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 (первый посредник), вырабатываемые в одних клетках и специфически воздействующие на другие клетки — клетки–мишени. Специфичность воздействия сигнальных молекул определяют присутствующие в клетках–мишенях рецепторы, связывающие только собственные лиганды. 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-рецепторный комплекс, 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 находятся рецепторы рианодина и 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.

 Каталитические рецепторы — 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.

 Рецепторные гуанилатциклазы катализируют 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.

 Рецепторные серин/треониновые киназы фосфорилируют 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 .

 Рецепторные тирозинкиназы фосфорилируют 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, связанные с тирозинкиназами, 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.

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

 Рецепторы, связанные с ионными каналами, влияют на проницаемость ионных каналов через вторые посредники. К ним относятся адренорецепторы, мускариновые холинорецепторы, рецепторы серотонина, дофамина. Рецепторы этого типа — метаботропные рецепторы, они активируются в клетке–мишени в результате различных метаболических процессов, происходящих после образования комплекса «лиганд–рецептор».

 Управляемые лигандами ионные каналы — 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 — ионотропные рецепторы (связывание лиганда с рецептором регулирует трансмембранную проницаемость за счёт ионного канала в составе рецептора). К этой же группе относятся рецепторы инозитолтрифосфата и рианодиновые рецепторы (см. рис. 3–10), встроенные в мембраны эндоплазматической сети и фактически являющиеся Ca²⁺ ‑каналами.

 Рецепторы, связанные с G‑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.

 Лиганды связанных с G‑белком мембранных рецепторов: 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–энкефалин и др. (см. табл. 4–1).

Таблица 4–1. Некоторые лиганды для рецепторов, сцепленных с G‑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	Тромбоксан А2
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. Белок G [11]. 1. Выключенное состояние: a‑СЕ связана с гуанозиндифосфатом (ГДФ) и не контактирует с рецептором; 2. При взаимодействии лиганда с рецептором ГДФ заменяется на ГТФ, G‑белок активируется; 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.

 Функциональные формы ‑СЕ G‑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 А₂ и 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_s связывается с Ca²⁺‑каналами типа L в миокарде и в скелетных мышцах).

 Холерный токсин Vibrio cholerae блокирует способность G_s гидролизовать ГТФ. Аденилатциклаза, активированная такой видоизменённой G_s субъединицей, 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.

 Коклюшный токсин Bordetella pertussis модифицирует СЕ G_i (АДФ–рибозилирование), что также приводит к увеличению образования внутриклеточного цАМФ.

 Освобождающие факторы транскрипции рецепторы — 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 метаболизм амилоида.

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).

 Позитивная регуляция. Недостаток химического посредника приводит к увеличению количества активных рецепторов.

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

 Десенситизация рецепторов — 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.