signalformidling

Omformingen av signalet utenfor cellen (det ekstracellulære signalet) til intracellulære prosesser kalles i fagfeltet cellebiologi for signaltransduksjon. Noen signalmolekyler trenger gjennom membranen i mottakercellen og bindes til reseptorer inni cellen. Eksempler er gassen nitrogenoksid (NO) og steroidhormoner som kjønnshormoner og kortisol. De fleste signalmolekyler bindes imidlertid til membranreseptorer på overflaten av cellen. Bindingen forårsaker endringer av reseptorene, som så utløser reaksjonene i de intracellulære signalveiene.

Signalveiene består vanligvis av flere ledd, ofte med forsterking av signalet i flere av leddene, slik at vi får signalkaskader. De intracellulære signalveiene har flere funksjoner:

• de overfører og fordeler signalet fra mottakersted til de steder i cellen hvor svaret utløses
• de omdanner signalet til former som kan utløse svar
• de forsterker vanligvis svaret samtidig som de kan integrere reaksjonene med reaksjonene fra andre signalveier til mer komplekse reaksjonsmønstre

Visse små molekyler, kalt sekundære budbringere, spiller en viktig rolle i de intracellulære signalveiene. Signalveiene utgjøres imidlertid først og fremst av en stor mengde proteiner som virker som molekylære brytere, det vil si at de kan veksle mellom inaktiv og aktiv tilstand. Aktiveringen skjer enten ved at andre molekyler eller kalsiumioner (Ca²⁺) binder seg til proteinene, eller ved at fosfatgrupper hektes på eller fjernes fra dem. I de fleste tilfeller overføres fosfatgruppen fra et ATP-molekyl og hektes direkte på aminosyresidekjeder i proteinene. Prosessen kalles fosforylering og katalyseres av en gruppe enzymer kalt proteinkinaser. Avhekting eller defosforylering ved spalting av bindingen mellom aminosyresidekjedene og fosfatgruppene katalyseres av enzymer kalt proteinfosfataser.

For noen proteiner skjer fosforylering/defosforylering på en indirekte måte. Disse proteinene har i den aktive formen bundet molekylet guanosintrifosfat (GTP). Inaktivering skjer ved avhekting av en av fosfatgruppene i GTP, slik at det dannes GDP (guanosindifosfat). Avhektingen, eller defosforyleringen, av protein-GTP-komplekset, skjer ved hjelp av enzymer kalt GTP-aser. Når komplekset skal aktiveres igjen, byttes GDP-molekylet ut med et nytt GTP-molekyl, noe som i praksis svarer til fosforylering av komplekset. Proteiner som på denne måten har bundet GDP/GTP, kalles G-proteiner. De finnes i to hovedformer. Den ene gruppen, de trimere G-proteinene, består av tre subenheter, kalt α, β og γ. Den andre gruppen, de monomere G-proteinene, består bare av én subenhet. Et sentralt medlem av de monomere G-proteinene er ras-proteinet.

En av de viktigste intracellulære signalveiene formidler signaler via en proteinkinase som kalles proteinkinase A (PKA). Denne proteinkinasen aktiveres når molekylet cAMP (syklisk adenosinmonofosfat) binder seg til det. Kort skissert foregår reaksjonsveien i følgende trinn:

1. et ekstracellulært signalmolekyl binder seg til sin membranreseptor
2. bindingen utløser endringer i reseptoren, som binder trimere G-proteiner festet til innsiden av cellemembranen
3. dette fører til aktivering av G-proteinene ved at bundet GDP veksles ut med GTP
4. de aktive G-proteinene flyter sidelengs i membranen, og binder seg til og aktiverer enzymet adenylsyklase
5. aktivt adenylsyklase-enzym katalyserer omdanning av ATP til cAMP
6. cAMP binder seg til og aktiverer proteinkinae A, som så fosforylerer ulike proteiner inne i cellen
7. fosforyleringen endrer funksjonstilstanden til proteinene
8. noen av de fosforylerte proteinene er selv proteinkinaser, som så igjen fosforylerer nye sett med proteiner

Vi ser at reaksjonsveien består av mange ledd. For flere av leddene kan en aktivert faktor aktivere flere faktorer i neste ledd, hvilket muliggjør forsterking av signalveien. Dessuten gir det større mulighet for regulering av signalveien, ettersom flere av leddene er gjenstand for kontroll. For eksempel inaktiveres de aktiverte G-proteinene raskt ved at bundet GTP spaltes til GDP, enzymet fosfodiesterase bryter ned syklisk adenosinmonofosfat, og proteinfosfataser fjerner fosfatgruppene hektet på proteinene. Endelig øker de mange leddene muligheten for samspill med andre, parallelle signalveier.

cAMP er et eksempel på en sekundær budbringer (engelsk second messenger). De primære budbringerne er de ekstracellulære signalmolekylene. Andre eksempler på sekundære budbringere er kalsiumioner (Ca²⁺) og de småmolekylære stoffene diacylglyserol (DAG, som er et lipid) og inositoltrifosfat (IP₃, som er en sukkerart med tre fosfatgrupper bundet).

DAG og IP₃ frigjøres ved at enzymet fosfolipase-C spalter et glykolipid, altså et fettstoff med sukkergrupper bundet, som er til stede i små mengder i cellemembranens innside. Dermed kløyves IP₃ av og diffunderer innover i cellen, hvor det binder seg til og åpner kalsiumkanaler i endoplasmatisk retikulum. Kalsiumionene strømmer ut i cytosol, hvor de binder seg til og aktiverer ulike proteiner, spesielt et protein kalt kalmodulin. Kalmodulin-Ca²⁺-ionekompleksene kan så videre påvirke og aktivere nye proteiner, deriblant enzymet CaM-kinase (av calmodulin-aktivert kinase), som så fosforylerer og aktiverer nye proteiner.

DAG forblir i cellemembranen, hvor det binder til seg en annen viktig proteinkinase, kalt proteinkinase C, og holder den forankret til membranen. I nærvær av frigjorte kalsiumioner aktiveres enzymet og starter fosforylering av andre sett med proteiner. Fosfolipase C, som starter signalveiene som fører til aktivering av CaM-kinase og C-kinase, er normalt inaktivt, men stimuleres enten via aktiverte G-proteiner eller via såkalte enzymbundne membranreseptorer. Dette er en stor gruppe membranreseptorer som, når de ekstracellulære signalmolekylene binder seg til dem, enten selv får enzymaktivitet eller binder og aktiverer enzymer. Noen av de enzymbundne reseptorene utløser en signalvei der ras-proteinet aktiveres som et tidlig steg i veien. Aktivt ras medfører så stimulering av en serie med påfølgende proteinkinaser i en forsterkningskaskade. Denne signalveien er spesielt viktig i forbindelse med regulering av cellevekst og celledeling, men også de andre signalveiene bidrar til denne reguleringen.

Det er langt flere signalveier enn de her beskrevne, og med langt mer intrikate interaksjoner og reguleringsmekanismer. Omfanget av dette regulatoriske nettverket fremgår av at arvestoffet vårt anslås å kode for flere tusen proteinkinaser og -fosfataser, og at over tusen ulike proteinkinaser er til stede i en enkelt celle.

Nettverket har stor klinisk betydning. Mutasjoner i gener for proteiner som deltar i nettverket, kan føre til ulike sykdommer, ikke minst til utvikling av kreft ved omdanning til onkogener. Ulike toksiner (bakterielle giftstoffer) virker på dette nettverket. Et eksempel er koleratoksin, som forhindrer inaktivering av aktivert G-protein i tarmepitelcellene, slik at ioner og medfølgende væske pumpes ut i tarmen og gir diaré. En lang rekke viktige legemidler virker inn på signalveiene. Eksempler er ulike hjertestimulerende midler og medikamenter mot astma. Endelig påvirkes signalveiene av stoffer som naturlig forekommer i mat og drikke. Et eksempel er koffein, som blant annet hemmer enzymet fosfodiesterase og dermed øker konsentrasjonen av cAMP.

• celle
• hormoner
• reseptor