Сигнальная функция биологических мембран

Основные регуляторные механизмы клетки

Одно из условий существования живых организмов – согласованное протекание всех химических и физических процессов в клетке. В процессе эволюции происходил отбор и закрепление тех регуляторных механизмов, которые наиболее эффективно обеспечивали согласованность физико-химических процессов в биологических системах. Создание новых, более совершенных форм регуляции не проводило к исчезновению менее совершенных. Среди регуляторных механизмов можно найти и сравнительно простые, реализуемые на уровне одноклеточных организмов, и более поздние высокоэффективные способы воздействия на активность клеток, тканей, органов. У многоклеточных организмов для поддержания целостности организма, координации активности тканей и осуществления гибкой регуляции физиологических функций клеток в процессе эволюции выработался сложный механизм межклеточных взаимодействий, который реализуется с помощью сигнальных молекул. В то же время этот сложная система регуляции включает в себя и относительно простые механизмы, которые реализуются как самостоятельные регуляторные пути на уровне отдельной клетки.

В настоящей главе сделаем попытку обсудить известные механизмы клеточной регуляции, отличающиеся уровнем организации.

Наиболее многообразные функции в клетке выполняют белки, поэтому в большинстве случаев регуляция клеточной активности сводится к регуляции активности именно белковых молекул. Практически все биохимические реакции в клетке катализируются ферментами. В связи с этим одним из важнейших путей регуляции клеточных функций является изменение активности ферментов.

Первый путь регуляции клеточных функций обусловлен изменением активности ферментов.

В качестве второго пути регуляции клеточной активности следует назвать изменение компартментализации веществ. Роль компартментализации (пространственного разделения) метаболических процессов в клетках эукариот очень велика. Локализация специфических метаболических процессов в цитозоле или в клеточных органоидах облегчает независимую регуляцию этих процессов и позволяет осуществить наиболее тонкую регуляцию метаболизма. Поскольку ферменты и субстраты зачастую разделены мембраной, изменение ее проницаемости для субстратов, несомненно, скажется на ходе ферментативных реакций.

В связи с тем, что многие ферменты клетки встроены в цитоплазматические мембраны, существует третий путь регуляции клеточной активности – так называемая топодинамическая регуляция, основанная на динамической неоднородности распределения белков в мембране, их способности образовывать ассоциации.Объединение ферментов, катализирующих многоступенчатую последовательность метаболических реакций, в макромолекулярный комплекс позволяет координировать их работу и обеспечивает перемещение интермедиатов по метаболическому пути. Адекватное взаимное расположение ферментов облегчает перенос продукта от одного фермента к другому без его предварительного уравновешивания с метаболическим пулом. Конформационные изменения в одном из компонентов могут передаваться через белковые взаимодействия на другие компоненты комплекса, что позволяет усиливать регуляторные эффекты. Перестройки конформации ферментов зависят от их липидного окружения. Поскольку скорость латеральной диффузии белков в мембране меньше, чем скорость диффузии белков в цитозоле, то распределение ферментов в мембране может контролировать распределение ферментов в цитозоле. В связи со способностью ферментов изменять взаимное расположение, для протекания реакций является важным, в каком участке клетки находится фермент и какие «соседи» расположены рядом. Для полного описания клеточного метаболизма или его звена необходимо, наряду с активностью фермента. вводить его пространственные координаты, которые являются функцией от времени.

Кроме белков, определенный вклад в топодинамическую регуляцию вносят липиды. Примером может служить так называемая «молекулярная память» липидов. Многие краткосрочные события в мембране влияют на долговременные параметры ее функционирования. Например, взаимодействие лиганда с беком-рецептором приводит к изменению конформации белка-рецептора, что, в свою очередь, вызывает изменение белок – липидных контактов, а это ведет к изменению состояния мембранных липидов. Это измененное состояние липидного бислоя сохраняется и после отсоединения лиганда от рецептора, что служит способом закрепления рецептора в возбужденном состоянии. Таким образом, бислой липидов способен воспринимать и сохранять в памяти информацию об измененном состоянии белков мембраны.

Следующим, четвертым способом регуляции клеточной активности является химическая модификация ферментов и других белков. В зависимости от того, какая химическая группа присоединяется к белку, различают ацетилирование, аденилирование, гидроксилирование, метилирование, фосфорилирование и др. В ряде случаев белки подвергаются химической модификации еще в процессе рибосомального синтеза. Присоединение химической группы изменяет функциональную активность или свойства белка, например, устойчивость к протеолизу. Некоторые модификации белка (гидроксилирование, метилирование) сохраняются в течение всей его жизни, некоторые – в течение нескольких часов, суток (ацетилирование, аденилирование), минут (фосфорилирование). Наиболее хорошо изучено фосфорилирование белков, которое представляет собой присоединение к белку фосфатной группы. Ферменты, отвечающие за присоединение фосфатных групп к белковым молекулам, называют протеинкиназами. Источником фосфатной группы служит ATP. Обратную реакцию (дефосфорилирование) осуществляют протеинфосфатазы. Различают серин – треониновые протеинкиназы и тирозининазы. Первые фосфорилируют белки по остаткам серина и треонина, вторые – по остаткам тирозина. Несмотря на то, что белок содержит много остатков серина, треонина или тирозина фосфорилирование происходит избирательно и затрагивает лишь небольшое число (1 – 3) остатков. Дефосфорилирование осуществляют протеинфосфатазы двух типов: серин – треонинифосфатаза и тирозинфосфатаза. Обратимо модифицированные ферменты могут находиться в двух состояниях, одно из которых характеризуется высокой, а другое – низкой каталитической активностью. В зависимости от конкретного случая более эффективным катализатором может быть либо фосфо -, либо дефосфофермент (рис. 19).

Другим способом химической модификации белков служит ограниченный протеолиз, который представляет собой избирательное расщепление белка на фрагменты. Ферменты, осуществляющие протеолиз, называются протеазами. Так, многие ферменты производятся в виде проферментов. Для перехода их в активное состояние происходит отщепление фрагмента полипептидной цепи. Благодаря ограниченному протеолизу клетка в ответ на сигнал может увеличить количества активного фермента без транскрипции и трансляции.

В качестве пятого способа регуляции клеточной активности следует назвать экспрессию генома. Регуляция количества белка в клетке осуществляется посредством индукции и репрессии его синтеза, т.е. в результате изменения скорости транскрипции соответствующего гена. Согласно модели Жакоба и Моно у прокариот индуктором синтеза белка является субстрат. У многоклеточных эукариот роль индукторов выполняют специфические регуляторы, например, тиреоидные и стероидные гормоны. Подробнее этот вопрос будет рассмотрен далее.

И, наконец, шестым способом регуляции активности клеток является система, связанная с так называемыми вторичными посредниками (медиаторами, мессенджерами). Для поддержания целостности организма, координации активности тканей и тонкой регуляции функций клеток в процессе эволюции у многоклеточных организмов выработался сложный механизм межклеточных взаимодействий, который осуществляется с помощью сигнальных молекул. Вследствие взаимодействия сигнальной молекулы с рецептором мембраны внутри клетки вырабатываются так называемые вторичные посредники, которые запускают каскадный механизм, приводящий в конечном итоге к изменению активности клетки. Если сигнальная молекула является гидрофобным соединением и способна проникать внутрь клетки, то, как мы увидим далее, вторичные посредники не образуются. В следующей главе остановимся более подробно именно на внутриклеточной регуляции, опосредованной вторичными мессенджерами.

Общая характеристика системы регуляции клеточной активности, обусловленной вторичными посредниками

Типы межклеточной сигнализации

В животных организмах в зависимости от расстояния, на которое распространяется действие сигнальных молекул, выделяют 4 типа сигнализации – эндокринную, паракринную, синаптическую и аутокринную.

Эндокринная сигнализация предполагает, что сигнальные молекулы, чаще всего гормоны, образуются в клетках (эндокринные железы), находящихся на значительном расстоянии от клеток – мишеней, к которым доставляются, как правило, с током крови.

При паракринной регуляции сигнальные молекулы, выделяемые секреторной клеткой, действуют на близлежащие клетки – мишени.

Синаптическая передача, характерная только для нервной системы, в настоящем пособии рассматриваться не будет.

При аутокринной сигнализации сигнальная молекула, продуцируемая данной клеткой, оказывает воздействие на эту же самую клетку. Этим путем действуют многие факторы роста.

Межклеточная коммуникация посредством внеклеточных сигнальных молекул включает несколько основных этапов:

· Биосинтез сигнальных молекул

· Секреция сигнальных молекул

· Транспорт сигнальных молекул к клеткам – мишеням

· Восприятие сигнала специфическим рецептором

· Изменение клеточного метаболизма или экспрессии генов, запускаемое лиганд* – рецепторным комплексом

· Устранение действия сигнального механизма и прекращение клеточного ответа на сигнал

* - под лигандом здесь понимается сигнальная молекула.

Классификация сигнальных молекул

Межклеточные сигнальные молекулы, в отличие от вторичных посредников, часто называют первичными посредниками. Рассмотрим классификацию, которая учитывает химическую структуру сигнальной молекулы и способ ее действия.

1) Небольшие липофильные молекулы, которые диффундируют через мембрану и связываются с внутриклеточными рецепторами.

2) Липофильные молекулы, которые взаимодействуют с рецепторами клеточной мембраны.

3) Гидрофильные молекулы, которые взаимодействуют с рецепторами клеточной мембраны.

К первой группе относятся стероидные гормоны, вырабатываемые половыми железами и корой надпочечников, а также тиреоидные гормоны. Рецепторы стероидных гормонов обладают высокой избирательностью к лиганду. Они представлены крупными белками (50 – 120 кДа), в отсутствие гормона расположенных в цитоплазме или ядре, и включающих ряд доменов, которые выполняют определенные функции. Информация об этом представлена в таблице 2.

Таблица 2.

Домены внутриклеточных рецепторов

Домен	Функция
Гормон – связывающий домен	Связывание гормона
ДНК – связывающий и сайт – специфический домены	Участвуют в узнавании специфических нуклеотидных гормон – респонсивных элементов (энхансеров) и последующее связывание рецептора с ДНК

В неактивном состоянии рецептор стероидного гормона присутствует в клетке в виде комплекса с белком – ингибитором. Связывание гормона с рецептором вызывает конформационные изменения в молекуле рецептора, что приводит к уменьшению его сродства к белку – ингибитору и диссоциации комплекса. Затем происходит димеризация рецепторов, что повышает его сродство к ДНК. Итогом является инициация транскрипции определенных генов.

Ко второй группе сигнальных молекул относятся производные арахидоновой кислоты – эйкозаноиды (от греческого слова eikosi – 20). Их представителями являются простагландины, лейкотриены, простациклины и тромбоксаны. Эйкозаноиды образуются практически во всех клетках, их биосинтез инициируется фосфолипазой А_2. Эйкозаноиды регулируют многие физиологические процессы: стимуляцию сокращения гладкомышечных клеток, болевые и воспалительные реакции, секрецию желудочного сока, агрегацию тромбоцитов и др. Наиболее хорошо из этой группы сигнальных молекул изучены простагландины. В отличие от классических гормонов простагландины синтезируются во всех типах тканей, а не в специализированных эндокринных клетках. Секреция простагландинов идет конститутивно с невысокой скоростью. При поступлении регуляторных сигналов скорость секреции возрастает. В отличие от других липофильных сигнальных молекул простагландины действуют через мембранные рецепторы. Их регуляторное действие распространяется как на синтезирующие их клетки (аутокринное действие), так и на близлежащие клетки (паракринное действие).

Третью группу сигнальных молекул составляют гидрофильные гормоны, факторы роста, лимфокины (цитокины), нейротрансмиттеры. Гормоны вырабатываются специализированными эндокринными железами или клетками, транспортируются к клеткам – мишеням посредством кровотока. Иногда факторы роста и цитокины объединяют в группу гистогормонов. Общим для них является следующее:

· вырабатываются обычными неэндокринными клетками

· распространяются путем диффузии в межклеточное пространство

· оказывают паракринное или аутокринное действие

Факторы роста представляют собой белки, которые стимулируют (ингибируют) деление и развитие определенных клеток. Примеры факторов роста:

· эпидермальный фактор роста

· фактор роста нейронов

· фактор роста фибробластов и др.

Цитокины участвуют в воспалительных, иммунных и других защитных реакциях организма. В связи с этим они вырабатываются клетками иммунной системы. Примерами цитокинов могут служить интелейкины и интерфероны.

Общим механизмом действия гидрофильных сигнальных молекул является запуск каскадов внутриклеточных сигналов, приводящих к определенным физиологическим эффектам.

2.3 Общая схема действия гидрофильных сигнальных молекул

Сигнальная система, возбуждающаяся посредством гидрофильных сигнальных молекул, включает три основных компонента.

1) Рецептор, специфически узнающий и взаимодействующий с сигнальной молекулой.

2) Трансдуктор сигнала – гетеротримерный ГТФ – связывающий белок (G – белок) (рис 20).

3) Эффектор, воспринимающий и усиливающий сигнал.

Взаимодействие лиганда с рецептором вызывает запуск каскадного механизма, усиливающего исходный сигнал, что сопровождается образованием вторичного посредника. Внутриклеточный медиатор вызывает активацию соответствующей протеинкиназы, фосфорилирующей определенные белки, что, в конечном счете, ведет к физиологическому эффекту.

Сигнальная молекула

Фосфорилированный предшественник

Вторичный мессенджер

Внутриклеточный эффектор

Клеточный ответ

Рис. 20. Механизмы передачи сигнала с участием вторичных посредников.

Ниже приведем подробную характеристику компонентов этой регуляторной системы.

Классификация мембранных рецепторов

Общие свойства рецепторов

Рецепторы представляют собой интегральные белки, которые связывают сигнальные вещества на внешней поверхности мембраны. За счет изменения пространственной структуры они генерируют новый сигнал на внутренней стороне мембраны. Этим сигналом определяются дальнейшие события, приводящие к физиологическому ответу. Рецепторы находятся в двух состояниях – активном и неактивном. Равновесие между этими двумя состояниями зависит от природы лиганда, связывающегося с рецептором. Агент, который переводит рецептор в активное состояние, называется агонистом. В неактивное состояние рецептор переводит антагонист.

Все рецепторы обладают рядом характеристик. Сведения об этом приведены в таблице 3.

3.2 Классификация рецепторов

Один из подходов к классификации рецепторов учитывает агонисты, с которыми взаимодействует рецептор. В этой связи выделяют холинэргические, адренэргические, допаминэргические, серотониновые и др. рецепторы.

Дата добавления: 2015-04-24