Биологическое узнавание

Специфические процессы узнавания друг друга молекулами и клетками – ключевое условие для функционирования биологических систем и их взаимодействия с окружающей средой. К числу таких систем можно отнести и процесс бактериальной инфекции, первый этап которого сводится к специфическому узнаванию возбудителем соответствующей ткани в макроорганизме, прикрепление к клеткам этой ткани и последующему ее заселению (колонизации). На принципе биологического узнавания основано и взаимодействие возбудителя с клетками фагоцитарной системы макроорганизма, для которого проблема распознавания чужеродного агента имеет решающее значение в механизмах защиты от инфекций. Принцип биологического распознавания играет решающую роль в нахождении токсином чувствительной ткани, поражение которой лежит в основе специфического синдрома заболевания.

В основе специфического связывания биомолекул или микробной клетки с клеткой-мишенью в макроорганизме лежит принцип комплементарности. Клетки взаимодействуют между собой посредством макромолекул, расположенных на поверхности. Так, если на поверхности одной молекулы имеется выступ, то на комплементарной ей поверхности другой молекулы должно быть углубление или напротив положительного заряда должен быть отрицательный; для образования гидрофобных связей неполярные (гидрофобные) группы должны располагаться одна против другой. Принцип комплементарности – один из наиболее важных принципов биологии и в биохимии его еще называют принципом избирательной “слипаемости” молекул. Он гласит: две молекулы, поверхности которых комплементарны, стремятся взаимодействовать и соединяться друг с другом, тогда как молекулы, не содержащие комплементарных поверхностей, не взаимодействуют.

Феномен специфического узнавания молекул друг другом можно назвать первичной характеристикой живой материи.

Основная концепция биологического узнавания базируется на системе коммуникативных связей, включающих принятие не координированного сигнала посредством рецепции его на клеточной поверхности и его трансляции в действие, как совершать которое, клетка уже знает. Связь может не сработать, если нет соответствующего рецептора, на который может быть принят сигнал, либо если отсутствует или дефектен транслирующий или трансдуцирующий аппарат, т.е. звенья, передающие и трансформирующие сигналы, таким образом, система коммуникаций, лежащая в основе биологического узнавания включает в себя сигнальную рецепцию, сигнальную трансляцию и биологический ответ.

Лиганд-рецепторное взаимодействие, лежащее в основе биологического узнавания, предполагает существование на поверхности клетки:

1) специальной структуры, способной принять поступающий сигнал (распознавательный элемент сигнальной рецепции);

2) механизма, трансформирующего этот сигнал в действие, которым отвечает клетка (эффекторный элемент)

3) передаточный механизм, которым соединяются первый и второй элементы (трансдуктор).

В отличие от эффектора распознавательный элемент сигнальной рецепции, рецептор, обычно располагается ассиметрично на внешней стороне двухслойной мембраны, эффектор же может находиться вне мембраны, в мембране или в ее части, обращенной к цитоплазме.

Наличие в рецепторе специфического сайта связывания придает процессу узнавания строгую специфичность. По химической природе сайты связывания характеризуются чрезвычайным структурным разнообразием, что, соответственно, обеспечивает клетке огромные потенциальные возможности, реализующиеся в многообразии рецепторов.

Существует две модели, объясняющие последовательность стадий, лежащих в основе функционирования рецепторов под действием лигандов. Первая предполагает, что в результате контакта лиганда с рецептором происходит активация рецептора, т.е. лиганд нужен для того, чтобы перевести рецептор в активное состояние. После активации рецептора необходимость в присутствии лиганда отпадает. Биологическая активность в этом случае находится в прямой зависимости от количества рецепторов, контактирующих с лигандом в единицу времени. Поскольку связь лиганд-рецептор обратимая, то диссоциация комплекса приводит к регенерации рецептора, и, видимо, повторному выполнению им своей функции.

Согласно второй модели, взаимодействие лиганд-рецептор приводит к образованию инертного комплекса, наличие которого само по себе необходимо для активации системы, т.е. в отсутствие комплекса лиганд-рецептор система трансдуктор-эффектор не функционирует. В этом случае биологическая активность пропорциональна количеству комплексов, образованных в единицу времени. После импульса, индуцированного связью с лигандом, рецептор восстанавливается и может заново функционировать.

Обратимость лиганд-рецепторного взаимодействия свидетельствует о том, что это связывание не носит ковалентный характер, а скорее в нем участвуют более слабые связи, такие, как ван-дер-ваальсовы и электростатические силы, а также водородные и гидрофобные связи.

Ван-дер-ваальсовы силы относятся к категории короткодействующих. Обусловлены электростатическим притяжением отрицательно заряженных электронов одного атома положительно заряженным ядром другого атома.

Электростатические силы обусловливают притяжение между заряженными группировками. Часто служат причиной изменения конформации молекул.

Водородные связи относятся к типу слабых связей, но обеспечивают комплементарность поверхностям взаимодействующих молекул и обеспечивают этим молекулам точное совмещение поверхностей.

Гидрофобные связи. Процесс формирования гидрофобных связей можно представить себе перемещением неполярных частей молекулы из воды в гидрофобные области, образуемые за счет ассоциации неполярных групп. Про- и эукариотические клетки имеют отрицательный заряд. Функция гидрофобных молекул сводится, очевидно, к тому, что с их помощью клетки бактерий преодолевают электростатический барьер и сближаются, например, с клетками слизистой оболочки.

Таким образом, процесс прикрепления бактериальных клеток к клеткам тканей организма имеет характер взаимодействия клетка-клетка, поскольку в него вносят вклад различные по своей природе силы.

Специфичность связывания оценивается по следующим критериям:

- лиганды должны обладать структурной специфичностью,

- связывание должно быть быстрым,

- должна существовать корреляция между связыванием и биологической активностью,

- связывание должно быть обратимым,

- связывание должно характеризоваться насыщаемостью,

- должна соблюдаться физиологическая адекватность в отношении ткани, с клетками которой взаимодействует лиганд.

Связь считается специфической только при наличии всех этих условий.

Для того чтобы говорить о способности бактерий к адгезии (а затем и дальнейшей колонизации) на поверхности клеток макроорганизма, необходимо вспомнить строение поверхностных структур клеток микро - и макроорганизмов.