Клеточная мембрана и механизмы передачи биологической информации. Химическая сигнализация И.С.Карпова, кандидат медицинских наук

ОСНОВНЫЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛЯЦИИ МЕТАБОЛИЗМА И МЕЖКЛЕТОЧНОЙ КОММУНИКАЦИИ Для нормального функционирования многоклеточного организма необходима взаимосвязь между отдельными клетками, тканями и органами.

Эту взаимосвязь осуществляют 4 основные системы регуляции Центральная и периферическая нервные системы через нервные импульсы и нейромедиаторы; Эндокринная система через эндокринные железы и гормоны, которые секретируются в кровь и влияют на метаболизм различных клеток-мишеней; Паракринная и аутокринная системы посредством различных соединений, которые секретируются в межклеточное пространство и взаимодействуют с рецепторами либо близлежащих клеток, либо той же клетки (простагландины, гормоны ЖКТ, гистамин и др. Иммунная система через специфические белки (цитокины, антитела).

Иерархия регуляторных систем (3 иерархических уровня) Первый уровень - ЦНС. Нервные клетки получают сигналы, поступающие из внешней и внутренней среды, преобразуют их в форму нервного импульса и передают через синапсы, используя химические сигналы - медиаторы. Медиаторы вызывают изменения метаболизма в эффекторных клетках. Второй уровень - эндокринная система. Включает гипоталамус, гипофиз, периферические эндокринные железы (а также отдельные клетки), синтезирующие гормоны и высвобождающие их в кровь при действии соответствующего стимула. Третий уровень - внутриклеточный. Его составляют изменения метаболизма в пределах клетки или отдельного метаболического пути

Сигнальные молекулы медиаторы эйконазоиды простагландины нейромедиаторы цитокины антитела оксид азота (NO)

Системы регуляции метаболизма. А - эндокринная - гормоны секретируются железами в кровь, транспортируются по кровеносному руслу и связываются с рецепторами клеток-мишеней; Б - паракринная - гормоны секретируются во внеклеточное пространство и связываются с мембранными рецепторами соседних клеток; В - аутокринная - гормоны секретируются во внеклеточное пространство и связываются с мембранными рецепторами клетки, секретирующей гормон.

Механизмы регуляции метаболизма изменения активности ферментов путём активации или ингибирования; изменения количества ферментов по механизму индукции или репрессии синтеза белков или изменения скорости их разрушения; изменения скорости транспорта веществ через мембраны клеток.

Понятие о клеточной стенке, молекулярных (клеточных) рецепторах и их лигандах.

Плазматические мембраны – это липопротеиновые структуры. Липиды спонтанно образуют бислой, а мембранные белки «плавают» в нём, словно острова в океане. В мембранах присутствуют несколько тысяч различных белков: структурные, переносчики, ферменты и другие. Предполагают, что между белковыми молекулами имеются поры, сквозь которые могут проходить гидрофильные вещества (непосредственному их проникновению в клетку мешает липидный бислой). Строение мембраны

Получение клеткой сигнала от первичных посредников обеспечивается особыми белками-рецепторами, для которых первичные посредники являются лигандами. Для обеспечения рецепторной функции молекулы белков должны отвечать ряду требований: обладать высокой избирательностью к лиганду; состояние полной занятости всех молекул рецепторов, число которых на мембране ограничено лигандами; рецепторы должны обладать тканевой специфичностью, отражающей наличие или отсутствие данных функций в клетках органа-мишени; связывание лиганда и его клеточный (физиологический) эффект должны быть обратимы, параметры сродства должны соответствовать физиологическим концентрациям лиганда.

Первичные посредники (сигнальные молекулы) это химические соединения или физические факторы (квант света), способные активировать механизм передачи сигнала в клетке. В зависимости от функций первичные посредники могут быть разделены на несколько групп: гормоны цитокины нейротрансмиттеры факторы роста хемокины

Считается, что молекула рецептора существует в конформационном равновесии между активным и неактивным состояниями. Связывание лиганда может сдвинуть равновесие в сторону активного состояния Существуют три типа лигандов: агонисты смещают это равновесие в сторону активного состояния; обратные агонисты в сторону неактивного состояния; нейтральные антагонисты не влияют на равновесие.

Сигнальные молекулы - гормоны, медиаторы, эйконазоиды, факторы роста, оксид азота (NO) Сигнальными молекулами могут быть неполярные и полярные вещества. Неполярные вещества, например стероидные гормоны, проникают в клетку, проходя через липидный бислой. Полярные сигнальные молекулы в клетку не проникают, но связываются специфическими рецепторами клеточных мембран. Такое взаимодействие вызывает цепь последовательных событий в самой мембране и внутри клетки.

Важное свойство мембран - способность воспринимать и передавать внутрь клетки сигналы из внешней среды "Узнавание" сигнальных молекул осуществляется с помощью белков- рецепторов, встроенных в клеточную мембрану клеток-мишеней или находящихся в клетке. Клетку-мишень определяют по способности избирательно связывать данную сигнальную молекулу с помощью рецептора.

Если сигнал воспринимается мембранными рецепторами, то схему передачи информации можно представить так: взаимодействие рецептора с сигнальной молекулой (первичным посредником); активация мембранного фермента, ответственного за образование вторичного посредника; образование вторичного посредника цАМФ, цГМФ, ИФ3, ДАТ или Са 2+; активация посредниками специфических белков, в основном протеинкиназ, которые, в свою очередь, фосфорилируя ферменты, оказывают влияние на активность внутриклеточных процессов.

Участие рецепторов в трансмембранной передаче сигнала. Рецепторы: 1 - связанные с ионными каналами, например рецептор ГАМК; 2 - с каталитической активностью (рецептор инсулина); 3 - передающие сигнал на фосфолипазу С, например α1-адренорецептор; 4 - с каталитической активностью (гуанилатциклаза, рецептор ПНФ); 5 - передающие сигнал на аденилатциклазу, например β- адренорецепторы; 6 - связывающие гормон в цитозоль или ядре, например рецептор кортизола.

Механизмы активации рецепторов Если внешняя сигнальная молекула воздействует на рецепторы клеточной мембраны и активирует их, то последние передают полученную информацию на систему белковых компонентов мембраны, называемую каскадом передачи сигнала. Мембранные белки каскада передачи сигнала подразделяют на: белки-преобразователи, связанные с рецепторами ферменты-усилители, связанные с белками- преобразователями (активируют вторичные внутриклеточные посредники, переносящие информацию внутрь клетки).Так действуют рецепторы, сопряженные с G-белками. Другие рецепторы (ионные каналы, рецепторы с протеинкиназной активностью) сами служат умножителями.

Механизмы трансмембранной передачи информации: Несмотря на огромное разнообразие сигнальных молекул, рецепторов и процессов, которые они регулируют, существует всего несколько механизмов трансмембранной передачи информации: с использованием аденилатциклазной системы, инозитолфосфатной системы, каталитических рецепторов, цитоплазматических или ядерных рецепторов.

Классификация, структура и функции мембранных рецепторов.

Клеточный рецептор молекула (обычно белок) на поверхности клетки, клеточных органелл или растворенная в цитоплазме, специфически реагирующая изменением своей пространственной конфигурации на присоединение к ней молекулы определенного химического вещества, передающего внешний регуляторный сигнал и, в свою очередь, передающая этот сигнал внутрь клетки или клеточной органеллы, нередко при помощи так называемых вторичных посредников или трансмембранных ионных токов.

Рецепторы По локализации различают мембранные, цитоплазматические и ядерные рецепторы. По другой классификации все рецепторы можно разделить на быстро отвечающие (в пределах миллисекунд) медленно отвечающие, в пределах нескольких минут или даже часов, что характерно для гормонов, передающих сигнал на внутриклеточные рецепторы.

Клеточные рецепторы по структуре делятся на следующие классы: мембранные цитоплазматические Ядерные Каталитические рецепторы (рецепторные тирозинкиназы) рецепторы, сопряжённые с G-белками ионные каналы

Мембранные рецепторы распознают крупные (например, инсулин) или гидрофильные (например, адреналин) сигнальные молекулы, которые не могут самостоятельно проникать в клетку. Небольшие гидрофобные сигнальные молекулы (например, трийодтиронин, стероидные гормоны, CO, NO) способны проникать в клетку за счёт диффузии. Рецепторы таких гормонов обычно являются растворимыми цитоплазматическими или ядерными белками. После связывания лиганда с рецептором информация об этом событии передаётся дальше по цепи и приводит к формированию первичного и вторичного клеточного ответа.

Рецепторы первого типа - интегральные олигомерные белки, содержащие субъединицу, имеющую центр для связывания сигнальной молекулы и центральный ионный канал. Рецепторы второго типа, локализованные в мембранах и не связанные с каналами, подразделяют на 2 большие группы: каталитические рецепторы, обладающие собственной тирозин-киназной или гуанилатциклазной активностью рецепторы, взаимодействующие через G-белок с мембранным ферментом.

Трансмембранные рецепторы мембранные белки, которые размещаются и работают не только во внешней клеточной мембране, но и в мембранах компартиментов и органелл клетки. Связывание с сигнальной молекулой (гормоном или медиатором) происходит с одной стороны от мембраны, а клеточный ответ формируется на другой стороне от мембраны. Таким образом, они играют уникальную и важную роль в межклеточных связях и передаче сигнала.

Полипептидные цепи простейших из этих рецепторов пересекают липидный бислой лишь один раз, между тем как многие семь раз (например, связанные с G-белками рецепторы).

Классификация трансмембранных рецепторов Большинство трансмембранных рецепторов относится к одному из трёх классов, выделяемых по основному механизму трансдукции сигнала: инотропные метаботропные трансмембранные рецепторы.

Ионотропные рецепторы, или рецепторы, сопряжённые с ионными каналами, участвуют, например, в быстрой передаче синаптических сигналов между нейронами и другими клетками-мишенями, которые могут воспринимать электрические сигналы. Метаботропные рецепторы передают химические сигналы. Они подразделяются на два больших класса: рецепторы, сопряжённые с G-белками, и рецепторы, сопряжённые с ферментами. Рецепторы, сопряжённые с G-белками, также называются рецепторы с семью трансмембранными доменами. Это трансмембранные белки с внешним сегментом для связывания лиганда, мембранным сегментом и цитозольным сегментом, связанным с G-белком.

Рецепторы, сопряженные с G белком, (англ. G protein-coupled receptors, GPCRs), также известные как семиспиральные рецепторы или серпентины, составляют большое семейство трансмембранных рецепторов. GPCR выполняют функцию активаторов внутриклеточных путей передачи сигнала, приводящими в итоге к клеточному ответу Нарушение работы GPCR приводит к возникновению множества различных заболеваний, а сами рецепторы являются мишенью для 40 % выпускаемых лекарств

Лиганды, которые связываются и активируют эти рецепторы, включают гормоны, факторы роста, нейромедиаторы, другие эндогенные лиганды. Они варьируют в своих размерах от небольших молекул и пептидов до белков. Функция около 150 рецепторов, обнаруженных в геноме человека, остаётся невыясненной.

Рецепторы, сопряженные с G- белками, имеют семь α-спиралей, пронизывающих мембрану

Физиологическая роль рецепторов, связанных с G- белками зрение: формируется путем превращения электромагнитного излучения в клеточные сигналы (Родопсин) обоняние: рецепторы обонятельного эпителия связывают пахучие вещества (обонятельные рецепторы) регуляция поведения и настроения: рецепторы в мозге связывают несколько нейромедиаторов регуляция активности иммунной системы и воспаления: хемокиновые рецепторы осуществляют межклеточную коммуникацию в иммунной системе; гистаминовые рецепторы связывают медиаторы воспаления функционирование вегетативной нервной системы: как симпатическая, так и парасимпатическая нервная система регулируются посредством рецепторов, ответственных за поддержание АД, ЧСС и пищеварительных процессов

Существует также G-белки, лиганды и стимулы для которых ещё не определены, их называют рецепторами-сиротами, или орфановыми рецепторами (orphan receptors).

Лиганд-рецепторное взаимодействие

Механизм передачи сигнала предполагает примерно следующую схему: взаимодействие внешнего агента (стимула) с клеточным рецептором, активация эффекторной молекулы, находящейся в мембране и отвечающей за генерацию вторичных посредников, образование вторичных посредников, активация посредниками белков-мишеней, вызывающих генерацию следующих посредников, исчезновение посредника.

Лиганд-рецепторное взаимодействие неактивный G-белок связан с рецептором в его неактивном состоянии. Как только лиганд распознан, рецептор меняет конформацию и таким образом механически активирует G-белок, который отсоединяется от рецептора. Теперь рецептор может или активировать следующий G-белок, или переключиться обратно в своё неактивное состояние.

В большинстве случаев передача сигнала внутри клетки представляет собой цепь последовательных биохимических реакций, осуществляемых ферментами, часть из которых активируется вторичными посредниками. Такие процессы обычно являются быстрыми: их продолжительность порядка миллисекунд в случае ионных каналов и минут в случае активации протеинкиназ и липид-опосредованных киназ. Однако в некоторых случаях от получения клеткой сигнала до ответа на него могут проходить часы и даже сутки (в случае экспрессии генов)

Пути передачи сигнала, или сигнальные пути, часто бывают организованы как сигнальные каскады (англ. signal cascade): количество молекул белков и других веществ, принимающих участие в передаче сигнала, возрастает на каждом последующем этапе по мере удаления от первоначального стимула. Таким образом, даже относительно слабый стимул может вызывать значительный ответ. Это явление называется амплификацией сигнала.

Вторичные посредники Вторичные посредники (англ. second messenger) это низкомолекулярные вещества, которые образуются или высвобождаются в результате ферментативной активности одного из компонентов цепи передачи сигнала и способствуют его дальнейшей передаче и амплификации. Вторичные посредники характеризуются следующими свойствами: имеют небольшую молекулярную массу и с высокой скоростью диффундируют в цитоплазме; быстро расщепляются и быстро удаляются из цитоплазмы.

Ко вторичным посредникам относятся: ионы кальция (Ca2+); циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) и циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ) инозитолтрифосфат липофильные молекулы (например, диацилглицерол); оксид азота (NO) (эта молекула выступает и в роли первичного посредника, проникающего в клетку извне).

Иногда в клетке образуются и третичные посредники. Так, обычно ионы Ca2+ выступают в роли вторичного посредника, но при передаче сигнала с помощью инозитолтрифосфата (вторичный посредник) выделяющиеся при его участии из ЭПР ионы Ca2+ служат третичным посредником.

Различные клетки организма в зависимости от выполняемых ими функций имеют определённый набор рецепторов. В мембране одной клетки может быть более десятка разных типов рецепторов. Взаимодействуя с рецептором, внеклеточные химические посредники оказывают влияние на метаболизм и функциональное состояние (пролиферация, секреция и т.д.) клеток-мишеней.

Общие свойства возбудимых тканей

Общие физиологические свойства тканей Возбудимость - способность ткани отвечать на раздражение возбуждением. Возбудимость зависит от уровня обменных процессов и заряда клеточной мембраны. Показатель возбудимости - порог раздражения - та минимальная сила раздражителя, которая вызывает первую видимую ответную реакцию ткани. Возбудимость и порог раздражения - обратно пропорциональные величины. Проводимость - способность ткани проводить возбуждение по всей своей длине. Показатель проводимости - скорость проведения возбуждения. Скорость проведения возбуждения по скелетной ткани м/с, по нервной ткани до 120 м/с. Проводимость зависит от интенсивности обменных процессов, от возбудимости (прямо пропорционально).

Свойства возбудимых тканей (продолжение) Рефрактерность (невозбудимость) - способность ткани резко снижать свою возбудимость при возбуждении. В момент самой активной ответной реакции ткань становится невозбудимой. Различают: абсолютно рефрактерный период - время, в течение которого ткань не отвечает абсолютно ни на какие возбудители; Oтносительный рефрактерный период - ткань относительно невозбудима - происходит восстановление возбудимости до исходного уровня. Показатель рефрактерности - продолжительность рефрактерного периода (t). Продолжительность рефрактерного периода у скелетной мышцы мс, а у нервной ткани -0,5-5 мс. Рефрактерность ткани зависит от уровня обменных процессов и функциональной активности (обратная зависимость).

Свойства возбудимых тканей (продолжение) Лабильность (функциональная подвижность) - способность ткани воспроизводить определенное число волн возбуждения в единицу времени в точном соответствии с ритмом наносимых раздражений. Это свойство характеризует скорость возникновения возбуждения. Показатель лабильности: максимальное количество волн возбуждения в данной ткани: нервные волокна импульсов в секунду, мышечная ткань импульсов в секунду, синапс импульсов в секунду. Для мышечной ткани к четырем перечисленным свойствам добавляется пятое - сократимость.

Основным свойством любой ткани является раздражимость, т. е. способность ткани изменять свои физиологические свойства и проявлять функциональные отправления в ответ на действие раздражителей. Раздражители – это факторы внешней или внутренней среды, действующие на возбудимые структуры. Различают две группы раздражителей: 1) естественные; 2) искусственные: физические. Классификация раздражителей по биологическому принципу: 1) адекватные, которые при минимальных энергетических затратах вызывают возбуждение ткани в естественных условиях существования организма; 2) неадекватные, которые вызывают в тканях возбуждение при достаточной силе и продолжительном воздействии.

Законы устанавливают зависимость ответной реакции ткани от параметров раздражителя. Существуют три закона раздражения возбудимых тканей: 1) закон силы раздражения; 2) закон длительности раздражения; 3) закон градиента раздражения. Закон силы раздражения устанавливает зависимость ответной реакции от силы раздражителя. Эта зависимость неодинакова для отдельных клеток и для целой ткани. Для одиночных клеток зависимость называется «все или ничего». Характер ответной реакции зависит от достаточной пороговой величины раздражителя.

Законы устанавливают зависимость ответной реакции ткани от параметров раздражителя. Существуют три закона раздражения возбудимых тканей (продолжение): Закон длительности раздражений. Ответная реакция ткани зависит от длительности раздражения, но осуществляется в определенных пределах и носит прямо пропорциональный характер. Закон градиента раздражения. Градиент – это крутизна нарастания раздражения. Ответная реакция ткани зависит до определенного предела от градиента раздражения.