訊號轉導：定義和通路

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介紹

細胞反應，是由一系列分子過程產生的結果，最常見的是蛋白激酶催化的蛋白質磷酸化，被稱為訊號轉導，即化學或物理訊號透過細胞傳遞的過程。雖然在某些情況下使用“感測器”一詞，但一般來說，檢測刺激的蛋白質被稱為受體。

定義

細胞透過細胞內外及表面的訊號分子對外界事物做出反應的過程。大多數導致訊號轉導的分子是與細胞上或細胞內的特定蛋白質受體結合的化學物質（訊號分子），包括激素、神經遞質和生長因子。然後訊號在細胞內從一個分子傳遞到另一個分子，從而導致特定的細胞反應，例如細胞分裂或細胞死亡。細胞需要傳遞訊號才能正確發育和發揮功能。

配體結合（或訊號檢測）在受體處引起的改變會引發一系列生化事件，即生化級聯反應，稱為訊號通路。訊號通路相互連線形成網路，使細胞反應能夠協調，通常透過組合訊號事件。

這些反應在分子水平上包括基因轉錄或翻譯的改變、蛋白質結構的翻譯後修飾以及它們定位的改變。

這些分子事件是控制細胞生長、增殖、代謝和許多其他功能的基本機制。訊號轉導通路以多種方式控制多細胞生物中的細胞通訊。根據每個訊號通路成分相對於初始刺激所起的作用，對其進行分類。

第一信使是配體，訊號轉導器是受體，它們依次啟用初級效應器。這些效應器，主要是蛋白質，通常與第二信使相關聯，而第二信使又可以啟用進一步的效應器。

訊號增益的概念是指訊號可以被放大，因此一個訊號分子可以根據節點的有效性引起涉及數百到數百萬個分子的反應。

與其他訊號轉導類似，生物訊號轉導的特徵是延遲、噪聲、訊號反饋和前饋以及干擾，這些干擾可以是微不足道的，也可以是嚴重的。

計算生物學的發展使得能夠分析訊號通路和網路，特別是對獲得性耐藥反應的訊號重連機制進行分析，從而更好地理解細胞功能和疾病。

訊號轉導通路

下面列出了關鍵的訊號通路，這些通路說明了配體與其受體相互作用如何改變第二信使，並最終影響細胞反應。

MAPK/ERK 通路-

該通路是一個將細胞內反應與生長因子結合到細胞表面受體聯絡起來的系統，它包含大量的蛋白質成分並且非常複雜。該通路在許多不同型別的細胞中被啟用以刺激細胞增殖，並且許多型別的癌症與該通路中的異常有關。

cAMP 依賴性通路-

在人類中，cAMP 啟用 PKA（也稱為 cAMP 依賴性蛋白激酶）（見圖），因此，後續事件主要取決於 PKA，這取決於細胞型別而異。

IP3/DAG 通路-

PLC 將磷脂磷脂醯肌醇 4,5-二磷酸 (PIP2) 分解為肌醇 1,4,5-三磷酸和二醯甘油 (IP3)。IP3 作為可溶性結構釋放到細胞質中，而 DAG 仍連線到膜上。

然後，IP3 擴散穿過細胞質，結合到內質網上的 IP3 受體，這些受體是特定的鈣通道。

只有鈣能夠透過這些通道，因為它們是專門為鈣提供的。因此，細胞質中鈣的量增加，導致一系列細胞內變化和活動。

此外，鈣和 DAG 協同作用啟用 PKC，PKC 然後導致其他分子磷酸化並改變細胞活性。副作用包括味覺、躁狂抑鬱症和腫瘤促進。

細胞外受體

酪氨酸激酶和磷酸酶是真核細胞中兩種具有酶活性的細胞內蛋白，當它們被配體/受體相互作用啟用時。

這些酶通常與受體共價結合。其中一些產生第二信使，如環 AMP 和 IP3，後者調節鈣儲備從細胞內儲庫釋放到細胞質中。

其他啟用的蛋白質與銜接蛋白相互作用，以協調訊號複合體並促進訊號蛋白之間的接觸。銜接蛋白和酶都對不同的第二信使分子做出反應。

啟用的銜接蛋白和酶通常具有專門的蛋白質結構域，這些結構域與特定的第二信使分子結合。例如，鈣調蛋白的 EF 手結構域結合鈣離子，使它能夠結合並激活鈣調蛋白依賴性激酶。類似地，包括激酶蛋白 AKT 在內的蛋白質的 Pleckstrin 同源結構域受 PIP3 和其他磷酸肌醇的影響。

細胞內受體

例如，核受體和細胞質受體是可溶性蛋白質，限於細胞的特定區域。核受體的典型配體是非極性激素，如類固醇激素睪酮和孕酮以及維生素 A 和 D 的衍生物。

為了啟動訊號轉導，配體必須被動擴散穿過質膜。配體與受體相互作用後進入細胞核穿過核膜，改變基因表達方式。

結論

這些見解導致了許多理論（數學）方面的進步。其中第一個是由貝爾提出的一個簡單的理論，它解釋了一個明顯的悖論。

雖然 B 細胞分泌的抗體的親和力隨著免疫反應的發展而增加，但聚類產生了穩定的網路，使得結合在很大程度上是不可逆的。DeLisi 和 Perelson 建立了一個理論來解釋淋巴細胞膜上細胞表面聚類的動力學，並發現配體的親和力和價數如何影響聚類的大小分佈隨時間的變化。