Механізми міжклітинних взаємодій
В одноклітинних організмів єдина клітина здійснює всі функції, необхідні для життєдіяльності: вона може рухатись, засвоює поживні речовини з навколишнього середовища, у процесі обміну речовин отримує з них енергію та синтезує молекули. У багатоклітинних організмах ситуація є набагато складнішою. Для існування багатоклітинного організму необхідна досконала система координації поведінки клітин, яку зумовлено міжклітинною сигналізацією. Можливо, саме із цим пов'язано те, що після виникнення одноклітинних організмів, подібних до сучасних бактерій, багатоклітинні організми з'явилися майже через 2,5 млрд років.
Міжклітинна сигналізація є необхідною для регулювання розвитку клітин і для їх організації у тканині, для контролю росту та поділу клітин і для координації їхньої різноманітної активності. У виконанні функцій організму беруть участь багато клітинних популяцій, тканин та органів, які часто розташовані на значній відстані, і для їх здійснення мають існувати механізми, за допомогою яких окремі клітини або їхні групи могли б взаємодіяти.
Велике значення у взаємодії клітин, а також клітин з позаклітинним матриксом мають різні молекули клітинної адгезії (від лат. adhaesio - прилипання). Між сусідніми клітинами може підтримуватися безпосередній зв'язок за допомогою високопроникних контактів - щілинних з'єднань.
У багатоклітинних організмів виявлено феномен запрограмованої смерті клітин - апоптоз. Це складний регульований процес, у якому задіяні численні сигнальні шляхи. Апоптоз відіграє важливу роль у контролі за кількістю клітин як під час розвитку організму, так і впродовж його життя. Це важливий засіб видалення небажаних клітин, а також нежиттєздатних, інфікованих вірусами тощо. Існують принаймні два типи шляхів розвитку апоптозу: 1) при дії зовнішніх сигналів на відповідні рецептори; 2) мітохондріальний шлях розвитку апоптозу.
Вирішальна роль у координації функції клітин організму належить нервовій та ендокринній системам. Найчастіше нервові клітини, як і ендокринні, здійснюють хімічну сигналізацію. Відмінність полягає в тому, що нервові клітини передають сигнали значно швидше, ніж ендокринні. У вигляді потенціалу дії електричний сигнал швидко поширюється по нервовому волокну. У нервовому закінченні він перетворюється на хімічний сигнал, де відбувається виділення нейромедіатора. Нейромедіатор досягає клітини-мішені за допомогою дифузії на мікроскопічне малу відстань, що триває менше однієї мілісекунди, і взаємодіє з відповідним рецептором.
Ендокринна система здійснює секрецію різноманітних речовин - гормонів. Гормони транспортуються кров'ю до місця їхньої дії. Вони специфічно змінюють активність певних чутливих до них клітин-мішеней. Гормони, що виділяються ендокринними клітинами, потрапляючи у кровотік, спроможні діяти в дуже малих концентраціях (нижче 10–2 моль/л). Концентрація нейромедіатора біля певної ділянки клітини-мішені може бути досить високою. Наприклад, концентрація ацетилхоліну в синаптичній щілині нервово-м'язового з'єднання досягає приблизно 5 • 10–4 моль/л. Узагалі ж механізми хімічної сигналізації гормонами й медіаторами є подібними, й багато сигнальних молекул, що використовуються ендокринними клітинами, є також і нейромедіаторами.
На рис. 10.1 наведено різні типи хімічної сигналізації. Сигнальні молекули, які секретує клітина, можуть діяти на ту саму клітину - це аутокринна сигналізація.
Рис. 10.1. Різні типи хімічної сигналізації в організмі (за схемою С.Сиайдера, 1985):
а - аутокринна взаємодія; б- паракринна взаємодія (сигнальні молекули діють на сусідні клітини); в - ендокринна сигналізація (гормони потрапляють у кров і переносяться до клітин-мішеней); г - нейромедіаторна передача; д - нейроендокринна секреція
Деякі сигнальні молекули діють лише на близько розташовані клітини - паракринна сигналізація. Такі локальні хімічні посередники або швидко поглинаються клітинами, або швидко руйнуються. Прикладом таких посередників є простагландини - родина похідних жирних кислот. Вони швидко розщеплюються спеціальними ферментами. Простагландини викликають, зокрема, скорочення гладеньких м'язів, агрегацію тромбоцитів і запальну реакцію. На рис. 10.1 зображено також гормональну, нейрогормональну й синаптичну сигналізації.
Кожна клітина багатоклітинного організму впродовж свого розвитку програмується на відповідь на певний набір специфічних сигналів, які діють у різноманітних комбінаціях і регулюють поведінку клітини. Вони визначають життя або смерть клітини, її проліферацію або перебування у статичному стані. Міжклітинна сигналізація потребує як наявності позаклітинних сигнальних молекул - первинних посередників, так і відповідних рецепторних білків у кожній клітині. Останні зв'язують сигнальні молекули й зумовлюють належну відповідь клітини. Деякі невеликі гідрофобні сигнальні молекули (стероїди, тиреоїдні гормони, ретиноїди) дифундують через плазматичну мембрану клітини-мішені й активують внутрішньоклітинні рецепторні білки, які безпосередньо регулюють транскрипцію специфічних генів. Виконуючи сигнальну функцію, деякі розчинні гази, такі як оксид азоту (NО) і монооксид вуглецю (СО) дифундують через плазматичну мембрану клітини-мішені й активують фермент - гуанілілциклазу. Але більшість позаклітинних сигнальних молекул є гідрофільними й здатні активувати рецепторні білки лише на поверхні клітин-мішеней. Існують три головні родини рецепторів клітинної поверхні, кожна з яких перетворює зовнішній сигнал у власний спосіб:
1) рецептори, що асоційовані з іонними каналами, - це лігандкеровані іонні канали, які відкриваються або закриваються у відповідь на дію нейромедіатора. Вони мають назву іонотропних рецепторів;
2) рецептори, зв'язані з G-білками (метаботропні рецептори). Вони непрямим шляхом через G-білки активують або інактивують ферменти, зв'язані з мембраною, або іонні канали. Ці рецептори діють як перетворювачі сигналів і зумовлюють виникнення внутрішньоклітинних сигналів вторинних посередників, які забезпечують відповідь клітини;
3) рецептори, сполучені із ферментами. Вони або безпосередньо діють як ферменти, або асоційовані із ферментами. Найчастіше це протеїнкінази, які фосфорилюють специфічні білки клітин-мішеней.
Зв'язок між різними сигнальними каскадами надає можливість клітині інтегрувати інформацію, яку вона отримує, сприймаючи різноманітні сигнали.