Лекция 10. Тема: «Механизмы клеточной коммуникации» (стр. 1 )

Лекция 10. Тема: «Механизмы клеточной коммуникации»

  Клетки анализируют сигналы, принимая крайне ответственное и иногда непоправимое решение - жить или не жить, - должна быть предельно осмотрительной, поэтому клетка старается сделать все, чтобы не ошибиться. Перед вынесением окончательного приговора ( активирование разрушающих клетку ферментов ) сигналы, получаемые извне, подвергаются всестороннему анализу.

Этот анализ начинается уже на уровне первичных сигналов, получаемых клеткой. Так, в ткани, в которой идет интенсивное клеточное деление, обычно находятся разнообразные белковые вещества, называемые факторами роста . Эти факторы стимулируют деление. Их отсутствие является либо указанием на то, что потребность в "молодых" клетках уже удовлетворена, либо серьезным сигналом неблагополучия. Разные факторы роста взаимодействуют с разными рецепторами, и клетка часто ориентируется на информацию, получаемую одновременно с нескольких рецепторов. Анализ этой информации внутри клетки происходит при участии многих белков.

Восприятие клетками внешних сигналов происходит, в основном, благодаря взаимодействию некоторых факторов (стимулов, лигандов, " первичных посредников " ) с определенными рецепторами, расположенными на поверхностной мембране клеток. Несмотря на огромное разнообразие стимулов и рецепторов существует всего несколько универсальных сигнальных систем, передающих информацию различным клеточным органеллам и запускающих определенные физиологические процессы в клетке. Гормоны связываются с рецепторами высокоспецифичным образом и с высокой аффинностью. Связывание гормона с рецептором осуществляется за счет слабых взаимодействий, ионных, ван-дер-ваальсовых и гидрофобных взаимодействий. Специфичность рецептора можно охарактеризовать по его способности распознавать лиганды. Рецептор к инсулину, например, связывает инсулин, но не другие пептидные гормоны.

Способность клеток воспринимать внешние сигналы определяется специальным классом белковых молекул - рецепторами. Рецепторы имеют один или несколько центров связывания сигнальных молекул и проявляют высокое сродство к своим лигандам. Различные клетки живых организмов имеют характерный набор рецепторов в зависимости от выполняемых этими клетками функций. Связываясь с рецептором, внеклеточные химические посредники воздействуют на протекание в клетке - мишени физиологически важных процессов.

Рецепторы - это специальные соединения на поверхности или внутри клеток органа-мишени, которые связывают гормон , доставляемый к его месту действия кровью, и, как следствие такого связывания, индуцируют реакции (или серию реакций ), обеспечивающие конечный эффект гормона.

Гормональные рецепторы являются крупномолекулярными белками, способными нековалентно связывать гормон, и делятся на две группы в зависимости от типа связываемого гормона.

Липофильные гормоны ( стероиды ), легко проходят через клеточную мембрану, связываются с рецептором, локализованном либо в цитоплазме, либо в ядре клетки. В противоположность

Гидрофильные гормоны , не способные проникать внутрь клетки, связываются с рецепторами на поверхности клетки, что обеспечивает запуск передачи сигнала внутри клетки .

Каждый гормон связывается со своим специфическим рецептором.

В одной и той же клетке (и даже в каждой мембране одной клетки) может быть более десятка разных типов рецепторов.

Концентрация рецепторов в клетке крайне низка. В клетках крови число бета-адренергических рецепторов порядка 1000 молекул на клетку.

В настоящее время описаны сотни рецепторов для гормонов, нейромедиаторов, простагландинов, вирусов, бактериальных токсинов, бактерий и простейших организмов.

Большое разнообразие типов и подтипов рецепторов необходимо для обеспечения широкого динамического диапазона физиологических ответов и высокой информационной емкости сигнал-передающих путей ( Schofield et al., 1990 ). Важную роль в обеспечении необходимой гибкости сигнальных путей играет различие в сродстве к лигандам у различных типов рецепторов. Так, например, бета1- и бета2-адренорецепторы, обладая 54% сходством, способны дифференцировать такие лиганды, как адреналин и норадреналин.

Связывание каждого гормона с рецептором - процесс, как правило, независимый от состояния других рецепторов.

Гормоны, близкие по химической структуре, могут связываться с одним и тем же рецептором. Кинетика связывания гормона с рецептором определяется законом действующих масс. (более подробно см. , 1983 )

В большинстве случаев рецепторы являются белками, чаще гликопротеидами. Известны и исключения, так рецептором холерного токсина является моносиалоганглиозид Gm1.

Эндокринная, паракринная и синаптическая система химической сигнализации.

Гормоны - это вещества с высокой биологической активностью - регулируют рост и деятельность клеток различных тканей организма.

Для гормонов характерна специфичность действия на конкретные клетки и органы, называемые мишенями. Это обусловлено наличием на клетках-мишенях специфических рецепторов, распознающих и связывающих данный гормон. Будучи связан рецептором, гормон может воздействовать на плазматическую мембрану, на фермент, находящийся в этой мембране, на клеточные органеллы в цитоплазме или же на ядерный (генетический) материал.

Химическая природа гормонов различна. Подавляющее большинство гормонов принадлежит к белкам и производным аминокислот, часть - к стероидам (т. е. производным холестерина).

Эндокринная регуляция является одним из нескольких видов регуляторных воздействий, среди которых выделяют:

аутокринную регуляцию (в пределах одной клетки или клеток одного типа); паракринную регуляцию (короткодистантную, - на соседние клетки); эндокринную (опосредованную гормонами, циркулирующими в крови); нервную регуляцию.

Наряду с термином "эндокринная регуляция", часто используют термин "нейро-гуморальная регуляция", подчеркивая тесную взаимосвязь нервной и эндокринной систем.

●  гуморальная регуляция -- регуляция жизнедеятельности, осуществляемая через жидкие среды организма (кровь, лимфу, тканевую жидкость) с помощью биологически активных веществ, выделяемых клетками, тканями и органами в процессе их функционирования;

●  гуморальные факторы -- образующиеся в различных тканях и органах биологически активные вещества, действие которых на организм опосредовано через его жидкие среды;

Общим для нервных и эндокринных клеток является выработка гуморальных регулирующих факторов. Эндокринные клетки синтезируют гормоны и выделяют их в кровь, а нейроны синтезируют нейромедиаторы (большинство из которых является нейроаминами): норадреналин, серотинин и другие, выделяющиеся в синаптические щели. В гипоталамусе находятся секреторные нейроны, совмещающие свойства нервных и эндокринных клеток. Они обладают способностью образовывать как нейроамины, так и олигопептидные гормоны. Выработка гормонов эндокринными органами регулируется нервной системой.

По расстоянию от клетки—продуцента гормона до клетки-мишени различают эндокринный, паракринный и аутокринный варианты регуляции. • Эндокринная, или дистантная, регуляция. Секреция гормона происходит в жидкие среды организма. Клетки-мишени могут отстоять от эндокринной клетки сколь угодно далеко. Пример: секреторные клетки эндокринных желёз, гормоны из которых поступают в систему общего кровотока. • Паракринная регуляция. Продуцент биологически активного вещества и клетка-мишень расположены рядом. Молекулы гормона достигают мишени путём диффузии в межклеточном веществе. Например, в париетальных клетках желёз желудка секрецию Н+ стимулируют гастрин и гистамин, а подавляют соматостатин и Пг, секретируемые рядом расположенными клетками. • Аутокринная регуляция. При аутокринной регуляции клетка—продуцент гормона имеет рецепторы к этому же гормону (другими словами, клетка—продуцент гормона в то же время является его мишенью). Примеры: эндотелины, вырабатываемые клетками эндотелия и воздействующие на эти же эндотелиальные клетки; Т-лимфоциты, секретирующие интерлейкины, имеющие мишенями разные клетки, в том числе и Т-лимфоциты.

Первичные мессенджеры (экстраклеточные сигналы): введение

В качестве агониста рецептора клетка может использовать специально синтезированные соединения пептидной природы или использовать свои внутриклеточные метаболиты, которые отсутствуют в экстраклеточной среде. Кофермент АТР и глутамат, действующие экстраклеточно, являются мощными нейротрансмиттерами. Природные экстраклеточные лиганды, которые взаимодействуют с рецепторами и активируют их, называют первичными мессенджерами. Они могут быть подразделены на гормоны , нейротрансмиттеры , цитокины , лимфокины , факторы роста , липофильные молекулы имеющие рецепторы , хемоаттрактанты и. т.д. Каждый из этих терминов представляет класс агентов, действующих достаточно специфично. Тем не менее, существуют примеры многофункциональности первичных мессенджеров: АТР и глутамат являются нейротрансмиттерами, когда они секретируются в синапсах . Гормоны пищеварительного тракта, такие как гастрин, холецитокинин и секретин в центральной нервной системе осуществляют многообразные функции нейромодуляторов, влияя на высвобождение других нейротрансмиттеров. Соматостатин, идентифицированный первоначально как агент гипоталамуса, подавляющий секрецию гормона роста, также функционирует в центральной нервной системе как нейротрансмиттер и нейромодулятор. Более того, он является паракринным агентом для клеток поджелудочной железы и гормоном для печени. Фактор роста тромбоцитов TGFb действует также как хемоатрактант и как ингибитор роста. Тромбин является фактором роста, но также вовлекается в свертывание крови как активатор функции тромбоцитов.

Важное свойство мембран - способность воспринимать и передавать внутрь клетки сигналы из внешней среды. "Узнавание" сигнальных молекул осуществляется с помощью белков-рецепторов, встроенных в клеточную мембрану клеток-мишеней или находящихся в клетке. Клетку-мишень определяют по способности избирательно связывать данную сигнальную молекулу с помощью рецептора.

Если сигнал воспринимается мембранными рецепторами, то схему передачи информации можно представить так: