Casus 4; van signaal tot actie
Probleemstelling
- Wat zijn de verschillende signalen die een cel kan ontvangen?
- Hoe kan een cel deze signalen verwerken (buiten en binnenkant)?
- Hoe kan een cel hierop reageren?
- Hoe kan een cel signalen verzenden naar andere cellen (dichtbij of ver weg)?
Brainstorm
- Receptoren
- Apoptose/proliferatie/celgroei
- Hormonen/eiwitten/wat nog meer
- actief/passief transport
- Intracellular signaling pathway/signaalcascade
- Second messenger
- Genexpressie
- Beweging
- Ionkanalen
- ligand receptor
- Substraat
Leerdoelen
1) Wat is celcommunicatie (signal transduction)?
2) Welke vormen van celcommunicatie zijn er?
3) Welke receptoren gebruiken cellen voor celcommunicatie? (Hoe werkt het
receptor-ligand complex)
4) Welke signaalstoffen gebruiken cellen voor communicatie?
5) Wat zijn de cellulaire effecten op celcommunicatie?
Bronnen
Boeken;
Mechanismen van de cel - cel communicatie, Universiteit Gent door Prof. Dr. Jan Tavernier
en Prof. Dr. Sarah Gerlo.
Cel regulation, Oxford University
Websites;
Signal Transduction Pathway | Cell Signaling (Article) | Khan Academy. (z.d.). Khan
Academy.
https://www.khanacademy.org/science/ap-biology/cell-communication-and-cell-cycle/change
s-in-signal-transduction-pathways/a/intracellular-signal-transduction
Mattaini, K. (2020, 27 juli). Chapter 9. Cell communication. Pressbooks.
https://rwu.pressbooks.pub/bio103/chapter/cell-communication/#:~:text=9.1.,gap%20junction
s%20(Figure%209.2).
,Libretexts. (2022). 9.2: Signaling molecules and cellular receptors - Forms of signaling.
Biology LibreTexts.
https://bio.libretexts.org/Bookshelves/Introductory_and_General_Biology/Book%3A_Genera
l_Biology_(Boundless)/09%3A_Cell_Communication/9.02%3A_Signaling_Molecules_and_
Cellular_Receptors_-_Forms_of_Signaling
Wikipedia-bijdragers. (2019). G-proteïne. Wikipedia.
https://nl.wikipedia.org/wiki/G-prote%C3%AFne
Filmpjes;
biologyexams4u. (2022, 29 augustus). What are ligands? 6 types of ligands or signaling
molecules in cell signaling[Video]. YouTube.
https://www.youtube.com/watch?v=kGo9DzynLXo
Uitwerken leerdoelen
1) Wat is celcommunicatie (signal transduction)?
Communicatie tussen cellen is een fundamentele eigenschap van alle organismen, die
bepalend is voor hun ontwikkeling en functie. Systemen die communicatie tussen cellen
toelaten zijn evolutionair zeer oud en komen zelfs voor bij eenvoudige eencellige
organismen. In multicellulaire organismen functioneren de cellen niet autonoom, maar op
gecoördineerde wijze. De ontwikkeling en werking van deze cellen wordt daarbij perfect op
elkaar afgestemd, de juiste cel dient de juiste activiteit uit te voeren op het juiste moment. Dit
geldt zowel tijdens de ontwikkeling van het organisme, waarbij cellen bijvoorbeeld signalen
ontvangen om een bepaald deel te vormen van een orgaan, of in een volwassen organisme
om bijvoorbeeld een juiste metabole balans in stand te houden of om op gepaste wijze te
reageren op pathogenen (ziekteverwekker).
Een cruciale rol bij communicatie tussen cellen wordt gespeeld door liganden (een molecuul
of ion dat een vrij elektronenpaar bezit, bijvoorbeeld hormonen, interferonen, cytokines en
neurotransmitters) en hun receptoren. Vergelijkbare receptor systemen zijn eveneens
betrokken bij detectie van licht, geur of smaak. Ligand-receptor interacties leiden in de
doelwitcel tot activering van één of meer signaaltransductoren (eiwitten die worden aangezet
door fosforylering en ervoor zorgen dat signalen binnen de cel verder door worden gegeven)
en/of een second messenger (klein molecuul of ion wat signalen doorgeeft, bijvoorbeeld
cAMP), die beide zowel cytosolische (in het cytoplasma) als nucleaire (in de celkern)
effecten als gevolg hebben (figuur 1, 2 en 3).
Elektronen-microscopische opnamen toonden aan dat op bepaalde plaatsen, membranen
van twee naastgelegen cellen zich op een vaste afstand van elkaar bevonden, een soort van
‘gap’. Ter hoogte van dergelijke plaatsen komen relatief homogene aggregaten van eiwitten
voor, deze eiwitten zijn hetzelfde en staan op een gelijke plaats maar werken niet perse
coöperatief. Dergelijke “gap-junctions” zijn opgebouwd uit tientallen tot duizenden kanaaltjes
in de membranen van cellen, die een directe verbinding tot het cytoplasma toelaten.
Gap-junctions bestaan uit buisvormige eiwitverbindingen (connexons), opgebouwd uit
, integrale (permanent ingebouwde) membraaneiwitten, de connexines. De connexons laten
snelle uitwisseling toe van kleine signaalmoleculen, zoals Ca2+ en cAMP, of glucose en
wateroplosbare vitamines, zodat functionele en metabole koppeling ontstaat. Dit laat toe dat
celgroepen synchroon en snel reageren op een stimulus.
Naast communicatie tussen naastgelegen cellen door gap-junctions kan er ook
communicatie plaatsvinden tussen cellen die niet direct in contact staan. Dit wordt gedaan
met behulp van extracellulaire signaalmoleculen. Deze worden gesynthetiseerd en
gesecreteerd (afgegeven) door de signaliserende cel, en worden herkend door specifieke
membraanreceptoren op de doelwitcellen. Dergelijke signaalmoleculen en receptoren zijn
zeer variabel. Eveneens is het type respons zeer verschillend van cel tot cel, en wordt
bepaald door de eerder besproken intracellulaire componenten, signaaltransductoren. De
signaaltransductoren beïnvloeden op hun beurt doelwit-eiwitten, wat uiteindelijk leidt tot
gewijzigde functies in het cytosol (binnenste van cytoplasma), zoals gewijzigd metabolisme
of gewijzigde celmotiliteit (verplaatsing van de cel, waarbij energie wordt verbruikt), of in de
nucleus, door controle op gereguleerde genexpressie via de werking van ondermeer
transcriptiefactoren. Cel communicatie kan via extracellulaire signalen hoofdzakelijk
onderverdeeld worden in enkele stappen.
Stap 1 → Synthese van het signaalmolecuul
Stap 2 → Secretie van het signaalmolecuul.
Stap 3 → Transport naar de doelwitcel.
Stap 4 → Binding op een specifieke receptor en activatie van deze receptor.
Stap 5 → Activatie/synthese van signaaltransductie-eiwitten en kleine moleculen.
Stap 6 → Activatie van effector-eiwitten.
Stap 7 → Korte termijn effect (wijziging cellulaire functie, metabolisme of mobiliteit) of lange
termijn effect (wijziging genexpressie, ontwikkeling).
Stap 8 → Uitdoven van het signaal door negatieve feedback.
Stap 9 → Uitdoven van het signaal door verwijdering van het ligand.
Gezien de complexiteit van de communicatiepatronen tussen de verschillende celtypes is
het niet verrassend dat in de loop van de evolutie een sterke toename van ligand-receptor
systemen en van signaaltransductie-mechanismen heeft plaatsgevonden. Desalniettemin
zijn vele van de basiscomponenten van de simpele signaaloverdracht bij eencelligen
geconserveerd in complexere organismen. De essentiële functies die cellen kunnen
uitvoeren zijn groei, proliferatie (snelle verspreiding), differentiatie, apoptose of behoud van
een gecontroleerde rusttoestand. Foute regulatie hiervan ligt aan de basis van veel
gezondheidsproblemen, tumorvorming, fibrose, reumatoïde artritis en de ziekte van
Alzheimer zijn maar enkele voorbeelden.
Probleemstelling
- Wat zijn de verschillende signalen die een cel kan ontvangen?
- Hoe kan een cel deze signalen verwerken (buiten en binnenkant)?
- Hoe kan een cel hierop reageren?
- Hoe kan een cel signalen verzenden naar andere cellen (dichtbij of ver weg)?
Brainstorm
- Receptoren
- Apoptose/proliferatie/celgroei
- Hormonen/eiwitten/wat nog meer
- actief/passief transport
- Intracellular signaling pathway/signaalcascade
- Second messenger
- Genexpressie
- Beweging
- Ionkanalen
- ligand receptor
- Substraat
Leerdoelen
1) Wat is celcommunicatie (signal transduction)?
2) Welke vormen van celcommunicatie zijn er?
3) Welke receptoren gebruiken cellen voor celcommunicatie? (Hoe werkt het
receptor-ligand complex)
4) Welke signaalstoffen gebruiken cellen voor communicatie?
5) Wat zijn de cellulaire effecten op celcommunicatie?
Bronnen
Boeken;
Mechanismen van de cel - cel communicatie, Universiteit Gent door Prof. Dr. Jan Tavernier
en Prof. Dr. Sarah Gerlo.
Cel regulation, Oxford University
Websites;
Signal Transduction Pathway | Cell Signaling (Article) | Khan Academy. (z.d.). Khan
Academy.
https://www.khanacademy.org/science/ap-biology/cell-communication-and-cell-cycle/change
s-in-signal-transduction-pathways/a/intracellular-signal-transduction
Mattaini, K. (2020, 27 juli). Chapter 9. Cell communication. Pressbooks.
https://rwu.pressbooks.pub/bio103/chapter/cell-communication/#:~:text=9.1.,gap%20junction
s%20(Figure%209.2).
,Libretexts. (2022). 9.2: Signaling molecules and cellular receptors - Forms of signaling.
Biology LibreTexts.
https://bio.libretexts.org/Bookshelves/Introductory_and_General_Biology/Book%3A_Genera
l_Biology_(Boundless)/09%3A_Cell_Communication/9.02%3A_Signaling_Molecules_and_
Cellular_Receptors_-_Forms_of_Signaling
Wikipedia-bijdragers. (2019). G-proteïne. Wikipedia.
https://nl.wikipedia.org/wiki/G-prote%C3%AFne
Filmpjes;
biologyexams4u. (2022, 29 augustus). What are ligands? 6 types of ligands or signaling
molecules in cell signaling[Video]. YouTube.
https://www.youtube.com/watch?v=kGo9DzynLXo
Uitwerken leerdoelen
1) Wat is celcommunicatie (signal transduction)?
Communicatie tussen cellen is een fundamentele eigenschap van alle organismen, die
bepalend is voor hun ontwikkeling en functie. Systemen die communicatie tussen cellen
toelaten zijn evolutionair zeer oud en komen zelfs voor bij eenvoudige eencellige
organismen. In multicellulaire organismen functioneren de cellen niet autonoom, maar op
gecoördineerde wijze. De ontwikkeling en werking van deze cellen wordt daarbij perfect op
elkaar afgestemd, de juiste cel dient de juiste activiteit uit te voeren op het juiste moment. Dit
geldt zowel tijdens de ontwikkeling van het organisme, waarbij cellen bijvoorbeeld signalen
ontvangen om een bepaald deel te vormen van een orgaan, of in een volwassen organisme
om bijvoorbeeld een juiste metabole balans in stand te houden of om op gepaste wijze te
reageren op pathogenen (ziekteverwekker).
Een cruciale rol bij communicatie tussen cellen wordt gespeeld door liganden (een molecuul
of ion dat een vrij elektronenpaar bezit, bijvoorbeeld hormonen, interferonen, cytokines en
neurotransmitters) en hun receptoren. Vergelijkbare receptor systemen zijn eveneens
betrokken bij detectie van licht, geur of smaak. Ligand-receptor interacties leiden in de
doelwitcel tot activering van één of meer signaaltransductoren (eiwitten die worden aangezet
door fosforylering en ervoor zorgen dat signalen binnen de cel verder door worden gegeven)
en/of een second messenger (klein molecuul of ion wat signalen doorgeeft, bijvoorbeeld
cAMP), die beide zowel cytosolische (in het cytoplasma) als nucleaire (in de celkern)
effecten als gevolg hebben (figuur 1, 2 en 3).
Elektronen-microscopische opnamen toonden aan dat op bepaalde plaatsen, membranen
van twee naastgelegen cellen zich op een vaste afstand van elkaar bevonden, een soort van
‘gap’. Ter hoogte van dergelijke plaatsen komen relatief homogene aggregaten van eiwitten
voor, deze eiwitten zijn hetzelfde en staan op een gelijke plaats maar werken niet perse
coöperatief. Dergelijke “gap-junctions” zijn opgebouwd uit tientallen tot duizenden kanaaltjes
in de membranen van cellen, die een directe verbinding tot het cytoplasma toelaten.
Gap-junctions bestaan uit buisvormige eiwitverbindingen (connexons), opgebouwd uit
, integrale (permanent ingebouwde) membraaneiwitten, de connexines. De connexons laten
snelle uitwisseling toe van kleine signaalmoleculen, zoals Ca2+ en cAMP, of glucose en
wateroplosbare vitamines, zodat functionele en metabole koppeling ontstaat. Dit laat toe dat
celgroepen synchroon en snel reageren op een stimulus.
Naast communicatie tussen naastgelegen cellen door gap-junctions kan er ook
communicatie plaatsvinden tussen cellen die niet direct in contact staan. Dit wordt gedaan
met behulp van extracellulaire signaalmoleculen. Deze worden gesynthetiseerd en
gesecreteerd (afgegeven) door de signaliserende cel, en worden herkend door specifieke
membraanreceptoren op de doelwitcellen. Dergelijke signaalmoleculen en receptoren zijn
zeer variabel. Eveneens is het type respons zeer verschillend van cel tot cel, en wordt
bepaald door de eerder besproken intracellulaire componenten, signaaltransductoren. De
signaaltransductoren beïnvloeden op hun beurt doelwit-eiwitten, wat uiteindelijk leidt tot
gewijzigde functies in het cytosol (binnenste van cytoplasma), zoals gewijzigd metabolisme
of gewijzigde celmotiliteit (verplaatsing van de cel, waarbij energie wordt verbruikt), of in de
nucleus, door controle op gereguleerde genexpressie via de werking van ondermeer
transcriptiefactoren. Cel communicatie kan via extracellulaire signalen hoofdzakelijk
onderverdeeld worden in enkele stappen.
Stap 1 → Synthese van het signaalmolecuul
Stap 2 → Secretie van het signaalmolecuul.
Stap 3 → Transport naar de doelwitcel.
Stap 4 → Binding op een specifieke receptor en activatie van deze receptor.
Stap 5 → Activatie/synthese van signaaltransductie-eiwitten en kleine moleculen.
Stap 6 → Activatie van effector-eiwitten.
Stap 7 → Korte termijn effect (wijziging cellulaire functie, metabolisme of mobiliteit) of lange
termijn effect (wijziging genexpressie, ontwikkeling).
Stap 8 → Uitdoven van het signaal door negatieve feedback.
Stap 9 → Uitdoven van het signaal door verwijdering van het ligand.
Gezien de complexiteit van de communicatiepatronen tussen de verschillende celtypes is
het niet verrassend dat in de loop van de evolutie een sterke toename van ligand-receptor
systemen en van signaaltransductie-mechanismen heeft plaatsgevonden. Desalniettemin
zijn vele van de basiscomponenten van de simpele signaaloverdracht bij eencelligen
geconserveerd in complexere organismen. De essentiële functies die cellen kunnen
uitvoeren zijn groei, proliferatie (snelle verspreiding), differentiatie, apoptose of behoud van
een gecontroleerde rusttoestand. Foute regulatie hiervan ligt aan de basis van veel
gezondheidsproblemen, tumorvorming, fibrose, reumatoïde artritis en de ziekte van
Alzheimer zijn maar enkele voorbeelden.
