Hücreler arası iletişim

Çok hücreli organizmalar için hücreler arası iletişim hayati öneme sahiptir. Milyarlarca hücrenin etkinliklerini eşgüdümlü yapabilmeleri için haberleşmeleri gerekir. Zigottan itibaren canlının yaşamı boyunca devam eden bu iletişim, evrensel bazı denetim mekanizmaları ile sağlanır.

Hücreler, birbirleriyle konuştuklarına (iletişim) göre, ne konuşur, nasıl konuşur? Hücrenin yüzeyine gelen fiziksel ya da kimyasal bir sinyal, bir dizi sinyal aktarım yolunu kullanarak özgül bir cevaba dönüşür. Hücresel haberleşme, çok hücrelilerle beraber prokaryotlarda da gözlenir. Örneğin: Toprakta yaşayan bir bakteri türü (Myxobacteria) besin krizi durumunda bir kimyasal molekül ile diğer hücreleri uyarır. Uyarıyı alan hücreler, kümeleşerek ortam şartları düzelene kadar kalın çeperli sporlar oluştururlar.

Hücreler, yakınındaki ya da en uzaktaki hücreler ile haberleşebilirler. Lokal düzenleyiciler denilen kimyasal moleküller (Örneğin: büyüme faktörleri ve nörotransmitter maddeler) en yakındaki hücrelere mesaj iletisi sağlar. Hayvan ve bitkilerde hormon adı verilen kimyasal sinyaller kan yoluyla (bitkilerde iletim dokuyla) uzak mesafelere taşınarak, hedef hücrelere bilgi iletirler. Ayrıca hücreler birbirleriyle doğrudan iletişimle hücrelerin sitoplazmaları arasında bağlantı kurulur. Örneğin: Bitkilerde plazmadezmatalar ve hayvan hücrelerindeki ara bağlantılar, sitozoldeki çözünen moleküllerin bir hücreden diğerine aktarımını sağlayan köprülerdir.

Hücresel haberleşmenin üç aşaması vardır; sinyal alma, sinyal iletimi ve cevap.

Sinyal Alma

Kimyasal bir sinyal, genelde hücre yüzeyindeki bir reseptörle bağlanır ve onun biçim değişmesine neden olur. Sinyal molekülünün biçimiyle, bağlandığı reseptör bağlantı kısmı uygunluk oluşturur. Sinyal molekülü ligand gibi (yani büyük moleküle özgül olarak bağlanan küçük molekül) bağlanır. Bu bağlanma reseptör üzerinde şekil değişikliği ya da bazen diğer reseptörlerin bir araya gelmesini sağlar.

Hücre zarında üç tip reseptör bulunmaktadır. Bunlar G-proteine bağlı reseptörler, tirozin-kinaz reseptörleri ve iyon-kanalı reseptörleri plazma zarında bulunur.

1) G-proteinleri'nin bir çok çeşidi olmakla beraber yapısı genelde benzerdir. Zarı kateden (çevreleyen) 7 tane alfa helix polipeptit yapı, yapının sitozol tarafından G proteinle etkileşen kısım ve zarın dış yüzünde ise sinyale bağlanma bölgesi bulunur. Sinyal molekül G-proteine bağlı reseptörün hücre dışındaki yüzeyine bağlandığı zaman, reseptör şekil değişimiyle aktive olur ve G-proteine bağlanır. Bu durumda (G proteini üzerinde GTP'nin ------> GDP'ye dönüşümüyle) G proteini de aktive olur. Aktive G proteini genelde enzim olan bir başka proteinin aktive olmasını tetikler ve bu şekilde sinyal yolu akışı devam eder.

Bazı patojen bakteriler, G-protein işlevini aksatan toksinler üreterek kolera, boğmaca ve botulizm gibi hastalıklara neden olurlar. Bir G proteinden yoksun farelerde, kan damarlarının gelişmediği ve anne karnında öldüğü tespit edilmiştir. İnsanlarda görme, koklama gibi olaylarda G proteini iş görür.

2) Protein-kinaz proteinleri, inaktif halde zar üzerinde ayrı ayrı polipeptitler halinde olup dış kısmında reseptör bağlanma bölgesi ve sitozol tarafından ise enzim olarak iş gören tirozin kinaz bulunur. Sinyal molekül reseptöre bağlandığında, iki uygun polipeptit bir araya gelerek bir dimer oluşturur. Aktive olan protein kinaz proteini, diğer proteinlerin tirozin kısmını fosforile ederek (bu fosfatın kaynağı ATP'dir) sinyal yolu akışı sağlanır. Bu proteinin diğerlerinden farkı, aynı anda birden fazla sinyal aktarım yolunu tetikleme yeteneğidir.

3) İyon kanalı reseptörleri ise, kimyasal sinyale cevap olarak açılıp-kapanan, plazma zarında yer alan ve proteinlerle çevrili porlardır. Sinyal molekül kanal proteinin reseptör kısmına bağlandığında onda bir biçim değişikliği oluşturur ve açılan kanaldan iyon geçişi olur. Örneğin; Nörotransmiter madde sinapstan nörona geçerek bir kimyasal sinyal başlatması.

Sinyal reseptörlerin tamamı hücre zarında bulunmaz. Bazıları sitozolde ya da çekirdek içinde bulunur. Bunlara hücre içi reseptörleri denir. Steroid hormonlar ile troid hormonları hidrofobik yapısı nedeniyle zardan sitozole geçerek kendi reseptörüne bağlanır.

Sinyal İletim Yolları

Hücre zarındaki reseptörlere uygun bir sinyal molekül bağlanmasıyla başlayan sinyal iletim zinciri, bir cevap oluşana dek devam eder. Domino taşlarının devrilmesi gibi, bir protein diğerini, o diğerini ...... bu şekilde ileti proteinlerdeki konformasyonel değişiklik ve fosforilasyon şeklinde ilerler.

Proteinlerin fosforilasyonu, protein aktivitesini düzenleyen temel mekanizmalardan biridir. ATP'den bir fosfat kopararak proteine ekleyen enzim protein kinazdır. Protein kinazlar, sinyal iletimini sağlayan fosforilasyon şelaleleri oluşturur. Genelde proteine fosfat katılması, inaktif formdan aktif forma geçiştir. Çok büyük bir aile olan protein kinazlar, her biri bir substrata özel olup genlerin %1'i bu proteinlerin üretiminden sorumlu olduğu tahmin ediliyor.

Protein kinazların etkileri, hücrede protein fosfatazlar tarafından geriye döndürülmektedir. Protein fosfataz ve protein kinaz arasındaki denge, fosforilasyonla düzenlenen protein aktivitesini tayin eder. Not: Sinyal aktarım yolundaki bütün bileşenler protein değildir.

Siklin AMP (cAMP), kalsiyum (Ca+2) ve inositol trifosfat (IP3) gibi molekül ve iyonlar, sinyal iletiminde görev alan ikincil mesajcılardır. Bu moleküller küçük ve suda çözünür olması, tüm hücreye kolayca difüze olmalarına olanak verir. İkincil mesajcı moleküller, hem G-proteine bağlı proteinler, hem de tirozin-kinaz reseptörlerince başlatılan sinyal iletim yolunda görev alırlar.

Plazma zarı içine yerleşmiş adenilat siklaz, hücre dışı sinyale cevap olarak ATP'yi ------> cAMP'a dönüştürür. Sinyal olmaması durumunda ise, başka bir enzim cAMP'ı inaktif AMP'ye çevirir. cAMP'ın ilk etkisi, protein kinaz adı verilen serin treonin kinazın aktivasyonudur. Aktive olan kinaz, sonra diğer proteinleri fosforile eder. Sinyal aktarımı başka bir anlatımla ifade edilecek olursa:

Sinyal ---> G-proteine bağlı reseptör ---> G-protein aktivasyonu ---> Adenilat siklat aktivasyonu ---> ATP'nin cAMP'a dönüşümü ---> cAMP'ta başka bir proteinin fosforilasyonuyla ---> Sinyale uygun cevap oluşumu.

Hayvanlardaki nörotransmitterler, büyüme faktörleri ve birçok hormon, sitozoldeki Ca+2 derişimini arttırarak hücrelerde değişim meydana getirirler. Sitozolik Ca+2 artması, hayvanlarda kas kasılımına, hücre bölünmesi ve belli bileşiklerin salınmasına neden olur. Aktif salınımla sürekli hücre dışına yollanan Ca+2'nin (ya da ER'lere) kan ve hücre dışındaki derişimi, sitozoldekine göre yaklaşık 10.000 kat daha fazladır. Bundan dolayı sitozoldeki ufak bir değişiklik, bir çok metabolik yolun tetikleyicisi olabilir. ER'den Ca+2 salınımı sağlayan yolda, diaçilgliserol (DAG) ve İnositol trifosfat (IP3 ) görev alır. Ca+2 iyonları, sinyal aktarımında bir proteini doğrudan aktive etmekle birlikte bazen de kalmodilin adı verilen Ca+2 bağlayıcı bir proteinle işlev gösterir. Ca+2’nin kalmodiline bağlanması onda konformasyonel değişiklik oluşturur. Kalmodilinle çalışan sinyal proteinleri genelde protein kinazlar ve fosfatazlardır.

Sinyallere Verilen Yanıtlar

Çok hücreli organizmaların bütün hücreleri, aynı zigottan mitozla oluştuğundan genomları aynıdır. Fakat farklı dokulardaki farklı genlerin aktivasyonu söz konusu olduğu için, sonuçta farklı ürün ve işlevler ortaya çıkar. Aynı şekilde sinyal iletim yolundaki protein setlerinin farklı olması da farklı protein ve enzim üretimiyle sonuçlanacaktır. Sinyal iletim yollarındaki bazı ortak proteinlerin olması, hücre ekonomisine katkı sağlar. Bir sinyal molekülü, farklı hücrelerde farklı hücresel cevap oluşumunu sağlayabilir. Örneğin, Epinefrin hormonu karaciğerde glikojeni glikoz-1-fosfata hidrolizini tetiklerken aynı hormon kalp dokusunun daha hızlı çalışmasını sağlar. Bu da yukarıda izah edildiği gibi sinyal iletim yolundaki protein setlerinin farklı oluşundandır.

Hücreler, alınan sinyallere hücre metabolizmasının düzenlenmesini ya da çekirdekte transkripsiyon yapılması şeklinde cevap oluştururlar.

Bir sinyal molekülüyle çokça substratın metabolize edilmesi harikadır. Sinyal iletim yolundaki her protein kendinden sonraki basamağı aktive ederken birden fazla proteini fosforillemek suretiyle daha çok proteinin aktivasyonu ve sonuçta daha fazla substrata ulaşımıdır.(Fosforilasyon şelalesi)

Sinyal aktarım yolu proteinlerinin sitozoldaki hareketi ve oranizasyonunda, iskelet proteinleri ve mikroflamentler görev alır. Aktarım yolundaki protein eksikliği çeşitli aksaklıklara neden olabilir. Örneğin; WAS proteini eksikliğinde anormal kanama, egzama, enfeksiyonlar ve lösemi gibi aksamalar olabilmektedir.

Sinyal aktarım yolunun inaktivasyonu (durdurulabilmesi) proteinlerin inaktif hale döndürülmesiyle sağlanır. Bunun için GTPaz, fosfodiesteraz ve protein fosfataz gibi enzimler proteinleri inaktive eder.


Gelecek yayınlarımızda görüşmek üzere! Esen kalın