Виды регуляции, осуществляемой сигнальными молекулами

Вид регуляции информонами	Общая характеристика регуляции	Конкретные случаи данного вида регуляции
Эндокринная	Гормоны из желез переносятся кровью к отдаленным органам (тканям)-мишеням	Кортикотропин, вырабатываемый аденогипофизом, воздействует на кору надпочечников. Вазопрессин из нейрогипофиза влияет на клетки почечных канальцев
Паракринная	Сигнальные молекулы действуют на близлежащие клетки	Инсулин из B(β)-клеток поджелудочной железы подавляет секрецию глюкагона A(α)-клетками, находящимися здесь же. Соматостатин, вырабатываемый D(δ)-клетками островков Лангерганса, снижает выделение и инсулина, и глюкагона.
Аутокринная	Секреторная клетка является сама же своей мишенью	В островках Лангерганса поджелудочной железы инсулин, синтезируемый в β-клетках, регулирует собственную выработку в этих же клетках.

Среди сигнальных молекул есть неполярные, например, стероидные гормоны, йодтиронин, ретиноевая кислота, которые попадают внутрь клеток-мишеней, преодолевая плазматические мембраны и полярные (белки, полипептиды, катехоламины и др.), которые в клетки не проникают. Они связываются на их поверхности со специализированными белками-рецепторами, которые и отвечают за передачу сигналов. Образование комплекса «сигнальная молекула – рецептор» инициирует цепь последовательно протекающих событий внутри клеток. Изучение их характера позволяет раскрыть механизм передачи сигнала и механизм действия различных информонов.

Считают, что сигнальные молекулы регулируют как минимум два вида клеточной активации. Это могут быть процессы, не затрагивающие геном и эффекты, сопровождающиеся ускорением экспрессии генов.

Не касаясь пока гормонов, кратко о других сигнальных молекулах.

Медиаторы – группа гормоноидов с пара- и аутокринным действием, вырабатываемых в клетках различных тканей и органов, нередко с конкретной целью. Например, медиаторы воспаления представляют из себя факторы, формирующие видимые проявления этого процесса: боль, отек, покраснение, локальное повышение температуры. В их число входят гистамин, серотонин, кинины, эйкозаноиды, цитокины и др.

Дж. Э. Пирс в 1968 году назвал клетки, способные секретировать такие сигнальные молекулы, «апудоцитами» и выдвинул концепцию APUD-системы (АРИД – это аббревиатура от англ. фразы Amine Precursor Uptake, Decarboxylate – предшественников аминов захват, декарбоксилирование).

Он считал, что секреторные клетки, находящиеся в различных тканях и органах и формирующие APUD-систему, имеют общие черты: содержат амины, могут in vivo захватывать их предшественников, т. е. аминокислоты, содержат ферменты декарбоксилазы аминокислот.

В эту систему он объединил 12 типов клеток (нейроэндокринные, энтерохромаффинные, аргептаффинные, осмофильные и др.), секретирующих 15 гормонов (ГАМК, дофамин, триптамин, гистамин и т. д.).

Впоследствии количество видов «апудоцитов» достигло 50 и более. Их обнаружили в различных органах как обладающих, так и не обладающих эндокринной функцией (гипофизе, эпифизе, щитовидной и паращитовидной железах, желудочно-кишечном тракте, поджелудочной железе, печени, надпочечниках, пищеводе, трахее, бронхах, почках и др.).

Оказалось, что эти клетки продуцируют не только амины, они могут образовывать и регуляторные пептиды (атриопептизин, секретин, энтерогастрон, химоденин, вилликинин, холецистокинин-панкреозимин, ЖИП, VIP, субстанция Р, мотилин и т. д.) и даже химические соединения другой природы. К последним относятся гепарин – гетерополисахарид, образующийся в тучных клетках соединительной ткани, полиамины (спермин, спермидин), закись азота (NO˙ - сигнальная молекула), синтезирующиеся во многих тканях организма и другие.

В настоящее время представление об APUD-системе имеет исторический интерес.

Эйкозаноиды – медиаторы, обладающие широким спектром биологической активности. В эту группу сигнальных молекул входят простагландины, простациклины, тромбоксаны, лейкотриены. Все они синтезируются из полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), содержащих 20 углеродных атомов (греч. είκοςί, эйкози – двадцать). Именно поэтому их называют эйкозаноиды.

В организме они представлены тремя семействами, синтезируемыми из ПНЖК, содержащими от 3-х до 5-ти двойных связей: эйкозатриеновой ( C₂₀: Δ^{8, 11, 14}, ω- 6), эйкозатетраеновой (арахидоновой, C₂₀: Δ^{5, 8, 11, 14}, ω – 6), эйкозапентаеновой (тимнодоновой, C₂₀: Δ^{5, 8, 11, 14, 17}, ω – 3). Наиболее активными являются эйкозаноиды второго семейства, образованные из арахидоновой кислоты. (рис. 1.2)

Указанные кислоты освобождаются из свободных глицерофосфолипидов фосфолипазой А₂, ингибиторами которой являются стероидные гормоны. Они также могут синтезироваться из линолевой кислоты, попадающей в организм с пищей. Она, как известно, для человека является незаменимым (эссенциальным) фактором – витамин F.

Эйкозаноиды – чрезвычайно лабильные вещества. Так, простагландины при однократном прохождении через легкие почти полностью окисляются и теряют 98% своей активности. Тромбоксан А₂ (ТхА₂) при 37˚С имеет период полужизни 30 сек. Простациклины также нестабильны. Период полужизни (Т¹/₂) их составляет всего 2 – 3 минуты при нейтральном рН. Все они быстро катаболизируют. При этом происходит их окисление с ω-конца и образование растворимых дикарбоновых кислот, которые далее включаются в общий метаболический пул.

Первоначально были открыты простагландины. Их рассматривали как компоненты секрета предстательной железы – простаты. Отсюда название, которое им дал Эйлер (1937г.). Сейчас известно, что они образуются во всех клетках тканей организма, за исключением эритроцитов.

Номенклатура простагландинов несовершенна. Различия циклической части в структуре простагландинов отображены в делении их на несколько типов, обозначаемых буквами латинского алфавита (A, B, C, D, E, F, G, H). Число двойных связей в боковых частях молекул показано подстрочными цифровыми индексами (например, Pg E₇, Pg E₂, Pg E₃).

Биосинтез простагландинов включает внедрение кислорода в ПНЖК – предшественники и формирование циклопентанового кольца (рис. 1.2). Это происходит под действием оксигеназы, входящей в состав полиферментного комплекса – простагландинсинтазы. Вначале образуются биологически активные промежуточные продукты – эндопероксиды простагландинов (Pg H₂), превращающиеся в разных клетках тканей в неодинаковые конечные продукты (Pg E₂, Pg F₂, Pg A₂), тромбоксаны (ТхА₂), простациклины (Pg I₂). Лейкотриены (Lt A, B, C), не имеющие в своей структуре цикла, образуются под действием липоксигеназы.

Из линолевой кислоты (С₁₈: Δ^{9, 12}, ω – 6) при участии эпоксигеназы (цитохром Р 450) могут синтезироваться эпоксиды. (рис. 1.2)

Рис. 1.2. Биосинтез простагландинов, тромбоксанов, простациклинов, лейкотриенов, эпоксидов.

Эйкозаноиды обладают широким спектром биологического действия и чрезвычайно высокой активностью. Нередко по своим эффектам они бывают антагонистами.

Так, Pg F₂, синтезирующийся почти во всех тканях и органах, способствует сокращению гладких мышц (бронхи, матка, кишечник и др.) и сужению сосудов. Pg E₂, напротив, расслабляет эти мышцы и расширяет сосуды. В целом Pg F₂ – медиатор воспаления, аллергии, а Pg E₂ – противовоспалительный, противоаллергический фактор. Pg E₁, E₂ подавляют секрецию HCl в желудке, блокируя Н₂ рецепторы. Этим объясняют ускорение ими заживления язв желудка и двенадцатиперстной кишки. Препараты Pg F₂, например динопрост, используются в акушерстве для прерывания беременности и как средство стимуляции родовой деятельности матки. Лекарственные препараты Pg E₂ (динопростон, простенон) применяются для купирования приступов бронхиальной астмы, язвенной болезни, гипертонических кризов.

Тромбоксаны (ТхА₁, ТхА₂), образующиеся в тромбоцитах, способствуют тромбированию сосудов, так как вызывает слипание этих клеток и тем самым облегчает участие тромбоцитарных факторов в свертывании крови.

Простациклины (Pg I₂), напротив, секретируясь в кровь из клеток сосудистых стенок, подавляют агрегацию тромбоцитов. Соотношение простациклины/тромбоксаны имеет важное значение в развитии тромбоза.

Тромбоксаны и простациклины, являясь антагонистами, по-разному влияют на сосудистый тонус. Первые сужают сосуды и повышают артериальное давление. Эффект у вторых противоположный.

Лейкотриены (Lt A, B, C, D, E) – эйкозаноиды лейкоцитов. Физиологическое действие оказывают в виде парных соединений с глутатионом. (рис. 1.3)

Рис. 1.3. Лейкотриен С₄ в комплексе с глутатионом.

Их считают медиаторами воспаления. Они увеличивают проницаемость капилляров, способствуют хемотаксису лейкоцитов, т. е. стимулируют их движение в зону воспаления. Лейкоциты усиленно фагоцитируют чужеродные частицы, в них активируется биосинтез лизосомальных ферментов и образование супероксид анион радикала (О₂¯˙) и других активных форм кислорода.

Лейкотриены также сужают коронарнуе сосуды и усиливают сокращение гладких мышц бронхов, пролонгируя приступ бронхиальной астмы.

Эпоксиды ПЖНК образуются преимущественно в клетках почек и печени. Оказывая сильное сосудорасширяющее действие, они порой способствуют неоваскуляризации тканей.

Глюкокортикоиды (кортизол, кортизон, кортикостерон) и их синтетические аналоги (дексаметазон, и др.) индуцируют биосинтез белков липотриенов. Последние ингибируют фосфолипазу А₂. Наблюдается снижение секреции эйкозаноидов, в том числе и противовоспалительного ряда (Pg F₂, лейкотриены и др.). В этом суть противовоспалительного эффекта стероидных гормонов.

Негормональные противовоспалительные средства (аспирин, диклофенак, индометацин и др.), ингибируя циклооксигеназу, препятствуют синтезу простагландинов, а рутин и его аналоги с Р-витаминной активностью, угнетая липоксигеназу, снижает образование лейкотриенов. Этим и те, и другие уменьшают признаки воспаления. А снижение аспирином и его аналогами боисинтеза тромбоксанов придает им слабый антикоагулянтный эффект. При этом увеличивается длительность кровотечения.

Цитокины – сигнальные молекулы, продуцируемые различными типами клеток (моноциты, макрофаги, базофилы, фибробласты, тучные клетки и т. д.) при их определенных функциональных состояниях и стадиях развития. Часто они образуются в ответ на различные стимулы, как то: механические повреждения клеток, вирусная инфекция, метаболические нарушения и др. Но в любом случае они участвуют в регуляции межклеточных взаимодействий.

Спектр активности цитокинов многогранный. Они контролируют рост, дифференцировку и продолжительность жизни клеток, управляют апоптозом. Различные их группы участвуют в реализации неспецифических защитных реакций организма, оказывая влияние на воспалительные процессы, свертывание крови, артериальное давление, биосинтез белков острой фазы и другие. Цитокины контролируют формирование и «работу» иммунной системы.

В целом все они образуют своеобразную регуляторную сетку с перекрещивающимися эффектами. В действии многих из них наблюдается синергизм, а в ряде случаев и антагонизм.

Цитокины паракринно или апокринно влияют на клетки через мембранные рецепторы. Каскадным механизмом они активируют белки, регулирующие транскрипцию в геном. Последние могут ее либо ускорять через энхансерные элементы ДНК, либо замедлять через сайленсорные нуклеотидные последовательности. В результате они усиливают или подавляют биосинтез различных белков, а это отражается на функциональном состоянии клеток.

Будучи пептидами или белками по химической природе, цитокины образуют многочисленные семейства со специфическими для каждого из них эффектами.

1. Регуляторные факторы развития, чаще называемые факторами роста (ФР) – большая группа цитокинов. Ускоряя репликацию ДНК и транскрипции РНК, воздействуя на проницаемость биологических мембран и различные реакции метаболизма в клетках, они обладают митогенным и морфогенным эффектами. Следовательно, они стимулируют деление клеток-предшественников и способствуют их дифференцировке. Первым был открыт фактор роста из тромбоцитов (ТФР), который, как потом было показано, образуется и во многих других клетках. К этой группе регуляторов относятся факторы роста скелета, фактор роста эпидермиса (ФРЭ), фактор роста фибробластов (ФРФ), инсулиноподобные факторы I, II – соматомедины I, II (ИФР I, II), фактор роста из хряща (ФРХ), фактор роста нервов (ФРН), эритропоэтины, эндотелиальный фактор роста (ЭФР) и др. Большинство факторов роста были первоначально открыты благодаря митогенным эффектам, однако действие их нередко оказывалось сложнее. При определенных ситуациях один и тот же фактор может стимулировать или подавлять клеточную дифференцировку, вызывая совершенно различные изменения. В связи с этим термин «регуляторный фактор развития» для цитокинов этого семейства представляется более приемлемым.

В остеобластах, остеоцитах синтезируются и секретируется во внеклеточный матрикс морфогенетический белок кости (МБК). Это комплекс двух протомеров: 17,5 кДа и 1,4 кДа. Его действие, еазываемое остеоиндукцией, проявляется в инициации митоза и дифференцировке перицитов (стволовые клетки) в скелетогенные. Фактор роста скелета (ФРС_к, М_r 83 кДа) оказывает митогенное действие, стимулируя деление скелетогенных клеток, и обладает морфогенетическим эффектом, вызывая дифференцировку скелетогенных клеток в остеогенные. Костноэкстрагируемый фактор роста (КЭФР) представляет из себя два белка гликопротеина , M_r 25 и 10 кДа. Эти белки стимулируют митозы остеогенных клеток контактным способом.

Трансформирующие факторы роста – α, β (ТФР α, β) влияют на рост и дифференцировку клеток различных тканей, стимулирующих биосинтез и секрецию компонентов внеклеточного матрикса.

ТФР-β выделен из почек и тромбоцитов. Его образование активно происходит в случае необходимости заживления ран. Он стимулирует процессы восполнения компонентов внеклеточного матрикса в местах повреждения. Это способствует пролиферации и миграции клеток, и в итоге восстановлению нормальной ткани.

2. Интерлейкины (ИЛ) – это сигнальные молекулы, обеспечивающие взаимодействия между клетками, вовлекаемыми в защитный, в том числе иммунный ответ. Отдельным их представителям присущи и другие эффекты. Свое название они получили, когда было показано, что посредством их секреции одни лейкоциты оказывают влияние на другие лейкоциты. Известно не менее 15 интерлейкинов: ИЛ-1 (синоним монокин) – медиатор воспаления, способствующий биосинтезу белков острой фазы, ИЛ-2 (лимфокин) – стимулирует пролиферацию Т-лимфоцитов; ИЛ-8 (хемонин), вызывает хемотаксис нейтрофилов и т. д. вплоть до №15.

3. Колониестимулирующие факторы (КСФ) необходимы для пролиферации и дифференцировки гемопоэтических клеток. А назвали их впервые так потому, что в эксперименте они стимулировали рост колоний определенных лейкоцитов.

4. Факторы некроза опухолей (ФНО) – многофункциональные цитокины, обладающие цитостатическим и цитотоксическим эффектами по отношению к злокачественным клеткам. Использование их в качестве противоопухолевого средства оказалось безуспешным из-за их высокой токсичности для человека. Предпринимаются попытки разработать их модифицированные нетоксичные формы с преимущественным противоопухолевым действием.

5. Факторы супрессии (ФС) – белки, предотвращающие возникновение мутаций ДНК путем восстановления первоначальной рамки считывания.

6. Интерфероны (ИФН) – гликопротеины с антивирусной активностью. Установлено существование их нескольких типов (α, β, γ, ω). Это белки с М_r от 25 до 40 кДа. Образуясь в различных клетках (лейкоциты, фибробласты, макрофаги и др.), они снижают проявление вирусной агрессии. Благодаря антипролиферативной активности интерфероны защищают клетки не только от вирусной инфекции, но и обладают противоопухолевым действием.

Хотя работа иммунной системы контролируется цитокинами и регулируется другими факторами, некоторые ее белки и сами являются на определенных этапах сигнальными молекулами, либо играют роль рецепторов для различных антигенов. Она включается в ответ на попадание в организм различных молекул (антигенов) совместно с патогенной микрофлорой, а также используется для борьбы с собственными мутантными клетками. Все это надо сначала распознать, а затем и уничтожить.

В биосинтезе трех семейств белков иммунной системы участвуют почти все клетки организма. В-лимфоциты секретируют в кровь иммуноглобулины (Ig), которые формируют в плазме крови фракцию γ-глобулинов. Это первое семейство белков гуморального иммунитета.

Т-лимфоциты синтезируют второе семейство белков – Т-рецепторов, которые затем встраиваются в их плазматические мембраны (ПМ) и подобно Ig связываются с различными антигенами. Их вариабельные центры связывания экспонированы наружу.

Третье семейство белков иммунной системы – белки главного комплекса гистосовместимости (белки ГКГ) имеются в ПМ клеток почти всех тканей и органов.

Белки второго и третьего семейств формируют т. н. клеточный иммунитет. Лигандами для них являются небольшие пептиды, образующиеся при протеолизе как собственных белков организма, так и чужеродных белков-антигенов. Способность взаимодействовать с самыми различными химическими соединениями достигается широкой вариабельностью структуры Т-рецепторов и белков ГКГ.

Существование в организме иммунной системы обеспечивает его защиту от чужеродных или собственных антигенов, играющих в этом случае роль своеобразных сигнальных молекул.

Эффекты оксида азота как сигнальной молекулы зависят от его redox-формы. Наиболее активным является N˙O-радикал, имеющий неспаренный электрон (˙N=O). Он имеет высокую реакционную способность и обладает многочисленными, порой неоднозначными эффектами.

Оксид азота легко диффундирует через мембраны. Он обеспечивает передачу аутокринных и паракринных сигналов и, следовательно, является участником процессов межклеточного взаимодействия.

Если N˙O синтезируется в значительных количествах, происходит его взаимодействие с супероксид анион радикалом (O₂¯˙). И тогда нарабатывается пероксинитрит (ONOO¯). Последний обеспечивает образование гидроксильного радикала (О˙Н). Все они (N˙O, ONOO¯, O˙H) могут инициировать свободнорадикальное окисление липидов, белков, нуклеиновых кислот. В этом случае можно говорить о цитотоксическом действии N˙O – сигнальной молекулы.

Образование N˙O в клетках тканей происходит с участием фермента N˙О-синтазы при окислении гуанидиновой группы катаболизируемого аргинина. Реакция идет в несколько стадий. Для этого требуется НАД∙Н+Н⁺, ФАД, ФМН, ТГБП, Zn²⁺, гем, белок кальмодулин. (рис. 1.4)

Рис. 1.4. Реакция образования N˙O-радикала при катаболизме аргинина.

Время полужизни молекулы N˙O (Т¹/₂) составляет несколько секунд. Они быстро превращаются в нитриты, нитраты и выводятся с мочой, а также обнаруживаются и в смешанной слюне.

Как сигнальная молекула N˙O выступает в роли фактора, контролирующего секрецию ряда медиаторов и гормонов, обладает сосудорасширяющим действием (рис. 4.9), является активным участником таких процессов как экспрессия генов, пролиферация клеток, апоптоз.

Молекула NО обладает способностью ускорять и блокировать апоптоз. Последний является запрограммированной гибелью клеток путем их «аккуратной» разборки. Двойственность NO в отношении этого процесса объясняется его способностью существовать в различных redox-формах, различной продолжительностью его биосинтеза, взаимодействиями с окружающими молекулами.

В медицине нашли применение как препараты-доноры оксида азота, так и ингибиторы N˙O-синтазы. К числу первых относятся нитроглицерин, нитрокруосид, аэрозоль изокет^®, содержащая изосорбида динитрат и др. Их применение снижает тонус сосудов , уменьшает силу сердечных сокращений и является эффективным при необходимости купирования резких болей в области сердца. Использование ингибиторов NO-синтазы оказывается полезным при оказании помощи больным с сосудистыми коллапсами.

Задание 1.1.

1. Назовите признаки, присущие гормонам.

2. Перечислите виды регуляции, осуществляемые сигнальными молекулами.

3. Составьте схему образования эйкозаноидов в клетках различных тканей и органов.

4. Обсудите роль эйкозаноидов в реализации глюкокортикоидами их противовоспалительной активности.

5. Назовите семейства, выделяемые у цитокинов.

6. Ответьте на вопросы:

v Что такое гормоны?

v Из чего слагается классическая модель эндокринной системы?

v Какие сигнальные молекулы относятся к гормоноидам?

v Почему концепция Дж. Э. Пирса (1968г.) представляет лишь исторический интерес?

v Какие семейства различают среди белков иммунной системы?

v Почему оксид азота обладает неоднозначными эффектами?

v Для чего в медицине применяют лекарственные препараты доноры N˙O и ингибиторы N˙O-синтазы?

Задание 1.2.

Решите тесты:

· Относительно гормонов биохимия изучает:

А. Химическую природу

Б. Механизм действия

В. Дозы гормональных лекарственных препаратов

Г. Биосинтез и катаболизм в тканях организма

Д. Противопоказания при лечении гормонами различных заболеваний

· Оцените достоверность утверждений в каждом предложении и связь между ними:

Понятие «гормональная регуляция» учитывает стимулирующее и тормозящее влияние на обмен веществ и физиологические функции, потому что гормоны обладают высокой биологической активностью и дистантностью действия.

· Эйкозаноиды являются медиаторами с широким спектром биологической активности, потому что в организме они представлены тремя семействами, синтезируемыми из ПНЖК с двадцатью углеродными атомами.

· Регуляторными факторами развития – факторами роста – являются:

А. Факторы роста эпилермиса

Б. Соматомедины

В. Соматотропин

Г. Тромбоцитарный фактор роста

Д. Морфогенетический белок кости

· Указанные цитокины проявляют эффекты:

1. Факторы некроза опухолей 2. Факторы роста 3. Колониестимулирующие факторы 4. Факторы супрессии 5. Интерлейкины 6. Интерфероны

А. Обладает митогенным и морфогенным действием Б. Предотвращает возникновение мутаций ДНК путем восстановления первоначальной формы считывания В. Обладает цитостатическим и цитокинетическим действием Г. Обеспечивает взаимодействие между клетками, вовлекаемыми в защитный, в том числе иммунный, ответ Д. Нет правильного ответа

Задание 1.3.

Решите задачу:

Больной ревматизмом длительное время принимал аспирин. В результате у него стали появляться носовые кровотечения, выделение крови долго не останавливалось при ссадинах и порезах кожи. С чем связано возникновение указанных осложнений продолжительной терапии аспирином?