Molekulinis signalų perdavimas, receptoriai ir atpažinimas

Atpažinimas prasideda nuo nurodytos receptoriaus būsenos

Signalinė molekulė gali prisijungti prie receptoriaus ir pakeisti jo sąveikas, konformaciją ar aktyvumą. Gautas atsakas gali apimti kanalus, fermentus, antrinius signalinius tarpininkus ar genų reguliavimą. Cheminis atpažinimas ir tolesnis biologinis atsakas yra susieti etapai, kuriuose matuojami skirtingi dydžiai.

Afinitetas, išmatuotas apibrėžtai receptoriaus būsenai nurodytomis sąlygomis, nėra universali konstanta kiekvienai ląstelinei būsenai. Koncentracijose būtina atskirti laisvą ligandą, su receptoriumi surištą ligandą ir medžiagą, neprieinamą tai prisijungimo pusiausvyrai.

Prisijungimo apskaitoje ir konkuruojančioms būsenoms naudojamos aiškios laisvos koncentracijos

Pasirinkite vienos būsenos nepriklausomų vietų pusiausvyrą, kur bendroji receptoriaus koncentracija 2.40 nmol L⁻¹, K_d=11.0 nmol L⁻¹ ir palaikoma laisvo ligando koncentracija 33.0 nmol L⁻¹. Užimtumas θ=L_free/(K_d+L_free)=0.750, o surišto receptoriaus yra 1.80 nmol L⁻¹. Atitinkama vietinė bendra ligando koncentracija yra 33.0+1.80=34.8 nmol L⁻¹, įskaitant surištą ligandą.

Jei atskirame uždarame modelyje vietoje to pateikiama bendra ligando koncentracija 4.10 nmol L⁻¹, išspręskite 11x=(2.40−x)(4.10−x). Fiziškai prasminga surišto receptoriaus koncentracija yra 0.581615827 nmol L⁻¹, o laisvojo ligando koncentracija 3.51838417 nmol L⁻¹. Naiviai naudojant bendrąją ligando koncentraciją kaip laisvojo ligando koncentraciją būtų gauta 0.651655629 nmol L⁻¹ surišto receptoriaus, o tai nesuderinama su teisinga pusiausvyros apskaita.

Kitam palaikomo rezervuaro modeliui naudokite vieną vietą, kurios būsenos viena kitą atmeta, su laisvu L=7.00 nmol L⁻¹/K_d,L=7.00 ir konkurentu C=42.0 nmol L⁻¹/K_d,C=21.0. Tuščios / su L surištos / su C surištos būsenų svoriai yra 1/1/2. Normalizavus pagal jų sumą keturi gaunamos dalys 0.250/0.250/0.500. Be konkurento su L surišta dalis būtų 0.500.

Sumažinus laisvą konkurentą iki 7.00 nmol L⁻¹, jo svoris pasikeičia į 1/3; tuščios / su L surištos / su C surištos būsenų dalys tampa 3/7, 3/7, 1/7. Ši operacinė konkurencija nenustato tolesnio atsako ar vienintelės receptoriaus konformacijos.

Užimtumas ir atsakas turi skirtingus pusinės vertės taškus

Paprastame vienos būsenos prisijungimo modelyje užimtumas yra surišta bendro receptoriaus kiekio dalis. Atsakas yra atskirai apibrėžtas išvesties dydis. Sustiprinimas, atsarginė receptorių talpa, konkuruojantys ligandai ir grįžtamasis ryšys gali lemti, kad atsako pusinės vertės taškas skiriasi nuo prisijungimo disociacijos konstantos.

Ligandas gali prisijungti nesukeldamas tokio pat atsako kaip kitas ligandas. Agonizmui, antagonizmui ir kitiems operaciniams aprašams reikia atitinkamo atsako ir tyrimo konteksto. Vienas sotį pasiekiantis rodmuo nei nustato vienintelį elementarų mechanizmą, nei įrodo klinikinį veiksmingumą.

Baigtinio telkinio tolesnis atsakas ir sustiprintas rodmuo turi atskirus modelius

Atskiram simboliniam būsenų modeliui išlaikykite bendrą tolesnės grandies telkinį 72.0 μmol L⁻¹, o jo aktyvią koncentraciją žymėkite X; neaktyvi koncentracija yra 72−X. Palaikykite receptoriaus užimtumą θ=0.300 ir priskirkite aktyvinimo parametrą k_act=1.20 min⁻¹ bei deaktyvinimo k_deact=0.160 min⁻¹. Apibrėžkite dX/dt=k_actθ(72−X)−k_deactX su pradiniu X=0.

Relaksacijos koeficientas yra λ=1.20×0.300+0.160=0.520 min⁻¹; stacionari aktyvi koncentracija yra X_ss=72×0.360/0.520=49.8461538 μmol L⁻¹. Kai t=4.00 min, X=X_ss[1−exp(−λt)]=43.6188633 μmol L⁻¹, o neaktyvus telkinys 28.3811367 μmol L⁻¹. Baigtinis telkinys išsaugomas visą laiką.

Jei po keturių minučių modelio užimtumas matematiškai nustatomas lygus nuliui, tolesnis aktyvinimas išnyksta, o aktyvus kiekis mažėja pagal 0.160 min⁻¹ koeficientą. Po dar dviejų minučių X=43.6188633 exp(−0.160×2)=31.6737956 μmol L⁻¹. Atsakas netampa akimirksniu nulinis. Tai priskirtas būsenų virsmo modelis, o ne tikra intervencija ar ląstelinės kinetikos duomenų derinimas.

Kitam nepriklausomam vienos būsenos prisijungimo modeliui priskirkite K_d=17.0 nmol L⁻¹ ir θ=L_free/(17+L_free), naudodami suderinamus koncentracijos vienetus. Apibrėžkite normalizuotą atsaką r=(1+a)θ/(a+θ), su bedimensiu susiejimo parametru a=0.120; r=1, kai θ=1. Esant laisvam L=17.0 nmol L⁻¹, užimtumas yra 0.500, bet atsakas r=0.903225806.

Pusė didžiausio atsako pasiekiama, kai θ=a/(1+2a)=0.0967741935; tai atitinka laisvojo ligando koncentraciją EC₅₀=K_d a/(1+a)=1.82142857 nmol L⁻¹. Čia EC₅₀ vadinamas šios nurodytos atsako funkcijos pusinės vertės taškas. Padidinus tik a iki 1.20, jis pasislenka iki 9.27272727 nmol L⁻¹, o nustatytas prisijungimo K_d išlieka 17.0. Todėl atsako pusinės vertės taškas automatiškai nėra afiniteto konstanta.

Signalas gali pakeisti baigtinį tolesnės grandies telkinį

Tarkime, kad tolesnės grandies komponentas gali būti neaktyvios ir aktyvios būsenos. Aktyvinimo ir deaktyvinimo greičiai lemia, kaip keičiasi jo kiekis. Stacionarus aktyvus telkinys gali turėti nuolatinę apykaitą abiem kryptimis, kaip ir stabilus metabolito kiekis gali egzistuoti kartu su srautu.

Laikas svarbus: pusiausvyros užimtumo modelis ir kintantis tolesnės grandies telkinys yra skirtingi aprašai. Atsakas po trumpo intervalo nebūtinai lygus ribiniam atsakui. Telkinio kiekis apriboja dalį net tada, kai receptoriaus perduodamas signalas sustiprinamas.

Ląsteliniam atsakui reikia savų įrodymų

Receptorių gausa, lokalizacija, prieiga prie ligando ir tolesnės grandies partneriai padeda nulemti stebimą atsaką. Matavimas vienoje specialiai sukurtoje sistemoje gali atsakyti į aiškiai apibrėžtą klausimą, nenustatydamas, kaip reaguoja kiekviena ląstelė ar organizmas.

Pateikite tikrąją baigtį, koncentracijos pagrindą ir laiką. Naudingas paaiškinimas susieja atpažinimą su išmatuotu išvesties dydžiu, išlaikydamas matomas kiekvieno modelio prielaidas. Čia pateiktuose originaliuose modeliuose nėra išmatuoto receptorinio stiprumo ar terapinio poveikio prognozės.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Uždarai sistemai pateikite bendrąją ligando koncentraciją 4.10 nmol L⁻¹, išlaikydami tą pačią receptoriaus koncentraciją 2.40/K_d 11.0. Raskite surišto ir laisvojo ligando koncentracijas bei palyginkite su bendrosios koncentracijos įstatymu vietoje laisvosios.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Surištas 0.581615827/laisvas 3.51838417 nmol L⁻¹; naiviai apskaičiuotas surištas 0.651655629 nmol L⁻¹.

   Išspręskite 11x=(2.40−x)(4.10−x) ir išlaikykite abu laisvus kiekius neneigiamus.

2. Konkurencijos modelyje pakeiskite tik palaikomą laisvą konkurentą iš 42.0 į 7.00 nmol L⁻¹. Raskite visas tris receptoriaus dalis.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Tuščias 3/7, su L surištas 3/7, su konkurentu surištas 1/7.

   Normalizuokite svorius 1/1/⅓; šis skaičiavimas nepriskyrė jokio tolesnio atsako.

3. Po 4.00 min būsenų modelio receptoriaus užimtumą nustatykite lygų nuliui. Raskite aktyvią ir neaktyvią koncentracijas po dar dviejų minučių.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Aktyvi 31.6737956/neaktyvi 40.3262044 μmol L⁻¹.

   Aktyvinimas išnyksta, o esanti aktyvi medžiaga mažėja pagal 0.160 min⁻¹ koeficientą; bendras telkinys išlieka 72.0.

4. Normalizuoto atsako modelyje padidinkite tik a iš 0.120 į 1.20. Raskite EC₅₀ ir prisijungimo K_d.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   EC₅₀=9.27272727 nmol L⁻¹; K_d išlieka 17.0 nmol L⁻¹.

   Pakeista atsako funkcija naudoja K_d a/(1+a), o nepriklausomai nustatytas prisijungimo ryšys nepakinta.

Ką verta įsidėmėti

• Laisvojo ligando ir bendroji ligando koncentracijos gali skirtis, kai prisijungimas išeikvoja baigtinį telkinį.
• Konkurentai dalijasi tuo pačiu nurodytu receptoriaus kiekiu.
• Prisijungimo užimtumas ir tolesnis atsakas yra skirtingi dydžiai.
• Atsako vidurio taškas nebūtinai lygus prisijungimo disociacijos konstantai.