Ch11 Cell Signaling 525 ­ Copy.notebook

October 21, 2011

Evolution of Cell Signaling • A signal transduction pathway is a series of steps by  which a signal on a cell’s surface is converted into a  specific cellular response • Signal transduction pathways convert signals on a  cell’s surface into cellular responses • Pathway similarities suggest that ancestral signaling  molecules evolved in prokaryotes and were modified later  in eukaryotes

Oct 21­12:20 PM

Local and Long­Distance Signaling • Cells in a multicellular organism communicate by  chemical messengers

• Animal and plant cells have cell junctions that directly  connect the cytoplasm of adjacent cells

• In local signaling, animal cells may communicate by  direct contact, or cell­cell recognition

Oct 21­12:24 PM

1

Ch11 Cell Signaling 525 ­ Copy.notebook

October 21, 2011

Figure 11.4 Communication by direct contact between cells

Oct 21­12:25 PM

• In many other cases, animal cells communicate using  local regulators, messenger molecules that travel only  short distances • In long­distance signaling, plants and animals use  chemicals called hormones

Oct 21­12:26 PM

2

Ch11 Cell Signaling 525 ­ Copy.notebook

October 21, 2011

Figure 11.5 Local and long­distance cell communication in animals

Oct 21­12:27 PM

The Three Stages of Cell Signaling: A Preview • Earl W. Sutherland discovered how the hormone  epinephrine acts on cells

• Sutherland suggested that cells receiving signals went  through three processes: 1) Reception 2) Transduction 3) Response

Oct 21­12:28 PM

3

Ch11 Cell Signaling 525 ­ Copy.notebook

October 21, 2011

Figure 11.6 Overview of cell signaling

Oct 21­12:29 PM

Figure 11.6 Overview of cell signaling

Oct 21­12:29 PM

4

Ch11 Cell Signaling 525 ­ Copy.notebook

October 21, 2011

Figure 11.6 Overview of cell signaling

Oct 21­12:29 PM

Concept 11.2: Reception: A signal molecule binds to a receptor  protein, causing it to change shape • The binding between a signal molecule (ligand) and receptor is  highly specific • A shape change in a receptor is often the initial transduction of  the signal • Most signal receptors are plasma membrane proteins

Oct 21­12:31 PM

5

Ch11 Cell Signaling 525 ­ Copy.notebook

October 21, 2011

Receptors in the Plasma Membrane • Most water­soluble signal molecules bind to specific  sites on receptor proteins in the plasma membrane • There are three main types of membrane receptors: 1) G protein­coupled receptors 2) Receptor tyrosine kinases 3) Ion channel receptors

Oct 21­12:33 PM

Figure 11.7 Membrane receptors—G protein­coupled receptors, part 1 • A G protein­coupled  receptor is a plasma  membrane receptor that  works with the help of a G  protein • The G protein acts as an  on/off switch: If GDP is  bound to the G protein, the  G protein is inactive

Oct 21­12:34 PM

6

Ch11 Cell Signaling 525 ­ Copy.notebook

October 21, 2011

Figure 11.7 Membrane receptors—G protein­coupled receptors, part 2

When GDP bound to G protein, the G protein is inactive.  

When signaling molecule binds to receptor, the receptor is activated and  changes shape.  It binds an inactive G protein, causing a GTP to displace  the GDP.  This activates the G protein.

Activated G protein dissociates from receptor, diffuses along the  membrane, and binds to an enzyme, altering the enzyme's shape  and activity.  When enzyme is activated, it triggers the next step in a  pathway leading to a cellular response. 

Changes in the enzyme and G protein are only temporary, because the  G protein also functions as a GTPase enzyme ­ it hydrolyzes its bound  GTP to GDP. Now inactive again, the G protein leaves the enzyme,  which returns to its original state.  The G protein is now available for  reuse.  The GTPase function of the G protein allows the pathway to shut  down rapidly when the signaling molecule is no longer present. 

Oct 21­12:36 PM

Figure 11.7 Membrane receptors—receptor tyrosine kinases • Receptor tyrosine kinases are membrane receptors that attach phosphates to tyrosines

• A receptor tyrosine kinase can trigger multiple signal transduction pathways at once

Before the signaling molecule binds, the receptors exist as  individual polypeptides.  Each has an extracellular ligand­ binding site, an α helix spanning the membrane, and an  intracellular tail containing multiple tyrosines. 

Dimerization activates the tyrosine kinase region  of each polypeptide; each tyrosine kinase adds  a phosphate from an ATP molecule to a  tyrosine of the tail of the other polypeptide.  

Binding of a signaling molecule (such as a growth  factor) causes two receptor polypeptides to associate  closely with each other forming a dimer (dimerization).

Fully activated receptor protein is recognized by specific relay proteins  inside the cell.  Each such protein binds to a specific phosphorylated  tyrosine, undergoing a resulting structural change that activates the  bound protein.  Each activated protein triggers a transduction pathway,  leading to a cellular response. 

Oct 21­12:36 PM

7

Ch11 Cell Signaling 525 ­ Copy.notebook

October 21, 2011

Figure 11.7 Membrane receptors—ion channel receptors • A ligand­gated ion channel receptor acts as a gate when the receptor changes shape • When a signal molecule binds as a ligand to the receptor, the gate allows specific ions,  such as Na+ or Ca2+, through a channel in the receptor

1) Gate remains closed until a ligand  binds to the receptor.

2) When ligand binds to receptor and  gate opens, specific ions can flow  through the channel and rapidly  change the concentration of that  particular ion inside the cell.  This  change may directly affect the activity  of the cell in some way.

3) When ligand dissociates from  receptor, the gate closes and ions no  longer enter the cell.

Oct 21­12:39 PM

Intracellular Receptors • Some receptor proteins are intracellular, found in the cytosol or nucleus of  target cells • Small or hydrophobic chemical messengers can readily cross the  membrane and activate receptors • Examples of hydrophobic messengers are the steroid and thyroid  hormones of animals • An activated hormone­receptor complex can act as a transcription factor,  turning on specific genes

Oct 21­12:40 PM

8

Ch11 Cell Signaling 525 ­ Copy.notebook

October 21, 2011

Figure 11.8 Steroid hormone interacting with an intracellular receptor

Oct 21­12:41 PM

Figure 11.8 Steroid hormone interacting with an intracellular receptor

Oct 21­12:41 PM

9

Ch11 Cell Signaling 525 ­ Copy.notebook

October 21, 2011

Figure 11.8 Steroid hormone interacting with an intracellular receptor

Oct 21­12:41 PM

Figure 11.8 Steroid hormone interacting with an intracellular receptor

Oct 21­12:41 PM

10

Ch11 Cell Signaling 525 ­ Copy.notebook

October 21, 2011

Figure 11.8 Steroid hormone interacting with an intracellular receptor

Oct 21­12:41 PM

Concept 11.3: Transduction: Cascades of molecular interactions relay  signals from receptors to target molecules in the cell

• Signal transduction usually involves multiple steps

• Multistep pathways can amplify a signal: A few molecules can  produce a large cellular response

• Multistep pathways provide more opportunities for coordination  and regulation of the cellular response

Oct 21­12:45 PM

11

Ch11 Cell Signaling 525 ­ Copy.notebook

October 21, 2011

Signal Transduction Pathways • The molecules that relay a signal from receptor to response  are mostly proteins • Like falling dominoes, the receptor activates another  protein, which activates another, and so on, until the protein  producing the response is activated • At each step, the signal is transduced into a different form,  usually a shape change in a protein

Oct 24­11:06 AM

Oct 21­1:56 PM

12