Biology · AP Biology
Komunikasi sel dan kitar sel
isyarat, dan pembahagian yang dicetuskannya
Sel berhubung antara satu sama lain dengan molekul. Isyarat tiba, reseptor menangkapnya, dan rantai protein di dalam sel menyampaikannya sehingga sesuatu berubah: gen dihidupkan, enzim mula bekerja, sel membahagi.
Di sebelah kanan, satu molekul epinefrin mengikat reseptor pada sel hati. Di dalam sel, setiap protein menghidupkan beberapa protein berikutnya, jadi satu isyarat di permukaan berakhir sebagai beribu-ribu enzim aktif yang memecahkan glikogen.
Bab ini mengikuti isyarat sedemikian: sejauh mana ia bergerak, bagaimana reseptor menukarkannya kepada gerak balas, apa yang berlaku apabila lintasan rosak, dan bagaimana suap balik mengekalkan badan stabil. Kemudian bab ini beralih kepada gerak balas yang paling penting untuk pertumbuhan dan pembaikan, iaitu kitar sel, serta isyarat dan titik semak yang mengawalnya. Apabila kawalan ini gagal, kanser terhasil.
melalui sentuhan, secara setempat, dan pada jarak jauh
Isyarat ialah molekul (ligan) yang dilepaskan oleh satu sel dan dikesan oleh sel lain. Jarak yang perlu dilaluinya membahagikan pengisyaratan kepada tiga jenis.
Sentuhan langsung. Sel haiwan yang bercantum melalui simpang jurang, dan sel tumbuhan yang bercantum melalui plasmodesmata, berkongsi sitoplasma: ion dan molekul kecil melaluinya terus. Sel juga boleh berisyarat melalui sentuhan, apabila protein pada permukaan satu sel mengikat reseptor pada sel lain. Sel imun yang mempersembahkan antigen mengaktifkan sel T pembantu dengan cara ini.
Pengisyaratan setempat. Sel merembeskan pengawal atur setempat yang meresap ke sel berhampiran (pengisyaratan parakrin). Faktor pertumbuhan berfungsi begini, dan morfogen dalam embrio memberitahu sel kedudukannya. Pada sinaps, neuron melepaskan neurotransmiter merentasi jurang sempit kepada satu sasaran. Bakteria juga melepaskan isyarat: apabila bilangan sel mencukupi, isyarat mencapai ambang dan populasi bergerak balas bersama-sama (pengesanan kuorum).
Pengisyaratan jarak jauh. Sel endokrin melepaskan hormon ke dalam darah, yang membawanya ke seluruh badan: insulin, hormon pertumbuhan manusia, hormon tiroid, testosteron dan estrogen. Tumbuhan menghantar hormon melalui tisu vaskularnya, atau, seperti etilena, melalui udara.
Isyarat sampai kepada banyak sel tetapi hanya sel yang mempunyai reseptor sepadan yang bergerak balas. Dalam rajah, hormon melepasi sel yang tiada reseptor dan bertindak pada sel yang memilikinya.
penerimaan, transduksi, tindak balas
Setiap lintasan pengisyaratan mempunyai tiga peringkat. Penerimaan: ligan mengikat reseptornya. Transduksi: reseptor berubah bentuk dan menyampaikan isyarat melalui satu siri molekul. Gerak balas: sel melakukan sesuatu.
Reseptor ialah protein yang tapak pengikatannya sepadan dengan bentuk dan cas ligannya, seperti tapak aktif enzim sepadan dengan substratnya. Itulah sebabnya isyarat hanya bertindak pada sel yang mempunyai reseptornya, dan mengapa molekul yang berbentuk serupa boleh menyekat atau menirunya.
Kedudukan reseptor bergantung pada ligan:
| ligan | contoh | reseptor |
|---|
| berkutub atau besar | epinefrin, insulin, kebanyakan peptida | dalam membran plasma, tapak pengikatan di luar |
| kecil, tak berkutub | hormon steroid (testosteron, estrogen), hormon tiroid | dalam sitoplasma atau nukleus |
Di sebelah kiri, ligan larut air tidak dapat merentasi dwilapisan; ia mengikat reseptor membran yang perubahan bentuknya sampai kepada protein relai di dalam. Di sebelah kanan, steroid meresap melalui dwilapisan, mengikat reseptor dalam sitoplasma, dan pasangan itu memasuki nukleus sebagai faktor transkripsi yang menghidupkan gen.
Gerak balas termasuk perubahan dalam ekspresi gen, aktiviti enzim, sitorangka, pembahagian sel dan kematian sel. Banyak lintasan sampai ke sana melalui pengubahsuaian protein, selalunya dengan menambah kumpulan fosfat, satu protein demi satu protein.
utusan kedua, kinase dan pengamplifikasian
Epinefrin (adrenalin) mengarahkan sel hati melepaskan glukosa. Ia tidak pernah memasuki sel; rantai protein membawa mesejnya ke dalam.
Epinefrin mengikat reseptor berganding protein G (GPCR), yang merentasi membran tujuh kali. Reseptor berubah bentuk dan mengaktifkan protein G, yang menukar GDP dengan GTP dan menghidupkan enzim adenilil siklase. Enzim itu menukarkan ATP kepada AMP kitaran (cAMP), suatu utusan kedua: kecil, cepat dihasilkan dan meresap melalui sitoplasma. (Ca2+ dan IP3 ialah utusan kedua dalam lintasan lain.)
cAMP mengaktifkan protein kinase A. Kinase memindahkan kumpulan fosfat daripada ATP kepada protein lain, mengubah bentuk dan aktivitinya. Kinase memfosforilkan kinase, suatu lata pemfosforilan, sehingga kinase terakhir mengaktifkan glikogen fosforilase, yang memotong glukosa daripada glikogen. Fosfatase menanggalkan fosfat, jadi lintasan dimatikan apabila isyarat berhenti.
Pengamplifikasian. Setiap langkah mengaktifkan banyak salinan langkah berikutnya. Dengan nombor ini bagi setiap langkah:
| satu molekul epinefrin menghasilkan | molekul |
|---|
| reseptor terikat epinefrin | 1 |
| protein G aktif, masing-masing menghidupkan satu adenilil siklase | 10 |
| cAMP | 1,000 |
| protein kinase A aktif | 500 |
| fosforilase kinase aktif | 5,000 |
| glikogen fosforilase aktif | 50,000 |
| glukosa 1-fosfat yang dipotong daripada glikogen | 5,000,000 |
Gandaan itu didarabkan: . Lata beberapa langkah juga memberi lebih banyak tempat untuk mengawal isyarat, dan membolehkan satu isyarat bercabang kepada beberapa gerak balas.
Reseptor lain berfungsi secara berbeza. Reseptor tirosina kinase berpasangan apabila ligannya mengikat dan memfosforilkan dirinya sendiri, memulakan beberapa lintasan serentak. Saluran ion bergerbang ligan terbuka untuk membenarkan ion melaluinya.
mutasi, ubat dan toksin
Gerak balas hanya sebaik setiap pautan dalam lintasannya. Ubah mana-mana komponen, melalui mutasi atau bahan kimia, dan gerak balas turut berubah.
Di sebelah kanan, tiga salinan satu lintasan menerima denyut ligan yang sama (surihan kelabu):
| lintasan | apa yang berubah | gerak balas |
|---|
| normal | tiada | hidup selagi ligan terikat, mati selepas itu |
| reseptor disekat | antagonis memenuhi tapak pengikatan | tiada, walau berapa banyak ligan |
| relai melekat hidup | mutasi mengekalkan relai aktif | sentiasa hidup, dengan atau tanpa ligan |
Mutasi. Perubahan pada domain pengikatan reseptor boleh menghalangnya mengikat ligan; perubahan di tempat lain boleh menyebabkannya terus berisyarat tanpa ligan sama sekali. Protein relai yang tidak lagi dapat dimatikan terus menyuruh sel membahagi; protein Ras termutasi sedemikian terdapat dalam banyak kanser.
Bahan kimia. Antagonis mengikat reseptor tanpa mengaktifkannya: penyekat beta menduduki reseptor epinefrin pada jantung dan menurunkan tekanan darah, dan antihistamin menyekat reseptor histamin. Agonis meniru ligan. Toksin kolera mengubah protein G dalam sel usus supaya kekal aktif; cAMP kekal tinggi, sel mengepam keluar Cl−, dan air mengikutinya, menyebabkan cirit-birit yang teruk.
Penyakit mengikut logik yang sama: dalam diabetes jenis 2, sel sasaran bergerak balas dengan lemah terhadap insulin, jadi isyarat dihantar tetapi gerak balas tidak mencukupi.
satu perubahan mencetuskan pembetulannya sendiri
Dalam suap balik negatif, gerak balas menentang perubahan yang mencetuskannya, lalu mengembalikan sistem kepada titik setnya. Inilah cara badan mengekalkan glukosa darah, suhu dan keseimbangan air hampir malar: homeostasis.
Selepas makan, glukosa darah meningkat. Sel β dalam pankreas mengesannya dan merembeskan insulin. Insulin memberi isyarat kepada sel hati, otot dan lemak untuk mengambil glukosa, dan kepada hati untuk menyimpannya sebagai glikogen, jadi glukosa menurun semula. Apabila glukosa jatuh di bawah titik set, sel α merembeskan glukagon, hati memecahkan glikogen, dan glukosa meningkat semula.
| minit selepas makan | 0 | 30 | 60 | 90 | 120 | 180 |
|---|
| glukosa (mg/dL) | 90 | 139 | 126 | 111 | 101 | 93 |
|---|
| insulin (µU/mL) | 8 | 67 | 59 | 41 | 28 | 14 |
|---|
Glukosa memuncak kira-kira 29 minit selepas makan dan hampir kembali kepada 90 mg/dL pada minit ke-120. Insulin meningkat bersama glukosa dan menurun apabila glukosa pulih: pembetulan itu mematikan dirinya sendiri.
Apabila gelung terputus. Dalam diabetes jenis 1, sel β dimusnahkan dan tiada insulin dihasilkan (lengkung kelabu): glukosa bermula tinggi dan kekal tinggi. Dalam penyakit Graves, antibodi merangsang tiroid seperti hormon pengawalaturnya sendiri; tiroid menghasilkan hormon yang semakin banyak, dan hormon itu tidak lagi menghentikan rangsangannya.
satu perubahan yang mendorong dirinya sendiri lebih jauh
Dalam suap balik positif, gerak balas menguatkan perubahan yang mencetuskannya, menjadikan sistem bergerak lebih jauh dari keadaan asalnya. Ia digunakan untuk peristiwa yang mesti disiapkan dengan cepat, dan sesuatu di luar gelung mesti menamatkannya.
Kelahiran. Kepala bayi meregangkan serviks. Saraf memberi isyarat kepada otak, dan pituitari posterior merembeskan oksitosin. Oksitosin menyebabkan rahim mengecut lebih kuat, yang meregangkan serviks lebih banyak, lalu merembeskan lebih banyak oksitosin. Dalam rajah, setiap pengecutan ialah 1.45 kali pengecutan sebelumnya. Kelahiran menghilangkan regangan, dan gelung berhenti.
Penyusuan. Bayi yang menyusu mencetuskan hormon yang merembeskan susu, jadi bayi menyusu lebih banyak; menyapih menamatkannya. Pemasakan buah. Buah yang masak menghasilkan gas etilena, yang mempercepat pemasakan pada dirinya dan pada buah berhampiran. Pembekuan darah. Platelet pada luka merembeskan bahan kimia yang menarik lebih banyak platelet, sehingga luka tertutup.
| suap balik negatif | suap balik positif |
|---|
| gerak balas | menentang perubahan | menguatkan perubahan |
| hasilnya | kestabilan di sekitar titik set | perubahan pantas yang selesai |
| contoh | glukosa darah, suhu badan | kelahiran, penyusuan, pemasakan |
interfasa, kemudian pembahagian
Kitar sel ialah hayat sel dari satu pembahagian ke pembahagian seterusnya. Kebanyakannya ialah antara fasa, ketika sel membesar dan menyalin DNAnya; fasa M yang singkat membahagikannya.
| fasa | apa yang berlaku | jam |
|---|
| G1 | pertumbuhan; sel membuat protein dan organel | 11 |
| S | sintesis DNA: setiap kromosom direplikasi | 8 |
| G2 | pertumbuhan lanjut; sel bersedia untuk membahagi | 4 |
| M | mitosis, kemudian sitokinesis | 1 |
Bagi sel manusia dalam kultur, seluruh kitar mengambil masa kira-kira 24 jam, 23 daripadanya ialah antara fasa. Pada graf, DNA setiap sel berganda daripada 2C kepada 4C melalui S, kekal pada 4C melalui G2 dan mitosis, dan separuh apabila satu sel menjadi dua.
Selepas S, setiap satu daripada 46 kromosom sel manusia ialah dua kromatid kembar yang serupa, bercantum pada sentromer: 46 kromosom, 92 kromatid. Mitosis memberikan satu daripada setiap pasangan kepada setiap sel anak, jadi kedua-duanya mendapat 46 dan secara genetik serupa dengan induk. Mitosis membina badan yang membesar, membaiki tisu, dan ialah cara banyak organisma membiak secara aseks.
G0. Sel yang terkhusus sering meninggalkan kitar dan berhenti membahagi. Kebanyakan sel saraf dan otot matang kekal dalam G0; sel hati boleh kembali ke kitar apabila hati cedera.
Menentukan masa daripada gambar sekilas. Dalam sampel sel yang sedang membahagi, pecahan dalam setiap fasa ialah pecahan kitar yang dihabiskan di situ. Jika 20 daripada 480 sel berada dalam mitosis, M berlangsung 20/480 × 24 j = 1.0 j.
replikasi, penyusunan, pemisahan
Mitosis berkongsi satu salinan lengkap genom dengan setiap sel anak. Ia berlaku mengikut urutan: kromosom yang sudah direplikasi dalam S memampat, menjajar di tengah sel, dan berpisah ke hujung yang bertentangan.
Sel di sebelah kanan mempunyai 2n = 4: dua pasangan homolog, merah daripada satu induk, biru daripada induk yang lain. Ia ialah proses berterusan; nama-nama biasa menandakan peringkatnya.
Profasa. Kromatin memampat menjadi kromosom padat, setiap satu terdiri daripada dua kromatid kembar. Membran nukleus terurai, dan dua sentrosom bergerak berjauhan, menumbuhkan gelendong mikrotubul di antara keduanya.
Metafasa. Mikrotubul dari kutub yang bertentangan melekat pada sentromer setiap kromosom, satu pada setiap kembar, dan kromosom tersusun pada plat metafasa.
Anafasa. Kromatid kembar berpisah dan ditarik ke kutub yang bertentangan. Setiap kromatid kini ialah kromosom tersendiri: seketika sel mempunyai 8.
Telofasa dan sitokinesis. Membran nukleus terbentuk di sekeliling setiap set, dan kromosom mengendur. Sitokinesis membahagikan sitoplasma: sel haiwan tercubit menjadi dua pada alur pembelahan; sel tumbuhan membina plat sel merentasi bahagian tengah.
| kromosom | kromatid (molekul DNA) |
|---|
| G1 | 4 | 4 |
| G2 hingga metafasa | 4 | 8 |
| anafasa | 8 | 8 |
| setiap sel anak | 4 | 4 |
Peperiksaan AP menuntut urutan peristiwa ini (replikasi, penjajaran, pemisahan) dan apa yang dicapai oleh setiap satu, bukan nama fasa.
titik semak, siklin dan CDK
Sel membahagi hanya apabila sepatutnya. Pada titik semak, kitar berhenti sehingga keadaan sesuai.
| titik semak | soalannya |
|---|
| titik semak G1 | Adakah sel cukup besar, adakah nutrien dan faktor pertumbuhan hadir, adakah DNA tidak rosak? |
| titik semak G2 | Adakah semua DNA telah direplikasi, dan adakah ia tidak rosak? |
| titik semak M | Adakah setiap kromosom melekat pada gentian gelendong dari kedua-dua kutub? |
Sel yang gagal pada titik semak G1 tidak memasuki S; ia mungkin memasuki G0. Sel yang gagal pada titik semak M bertahan dalam metafasa, jadi tiada kromosom yang hilang.
Siklin dan CDK. Kinase bergantung siklin (CDK) ada sepanjang kitar tetapi hanya aktif apabila terikat pada siklin. Siklin dihasilkan secara stabil sepanjang antara fasa (lengkung merah) dan dimusnahkan dalam mitosis. Apabila siklin telah terkumpul secukupnya, kompleks siklin–CDK memfosforilkan protein yang membawa sel ke peringkat seterusnya. Kompleks yang mencetuskan mitosis ialah MPF (biru). Apabila siklin dimusnahkan dalam anafasa, MPF dimatikan dan sel dapat menamatkan pembahagian.
Isyarat dari luar masuk di sini. Faktor pertumbuhan, seperti faktor pertumbuhan terbitan platelet pada luka, terikat pada reseptor dan memulakan lintasan yang menaikkan paras siklin dan menolak sel melepasi titik semak G1.
apabila kawalan gagal
Gangguan pada kitar sel boleh berakhir dengan dua cara: sel yang membahagi apabila tidak sepatutnya, atau sel yang dibuat mati.
Kanser ialah pembahagian sel yang tidak terkawal, disebabkan mutasi pada gen yang mengawal atur kitar. Sel normal dalam piring berhenti membahagi apabila bersentuhan (perencatan bergantung ketumpatan) dan membahagi hanya apabila melekat pada permukaan (pergantungan penambatan). Sel kanser mengabaikan kedua-duanya dan bertimbun menjadi tumor.
Dua jenis gen terlibat. Proto-onkogen mengekod protein yang menggalakkan pembahagian, seperti reseptor faktor pertumbuhan dan protein geganti; mutasi yang menjadikannya terlalu aktif, iaitu onkogen, berfungsi seperti pemecut yang ditekan terus. Gen penindas tumor mengekod brek. Yang paling terkenal, p53, menghentikan kitar apabila DNA rosak dan, jika kerosakan tidak dapat dibaiki, memulakan apoptosis. Kanser biasanya memerlukan beberapa mutasi sedemikian dalam satu titisan sel.
Apoptosis ialah kematian sel terprogram. Sel mengecut, DNAnya dipotong-potong, dan ia pecah menjadi serpihan berbalut membran yang ditelan oleh sel lain, tanpa menumpahkan kandungannya ke dalam tisu. Ia menyingkirkan sel yang rosak, dan membentuk badan: dalam embrio manusia, ia menyingkirkan tisu di antara jari.
Penggandaan. Kultur sel kanser yang berganda setiap 24 jam, bermula daripada 1,000 sel:
| jam | 0 | 24 | 48 | 72 | 96 |
|---|
| sel | 1,000 | 2,000 | 4,000 | 8,000 | 16,000 |
|---|
: selepas 96 j, 4 penggandaan, 16 kali ganda bilangan sel.
← Tenaga sel · Pewarisan →