden olabilir.

5 7.1 Sinyal nedir ve hücreler nasıl cevap verir? Bir hücrenin bir sinyale tepki vermesi için, o sinyali tespit edebilen bir almaça (Reseptör) ihtiyacı vardır. Sinyal iletim yolu, hücrenin bir sinyale tepki vermesini sağlayan hücre içi olaylar dizisidir

6 7.1 Sinyal nedir ve hücreler nasıl cevap verir? Tek hücreli canlılar çevrelerindeki değişimlere doğrudan tepki verir Bitkler güneş ışığına tepki verir, ona yönelir veya metabolizmalarını düzenler Büyük çok hücreli canlılarda her hücre çevreyle doğrudan temasta değildir. Sinyaller hedef hücrelere difüzyonla veya kan dolaşımıyla ulaşır Bu sinyaller genelde kimyasaldır ve çok küçük miktarlardadır Sinyaller genelde diğer hücrelerden salgılanır fakat sindirim ve solunum ile çevreden de gelebilir

7 7.1 Sinyal nedir ve hücreler nasıl cevap verir? Otokrin sinyaller kendilerini üreten hücreyi etkiler Jukstakrin sinyaller sadece bitişik hücreleri etkiler. Parakrin sinyaller yakın çevredeki hücreleri etkiler Hormonlar genellikle dolaşım sistemi yoluyla uzak hücreleri etkiler.

8 Figure 7.1 Kimyasal sinyal sistemleri Hedef hücre Salgı hücresi Parakrin Almaç Hedef hücre Almaç yok Hedef hücre değil Hedef hücre Salgı hücresi Hedef hücre Kan damarı

9 7.1 Sinyal nedir ve hücreler nasıl cevap verir? Bir sinyal iletim yolu 1. Sinyal 2. Almaç 3. Yanıttan oluşur. Bir sinyale sadece ilgili almaçlara sahip olan hücreler yanıt verebilir. Yanıt: bir tepkiyi oluşturmak üzere tetiklenen/durdurulan enzimler veya proteinleri içerebilir

10 Figure 7.2 Bir sinyal iletim yolu Sinyal molekülü Almaç Aktif olmayan sinyal iletim molekülü Aktif sinyal iletim molekülü Kısa süreli değişimler: enzim aktifleşmesi, hücre hareketi Uzun süreli değişimler: DNA transkripsiyonunda değişimler

11 7.1 Sinyal nedir ve hücreler nasıl cevap verir? Çapraz konuşma: Sinyal iletim yolları birbiriyle ilişkili olabilir. Yollar dallanabilir; bir tane aktif protein pekçok yolu aktifleştirebilir. Pekçok yol sadece bir transkripsiyon proteininde birleşebilir. Bir yol aktifleşirken diğeri durdurulabilir.

12 7.1 Sinyal nedir ve hücreler nasıl cevap verir? Reseptör (almaç) protenlerinin kimyasal sinyal moleküllerine (ligand) bağlandıkları bölgeler çok özgündür Anahtar-kilit gibi uyumludur Ligand bağlanması almaç proteinin şeklini değiştirir. Bağlanma kalıcı değildir ve ligand değişime uğramaz

13 Figure 7.3 Bir kimyasal sinyal ve almaç proteini Hücre dışı Hücre zarı Hücre içi

14

15 7.2 Sinyal almaçları hücre cevabını nasıl etkiler? Almaçlar ligandlarına kütle etki yasası ile bağlanır: R + L RL Bağlanma ve ayrılmanın hız sabitleri vardır (K 1 ve K 2 ).

16 7.2 Sinyal almaçları hücre cevabını nasıl etkiler? Bir hız sabiti tepkiyenlerin konsantrasyonu ile tepkime hızını ilişkilendirir: Bağlanma hızı = K 1 [R][L] Ayrılma hızı = K 2 [R][L]

17 7.2 Sinyal almaçları hücre cevabını nasıl etkiler? Denge durumunda, bağlanma ile ayrılma hızları birbirine eşit olur: K 1 [R][L] = K 2 [R][L] veya R L K 2 K D RL K 1

18 7.2 Sinyal almaçları hücre cevabını nasıl etkiler? K D ayrılma sabitidir: Bir almacın kendi ligandına olan çekiminin bir ölçüsüdür. K D, ne kadar küçükse ligand ve raseptör bağlanması o kadar güçlüdür. Küçük K D değerleri sayesinde almaçlar çok düşük konsantrasyonlardaki ligandlara bağlanabilirler

19 7.2 Sinyal almaçları hücre cevabını nasıl etkiler? Pekçok ilaç da ligand gibi işlev görür. Engelleyici moleküller (antagonist) de rseptör proteinlere bağlanabilir. Ör: Kafein adenozine çok benzer ve onunla aynı almaca bağlanır Adenozin sinir hücrelerindeki almaçlara bağlanarak beyin aktivitesini azaltır. Kafein bu almaçları doldurarak sinir hücrelerinin aktivitesinin devam etmesini sağlar

20 Figure 7.3 A Signal and Its Receptor Kafein Adenozin

21 7.2 Sinyal almaçları hücre cevabını nasıl etkiler? Almaçlar sitoplazmada veya hücre zarında bulunabilir. Hücre içi almaçlar: Hücre zarından geçebilen küçük veya nonpolar ligandları vardır (Ör: östrojen). Zar almaçlari: Büyük veya polar ligandları vardır (Ör: insülin).

22 Figure 7.4 Almaç çeşitleri Hücre dışı Hücre zarı Non polar sinyal Zar Almacı polar sinyal Almaç Hücre içi

23 7.2 Sinyal almaçları hücre cevabını nasıl etkiler? Ökaryotlarda üç çeşit zar almacı bulunur: İyon kanalları Protein kinaz almaçları G protein- bağlantılı almaçlar

24 7.2 Sinyal How Do almaçları Signal Receptors hücre cevabını Initiate nasıl a Cellular etkiler? Response? İyon kanal almaçları: İyonların hücre zarından geçişini sağlayan kanal proteinleridir. Sinyaller kimyasal olabilir (hormon gibi), ışık gibi duyusal olabilir veya elektrik yük farkları olabilir

25 Figure 7.5 A Gated Ion Channel Hücre dışı Asetilkolin Hücre zarı Hücre içi Asetilkolin Almacı

26 7.2 Sinyal almaçları hücre cevabını nasıl etkiler? Protein kinaz almaçları: Kinaz: kendisine veya diğer moleküllere fosfat grupları ekler. Ör: İnsülin almacı insülin bağlanmasıyla beraber kendini fosfatlar ve daha sonra ilgili diğer molekülleri de fosfatlar

27 Figure 7.6 A Protein Kinase Receptor İnsülin Hücre dışı Fosfat grupları İnsülin almacı İnsülin yanıt molekülü Hücrsel tepkiler Hücre içi

28 7.2 Sinyal almaçları hücre cevabını nasıl etkiler? G protein-bağlantılı almaçlar: Ligand bağlanması almacın sitoplazma tarafında şekil değişikliğine sebep olur ve bir G proteinine bağlanır. G proteini: Hareketli zar proteinleridir. GDP (guanoszin difosfat) ve GTP (guanozin trifosfat) moleküllerine bağlanma özelliği vardır.

29 Figure 7.7 A G Protein-Linked Receptor Hücre dışı Aktif etki proteini G protein bağlantılı almaç Hücre içi İnaktif G proteini İnaktif etki proteini aktif G proteini Hücresel tepkiler

30 7.2 Sinyal almaçları hücre cevabını nasıl etkiler? Hücre içi almaçlar hücre zarından geçebilen kimyasal sinyallere veya ışık gibi fiziksel sinyallere tepki verirler. Ör: Transkripsiyon faktörleri (DNA dan RNA oluşumunda görevli proteinler) Ligandlarına bağlandıklarında çekirdeğe gider, DNA ya bağlanır ve gen ifadesini etkilerler.

31 Figure 7.8 An Intracellular Receptor Hücre dışı Sinyal (kortizol) Hücre zarı Hücre içi Kortizol almacı Çekirdek

32 7.3 Sinyaller hücrede nasıl yanıt oluşturur? Sinyaller genellikle hücrede bir dizi olay başlatır. Dolayısı ile ilk sinyal dağıtılabilir ve pekçok yanıt oluşturabilir

33 7.3 Sinyaller hücrede nasıl yanıt oluşturur? Örnek: Protein kinaz almaçları Büyüme faktörleri denilen ligandlara bağlanırlar ve hücre bölünmesi tetiklenir.

34 7.3 Sinyaller hücrede nasıl yanıt oluşturur? Mesane kanserinde böyle bir sinyal yolunda bozukluk olduğu saptanmıştır Kanser hücrelerinde bir G protein olan Ras anormalliği vardır ve GTP ye devamlı bağlı kalması sonucunda hücreler sürekli bölünme sinyali aldıklarını zanneder Bu Ras proteini engellindiğinde bölünme durur. Kanser tedavisinde Ras engelleyiciler bu şekilde bulunmuştur

35 Figure 7.9 Signal Transduction and Cancer Normal hücre Hücre bölünmesi az miktarda tetiklenir Kanser hücresi Anormal Ras Hücre bölünmesi sürekli tetiklenir

36 7.3 Sinyaller hücrede nasıl yanıt oluşturur? Diğer kanser tiplerinde de sinyal yollarında bu şekilde bozukluklar bulunur Normal ve kanserli hücrelerin karşılaştırılması tüm sinyal yollarının bulunmasını sağlamaktadır

37 7.3 Sinyaller hücrede nasıl yanıt oluşturur? Protein kinaz zincirleme yolları: Bir protein kinaz diğerini ve o da diğerini aktifleştirir

38 Figure 7.10 A Protein Kinase Cascade Büyüme faktörü Hücre dışı Hücre içi Çekirdek Hücresel tepkiler

39 7.3 Sinyaller hücrede nasıl yanıt oluşturur? Bazı sinyal iletim yolları protein olmayan küçük ikinci mesajcılar içerir. Ör: Kalsiyum Sinyalin artırılması ve yayılmasını sağlarlar. Bir adet ligandın bağlanması çok sayıda ikinci mesajcının üretilmesini sağlar Bu sayede birden fazla hedef protein aktifleştirilebilir

40 7.3 Sinyaller hücrede nasıl yanıt oluşturur? İkinci mesajcılar sinyal yollarının kesişiminde de bulunabilirler. Almaç Almaç İkinci mesajcı Sinyal yolu Sinyal yolu

41 7.3 Sinyaller hücrede nasıl yanıt oluşturur? Sinyal iletim yolları çok sıkı bir şekilde kontrol edilir. İkinci mesajcıların konsantrasyonları kontrol altındadır Protein kinazlar, G proteinler, aktif formları durduran enzimlerce kontrol edilir

42 7.4 Hücreler sinyaller sonucunda nasıl değişim gösterir? Sinyallerin etkileri: 1. İyon kanallarının açılması 2. Enzim aktivitesinde değişim 3. Gen ifadesinde değişim

43 7.4 Hücreler sinyaller sonucunda nasıl değişim gösterir? 1. İyon kanalları: Hem almaç olarak hem de sinyal iletiminin sonraki basamaklarında görev yapabilirler. Bazen de sinyal iletiminin son basamağında yani tepkinin kendisini oluşturabilirler. İyon kanalının açılması hücrenin tepkisi olabilir

44 7.4 Hücreler sinyaller sonucunda nasıl değişim gösterir? Duyu hücrelerinde ışık, ses, tat veya basınç gibi dış uyaranlara tepki veren almaçlar bulunur. Almaçtaki değişim iyon kanallarının açılmasına sebep olur.

45 Figure 7.17 Sinyal iletim yolu iyon kanallarının açılmasına yol açar Sinyal beyne iletilir Beyin Burun boşluğu Nöron Koku molekülleri

46 Figure 7.17 Sinyal iletim yolu iyon kanallarının açılmasına yol açar Hücre dışı Koku molekülü Koku almacı Hücre içi İkincil protein İyon kanalı

47 Figure 7.17 Sinyal iletim yolu iyon kanallarının açılmasına yol açar İkincil mesajcı

48 Figure 7.17 Sinyal iletim yolu iyon kanallarının açılmasına yol açar Beyne sinyal gider

49 7.4 Hücreler sinyaller sonucunda nasıl değişim gösterir? 2. Enzim aktivitelerinde değişim: Bir protein kinaz tarafından fosfat grubu eklenmesi, enzim şeklini değiştirir. İkincil mesajcılar enzimlerle zayıf bağ yapar ve şeklini değiştirir. Şekli değişen enzimin aktif bölgesi açığa çıkar - Enzim aktivitesi değişimi bu şekilde olur

50 Enzim aktivitesi engellenme Enzim aktifleşme Enzim Enzim Aktif bölge Düzenlenme bölgesi Aktif bölge kapalı Engelleyici Aktifleştirici Substrat Substrat Aktif bölgede değişim Aktif bölge

51 Figure 7.18 Bir tepkime dizisi enzim aktivitesini değiştirir Hücre dışı Epinefrin Epinefrin almacı Aktif G- protein Hücre zarı Aktif ikincil enzim İkinci mesajcı İnaktif protein kinaz A İnaktif fosforilaz kinaz P Aktif protein kinaz A P Aktif glikojen sentaz İnaktif glikojen sentaz

52 Figure 7.18 Bir tepkime dizisi enzim aktivitesini değiştirir Aktif fosforilaz kinaz P İnaktif glikojen fosforilaz Aktif glikojen fosforilaz P Glikojen Glukoz 1-fosfat Hücre içi Glukoz Kanda glukoz Hücre dışı

53 7.4 Hücreler sinyaller sonucunda nasıl değişim gösterir? Bu sinyal yolunda sinyal şiddeti giderek artmıştır Hücre zarına ulaşan 1 epinefrin molekülü için, glukoz molekülü kana karışmıştır.

54 7.4 Hücreler sinyaller sonucunda nasıl değişim gösterir? 3. Gen ifadesi: Hangi genlerden protein üretileceğinin belirlenmesi sinyal iletim yollarına bağlıdır. Örnek: Ras sinyal yolundaki son protein kinaz, çekirdeğe girer ve hücre bölünmesiyle ilgili genleri aktifleştirir.

55 7.5 Çok hücreli bir organizmada hücreler nasıl doğrudan iletişim kurar? Bir dokuda bulunan hücreler özel bağlantılar ile iletişim kurarlar: Yarıklı bağlantılar (hayvanlarda) Plazmodezmata (bitkilerde)

56 7.5 Çok hücreli bir organizmada hücreler nasıl doğrudan iletişim kurar? Yarıklı bağlantılar: Bitişik hücrelerin aralarında konnekson proteinlerinin oluşturduğu kanallardır: 1.5 nm genişliğindedir. Proteinlerin geçişi için küçüktür fakat iyon ve küçük molleküllerin geçişine izin verir.

57 Figure 7.19 Yarıklı bağlantılar Hücre zarları Hücre 1 Hücre 2 Konnekson İki hücre arası boşluk («yarık»; 2nm Konneksinler

58 7.5 Çok hücreli bir organizmada hücreler nasıl doğrudan iletişim kurar? Bazı dokularda sadece belirli hücreler kan damarlarına yakındır. Gelen sinyallerin doku içindeki hücrelere iletimi yarıklı bağlantılarla sağlanır. Örnek: Memeli gözündeki lens hücreleri çok sayıda yarıklı bağlantıya sahiptir.

59 7.5 Çok hücreli bir organizmada hücreler nasıl doğrudan iletişim kurar? Bazı hormonlar ve ikinci mesajcılar doğrudan yarıklı bağlantılardan geçer. Avantaj: Sadece birkaç hücrenin almaçları olması yeterli olur. Sinyal diğer hücrelere doğrudan yarıklı bağlantılar ile iletilir.

60 7.5 Çok hücreli bir organizmada hücreler nasıl doğrudan iletişim kurar? Bitki hücre duvarlarında birkaç bin tane plazmodezmata (tüneller) bulunur. Kanalın içini çeviren yapı birleşmiş hücre zarlarıdır. Dezmotübül adı verilen bir tüp yapısı ER dan türemiştir ve plazmodezmata kanalının içini doldurur.

61 Figure 7.19 İletişim bağlantıları Granülsüz endoplazmik retikulum Hücre 1 Hücre zarı Hücre duvarları Plazmodezma Dezmotübül Hücre 2

62 7.5 Çok hücreli bir organizmada hücreler nasıl doğrudan iletişim kurar? Plazmodezmata maddelerin dolaşımı için önemlidir Hayvanlardaki kılcal damarlarla benzer bir işlev. Bitkilerde hormonların hızlı bir şekilde yayılmaları gerekir. Bu sayede tüm hücreler bir uyarana aynı anda cevap verir. Bu hızlı yayılım plazmodezmata ile sağlanır.

63 7.5 Çok hücreli bir organizmada hücreler nasıl doğrudan iletişim kurar? Daha büyük bazı moleküller ve parçacıklar da plazmodezmatadan geçebilir. Örnek: Bitki virüsleri

64 7.5 Çok hücreli bir organizmada hücreler nasıl doğrudan iletişim kurar? Tek hücreli canlılardan çok hücreli organizmalara evrim, bir milyar yıl kadar sürdü ve muhtemelen adım adım gerçekleşti: Hücrelerin topluluk oluşturması Hücreler arası iletişim Bazı hücrelerin özelleşmesi Özelleşen hücrelerin dokuları oluşturması

65 7.5 Çok hücreli bir organizmada hücreler nasıl doğrudan iletişim kurar? Sucul yeşil alg olan Volvox çok hücreliliğe geçişin iyi bir örneği olabilir. Tek hücreli Klamidomonas tan çok hücreli topluluklara kadar çeşitlilik gösterirler.

66 Figure 7.20 Çok hücrelilik

67 7.5 Çok hücreli bir organizmada hücreler nasıl doğrudan iletişim kurar? Volvox 1000 hücreye sahipitir: Vücut hücreleri ve eşey hücreleri ayrı dokularda bulunur. Ayrı dokuların aktivitelerini hücreler arası bir iletim mekanizması kontrol etmektedir.

68 7 İlk SORUya CEVAP Oksitosin cinsel birleşme sırasında insanlarda da salgılanır ve bağlanma davranışlarına yol açar. Yapılan deneylerde oksitosinin diğer insan davranışlarını da etkilediği gözlenmiştir: Burundan koklanarak alınan oksitosin, yabancılara güven duymayı artırmıştır.