Межклеточные информационные взаимодействия

Клетки, воспринимая и трансформируя различные сигналы, реагируют на изменения окружающей их среды, являясь местом приложения физических (например, кванты света в фоторецепторах), химических (например, вкусовые и обонятельные молекулы, рН), механических (например, давление или растяжение в механорецепторах) раздражителей внешней и внутренней сред организма и сигналов информационного характера (например, гормоны и нейромедиаторы) из внутренней среды организма. Все виды информационных межклеточных взаимодействий реализуются в рамках концепции «сигнал–ответ», основы которой заложил Пауль Эрлих. Информационные межклеточные взаимодействия укладывается в схему, предусматривающую следующую последовательность событий:

сигналрецептор(посредник)ответ

Контактная и дистантная регуляция функций

Регуляция функций организма, органов и систем органов, а также отдельных клеток осуществляется при помощи регуляторного сигнала контактно либо дистантно. И при контактном, и при дистантном способах регуляции передача сигнала и регистрация сигнала всегда происходит между отдельными клеточными элементами. Одна клетка регулирует, вторая — регулируется.

Сигналы

Передачу сигналов от клетки к клетке осуществляют сигнальные молекулы (первыйпосредник), вырабатываемые в одних клетках и специфически воздействующие на другие клетки —клетки–мишени. Специфичность воздействия сигнальных молекул определяют присутствующие в клетках–мишеняхрецепторы, связывающие толькособственныелиганды. Все сигнальные молекулы (лиганды) — в зависимости от их физико-химической природы — подразделяют на полярные (точнее — гидрофильные) и аполярные (точнее — жирорастворимые). Гидрофильные молекулы (например, нейромедиаторы, цитокины, пептидные гормоны, Аг) не проникают через плазматическую мембрану и связываются с рецепторами плазмолеммы (мембранные рецепторы). Жирорастворимые молекулы (например, стероидные гормоны) проникают через плазмолемму и связываются с рецепторами внутри клетки (ядерные рецепторы).

Рецепторы

Рецепторы в клетке–мишени — белки (в ряде случаев глико- или липопротеины), в каждой клетке–мишени они начитываются тысячами и десятками тысяч. Количество рецепторов в клетках–мишенях не остаётся постоянным: рецепторы инактивируются или разрушаются в процессе их функционирования, реактивируются и постоянно синтезируются в клетках–мишенях. Лиганд, взаимодействуя с его рецептором, образует лиганд-рецепторныйкомплекс, что самым серьёзным образом изменяет функциональные возможности рецептора и является толчком для проявления физиологического эффекта. Рецепторы (в зависимости от их расположения в клетке–мишени) подразделяют на мембранные (встроенные в плазматическую мембрану) и внутриклеточные — цитозольные и ядерные — (обычно их называют ядерными). Некоторые рецепторы встроены в мембраны внутриклеточных органоидов (например, в мембранах эндоплазматической сети находятсярецепторы рианодинаи инозитолтрифосфата).

Мембранные рецепторы

Мембранные рецепторы регистрируют наличие лиганда (пептидного гормона, производных аминокислот, нейромедиаторов, цитокинов) и передают сигнал внутриклеточным химическим соединениям, опосредующим конечный эффект, — вторым посредникам (G‑белки, циклические нуклеотиды, ионы Ca²⁺, инозитолтрифосфат и др.).

Мембранные рецепторы — гликопротеины. Они контролируют проницаемость плазмолеммы путём изменения конформации белков ионных каналов (например, н‑холинорецептор — никотиновый холинорецептор), регулируют поступление молекул в клетку (например, холестерола при помощи рецепторов ЛНП), связывают молекулы внеклеточного матрикса с элементами цитоскелета (например, интегрины), регистрируют присутствие информационных сигналов (например, нейромедиаторов, квантов света, обонятельных молекул, Аг, цитокинов, гормонов пептидной природы).

Мембранные рецепторы подразделяют на каталитические, связанные с ионными каналами, являющиеся ионными каналами, оперирующие через G‑белок и освобождающие факторы транскрипции.

 Каталитическиерецепторы— трансмембранные белки, наружная часть которых содержит связывающий лиганд участок, а цитоплазматическая часть либо сама функционирует как активный центр фермента, либо тесно связана с молекулой фермента. Известно 5 типов каталитических рецепторов.

 Рецепторныегуанилатциклазыкатализируют образование цГМФ из ГТФ. К таким мембранным рецепторным белкам-ферментам относятся 2 рецептора предсердного натриуретического фактора.

Своеобразным рецептором освобождаемого из эндотелия фактора вазодилатации — оксида азота (NO) — является цитоплазматическая (растворимая) гуанилатциклаза ГМК стенки кровеносных сосудов. NO легко диффундирует через клеточные мембраны и активирует гуанилатциклазу, в результате внутриклеточная концентрация цГМФ повышается в десятки раз, что и приводит к расслаблению ГМК.

 Рецепторныесерин/треониновыекиназыфосфорилируют остатки серина и/или треонина как самого рецептора (автофосфорилирование), так и внутриклеточных белков. К этим рецепторам относятся рецепторы контролирующих рост и дифференцировку клеток цитокинов —трансформирующих факторов роста,мюллерова ингибирующего фактора, ингибинов, почти десятка так называемых морфогенетических белков кости из семейства трансформирующих факторов роста.

 Рецепторныетирозинкиназыфосфорилируют остатки тирозина как самого белка-рецептора (автофосфорилирование), так и разных внутриклеточных белков (рис. 4–11). К этой группе рецепторов относятся рецептор инсулина и рецепторы многих факторов роста (фибробластов, нервов, инсулиноподобного I).

Рис. 4–11. Рецептор инсулина встроен в плазматическую мембрану клетки–мишени, этот тетрамер состоит из двух идентичных пар СЕ ( и ): ‑СЕ связывают молекулы инсулина, а ‑СЕ обладают активностью тирозинкиназы. При взаимодействии инсулина с ‑СЕ происходят конформационные изменения рецептора. В результате рецепторная тирозинкиназа ‑СЕ обеспечивает присоединение фосфата к себе самой (аутофосфорилирование), а также к белкам, находящимся в цитоплазме (фосфорилирование). Фосфорилирование является одним из важнейших внутриклеточных сигнальных механизмов. -S-S- — дисульфидные мостики между СЕ, P — фосфатная группа, Tyr — тирозил в составе полипептида. [11].

 Рецепторы,связанныестирозинкиназами, взаимодействуют с цитоплазматическими тирозинкиназами, многие из которых являются протоонкогенами. К этой многочисленной группе рецепторов относятся рецепторы интерферонов (,,), интерлейкинов (ИЛ2, ИЛ3, ИЛ4, ИЛ5, ИЛ6), колониестимулирующего фактора гранулоцитов и макрофагов (GM-CSF), эритропоэтина.

 Рецепторныетирозинфосфатазыосвобождают (дефосфорилируют) фосфатные группировки из фосфорилированных тирозилов внутриклеточных белков. К таким рецепторам относится общий Аг лимфоцитовCD45(от англ.clusterofdifferentiation— кластер дифференцировки, дифференцировочный Аг), обнаруженный в большинстве гемопоэтических клеток. Различные сигналы посредством CD45 запускают дифференцировку таких клеток (в частности, лимфоцитов).

 Рецепторы,связанныесионнымиканалами, влияют на проницаемость ионных каналов через вторые посредники. К ним относятсяадренорецепторы, мускариновыехолинорецепторы, рецепторы серотонина, дофамина. Рецепторы этого типа —метаботропныерецепторы, они активируются в клетке–мишени в результате различных метаболических процессов, происходящих после образования комплекса «лиганд–рецептор».

 Управляемыелигандамиионныеканалы— интегральные мембранные белки — сочетают свойства рецептора и ионного канала и встроены в постсинаптическую мембрану нервных клеток, а также в постсинаптическую мембрану нервно-мышечного синапса между разветвлениями аксонов мотонейронов и скелетными МВ. Другими словами, некоторые рецепторы нейромедиаторов (например, никотиновые холинорецепторы, рецепторы глицина, серотонина, ГАМК и глутаминовой кислоты) сами по себе являются ионными каналами —ионотропныерецепторы(связывание лиганда с рецептором регулирует трансмембранную проницаемость за счёт ионного канала в составе рецептора). К этой же группе относятся рецепторы инозитолтрифосфата ирианодиновые рецепторы(см. рис. 3–10), встроенные в мембраны эндоплазматической сети и фактически являющиеся Ca²⁺ ‑каналами.

 Рецепторы,связанныесG‑белком— полипептидные цепочки, расположенные в плазматической мембране клетки–мишени таким образом, что полипептид пронизывает мембрану 7 раз, образуя при этом по 3 находящихся кнаружи и кнутри от мембраны петли. Внеклеточный (N-конец) полипептида содержит связывающий лиганд участок, внутриклеточный (C-конец) расположен в цитозоле, а одна из обращённых внутрь клетки петель связывает G‑белок.

 ЛигандысвязанныхсG‑белкоммембранныхрецепторов:ангиотензин II, АТФ,ацетилхолин(мускариновые рецепторы),нейромедин B, гастрин–рилизинг гормон,брадикинин,вазопрессин,глюкагон,вещество Р,гистамин, глутамат,люлиберин,нейропептид Y,норадреналин,ПТГ,серотонин,тиреотропный гормон,фактор активации тромбоцитов PAF,холецистокинин,эндотелин,метионин–энкефалини др. (см. табл. 4–1).

Таблица4–1.Некоторыелигандыдлярецепторов,сцепленныхсG‑белками

Классы	Лиганды
Нейромедиаторы	Аденозин, адреналин,ацетилхолин,гистамин,дофамин,норадреналин,серотонин
Тахикинины	Вещество P,нейрокинины A и B
Различные пептиды	Ангиотензин II,вазоинтестинальный пептид (VIP), гастрин-РГ, ТТГ-РГ,вазопрессин
Гликопротеины	ЛГ, ТТГ, ФСГ, ХГТ
Эйкозаноиды	ТромбоксанА2
Другие вещества	Каннабиноиды, одоранты,фактор активации тромбоцитов,эндотелины

 G‑белок— тример, т.е. состоит из трёх субъединиц (СЕ) —,и(рис. 4–12). В покое (рецептор не связан с лигандом) СЕ G‑белка объединены и не контактируют с цитоплазматической петлёй рецептора, при этом‑СЕ связана с гуанозиндифосфатом. При активации G‑белка вследствие взаимодействия G‑белка с комплексом «лиганд–рецептор» гуанозиндифосфат отделяется от‑СЕ, а место ГДФ занимает ГТФ. В результате G‑белок активируется и диссоциирует. При этом‑СЕ с ГТФ перемещается и связывается с эффектором (активируемые соединения и структуры). Затем‑СЕ катализирует переход ГТФ в ГДФ, инактивируется и вновь объединяется с другими СЕ G‑белка.

Рис.4–12.БелокG[11].1.Выключенноесостояние: a‑СЕ связана с гуанозиндифосфатом (ГДФ) и не контактирует с рецептором;2. При взаимодействии лиганда с рецептором ГДФ заменяется на ГТФ, G‑белокактивируется;3. G‑белок диссоциирует, несущая ГТФ a‑СЕ перемещается в мембране, связывается с эффектором и активирует его;4. a‑СЕ превращает ГТФ в ГДФ, инактивируется и объединяется с другими СЕ G‑белка.

 Функциональныеформы‑СЕG‑белка(G). В функциональном отношении различают: G_s— активатор аденилатциклазы, G_i— ингибитор аденилатциклазы, G_p— активатор фосфолипазы C, G_t— активатор цГМФ–фосфодиэстеразы (трансдуцин) и другие варианты.

 Эффекторы— активируемые соединения и структуры. Антагонистически или синергестически G_и комплекс G_ активируют фосфолипазы А₂и C_1-3, активируют или ингибируют аденилатциклазу, активируют фосфодиэстеразу цГМФ, открывают Са²⁺- и K⁺‑каналы, закрывают Na⁺‑каналы, увеличивают или уменьшают внутриклеточное содержание цАМФ и цГМФ, увеличивают концентрацию внутриклеточного Са²⁺, инозитолтрифосфата и диацилглицерола, ускоряют освобождение арахидоновой кислоты. Некоторые G‑белки регулируют работу ионных каналов не только опосредованно (посредством цАМФ–активируемых протеинкиназ), но и прямо взаимодействуют с ионными каналами (так, при активации–адренорецепторов G_sсвязывается с Ca²⁺‑каналами типа L в миокарде и в скелетных мышцах).

 ХолерныйтоксинVibriocholeraeблокирует способность G_sгидролизовать ГТФ. Аденилатциклаза, активированная такой видоизменённой G_sсубъединицей, остаётся в активированном состоянии неопределённо долго. Это приводит к увеличению уровня цАМФ в эпителиальных клетках слизистой оболочки кишки, потере ими Cl^–, Na⁺и воды, что вызывает тяжёлую диарею и обезвоживание.

 КоклюшныйтоксинBordetellapertussisмодифицирует СЕ G_i(АДФ–рибозилирование), что также приводит к увеличению образования внутриклеточного цАМФ.

 Освобождающиефакторытранскрипциирецепторы— трансмембранные белки, встроенные в плазмолемму и в мембраны эндоплазматического ретикулума. После активации этого типа рецепторов протеолитические ферменты отщепляют от рецепторов обращённый в цитозоль фрагмент, поступающий в ядро клетки и специфический связывающийся с промоторными последовательностями ДНК, что запускает транскрипцию соответствующего гена. Эти рецепторы и освобождаемые ими факторы транскрипции регулируют процессы дифференцировки (специализации) клеток, внутриклеточное содержание холестерола, а также метаболизмамилоида.

К настоящему времени описаны сотни трансмембранных белков-рецепторов для химических посредников. Эти белки не являются статическими компонентами, их число и чувствительность к лигандам увеличивается или уменьшается в зависимости от продолжительности ответа, а свойства рецепторов изменяются вместе с изменениями физиологических условий (нисходящая и восходящая регуляция, десенситизация).

 Позитивнаярегуляция. Недостаток химического посредника приводит к увеличению количества активных рецепторов.

 Негативнаярегуляциянаблюдается при избыточном количестве гормона или нейромедиатора, при этом число действующих рецепторов или их чувствительность к лигандам уменьшается.

 Десенситизациярецепторов— вариант негативной регуляции — процесс, приводящий к значительному уменьшению чувствительности рецепторов к их лигандам. Классический пример такой десенситизации —–адренергические рецепторы.

 При связывании –СЕ G‑белка (см. рис. 4–12) с киназой–адренергического рецептора эта киназа фосфорилирует лиганд–рецепторный комплекс, что приводит к погружению рецептора в цитозоль в составе эндосомы (интернализация), В результате на поверхности клетки–мишени уменьшается количество–адренергических рецепторов. Киназу–адренергического рецептора активируют кофакторы в виде белков —–аррестинов.

 Ресенситизация. Процесс интернализации–адренергических рецепторов обратим, их встраивание в плазмолемму приводит к восстановлению чувствительности клетки к лигандам.