Теория неспецифического реагирования клеток
Единообразие в ответных реакциях клеток уже давно связывали с изменениями клеточных белков, так как при любых воздействиях можно было легко наблюдать помутнение и коагуляцию протоплазмы. На основании этих фактов еще в прошлом веке была создана коагуляционпая теория наркоза французским ученым Клодом Бернаром (1875).
Американский цитолог Гейльбрунн (1930) – автор уже более новой коагуляционной теории возбуждения и повреждения – полагал, что в основе коагуляции протоплазмы лежит ферментативный механизм, аналогичный тому, который осуществляет свертывание фибриногена крови. Согласно этой теории, действие любых раздражителей вызывает освобождение связанного в поверхностных слоях клетки кальция, который диффундирует вглубь клетки и активирует фермент «овотромбин»; последний вызывает коагуляцию протоплазмы, что сопровождается повышением ее вязкости. Гейльбрунн рассматривал процесс коагуляции как универсальную, неспецифическую и очень древнюю реакцию протоплазмы, на основе которой возник такой процесс, как свертывание крови. Таким образом, исходя из теории Гейльбрунна, однообразие ответных реакций при действии различных раздражителей можно объяснить тем, что непосредственной причиной коагуляции протоплазмы всегда является фермент, активированный свободным кальцием. В настоящее время ионам кальция приписывают универсальную роль – осуществление связи процесса возбуждения со специфическими функциями клеток различных типов: с процессом сокращения в мышечных клетках, с выделением медиаторов в окончаниях нервных волокон, с выведением секрета в железистых клетках.
С точки зрения другой теории (липопротеинового комплекса) русского исследователя В.Лепешкина (1924), любой раздражитель, действующий на клетку, в первую очередь разрушает очень нестойкий комплекс белка и липида, так называемый витапротеид или витаид. В результате получаются свободный белок и липид, последний может отмешиваться в виде капель и давать картины липофанероза, часто наблюдаемые при повреждении клеток. Освободившиеся кислотные фосфатиды вызывают сдвиг внутриклеточной реакции в кислую сторону, свободный белок приобретает способность окрашиваться витальными красителями. При распаде комплекса происходит выделение энергии в виде тепла и ультрафиолетового излучения. Таким образом эта теория пытается объяснись многие стороны ответной реакции клетки.
В настоящее время доказано существование в протоплазме большого числа разнообразных комплексов белка с белком и с другими веществами (глюкопротеиды, нуклеопротеиды, хромопротеиды, липопротеиды и др.) и показана их неустойчивость.
Прямое, непосредственное действие раздражителя на молекулу белка предполагается в теории устойчивого неравновесия Э.С.Бауэра (1935). Согласно его представлениям, в живой интактной протоплазме молекулы белка являются деформированными и находятся в термодинамическом неравновесном состоянии, которое поддерживается энергией метаболизма. Молекулы «живого» белка обладают ненасыщенными валентностями и поэтому большей химической активностью и ферментативными свойствами. При раздражении выключаются реакции, поддерживающие неравновесное состояние молекулы, молекулярные деформации уменьшаются или совсем исчезают и молекулы белка принимают форму, соответствующую равновесному состоянию.
Убедительные экспериментальные доказательства изменений белковых молекул при развитии ответной реакции были получены Д.Н.Насоновым и В.Я.Александровым (1940). Полученные данные легли в основу созданной ими (в соответствии с тогдашним уровнем знаний) белковой, или денатурационной, теории повреждения и возбуждения. Согласно ей, в основе любой ответной реакции клетки лежат обратимые изменения ее белков, близкие по своей природе к начальным фазам денатурационных изменений нативных протеинов. Процесс денатурации белка также характеризуется неспецифическими чертами и может быть вызван такими же воздействиями, которые являются раздражителями и для живых клеток. Денатурация сопровождается изменением пространственного расположения белковой молекулы или изменением ее геометрии, ее конформации. Она развертывается таким образом, что ранее недоступные и замаскированные боковые группы (СООН, SH, NH2, NH) оказываются демаскированными и свободными и могут вступать в связь друг с другом, что приводит к образованию агрегатов, выпадающих в осадок. Этим объясняется уменьшение степени дисперсности и повышения вязкости раствора белка при денатурации. Появление свободно заряженных боковых групп обусловливает также повышение окрашиваемости денатурированного белка.
Подобные сдвиги наблюдаются и в протоплазме клеток при действии на них раздражителей: уменьшается степень дисперсности протоплазмы, повышается ее вязкость и способность окрашиваться витальными красителями. Повышение окрашиваемости имеет место не только при действии неадекватных, но и адекватных, физиологических факторов. В основе рецепции физиологического раздражителя может лежать та же склонность белков живой клетки к легкому переходу в денатурированное состояние, которая столь демонстративно выявляется при повреждающих воздействиях на клетку. Таким образом, согласно белковой (денатурационной) теории повреждения и возбуждения, белки являются главными и универсальными рецепторами различных воздействий.
Фактический материал, полученный с помощью разнообразных современных методов исследования, подтверждает правильность этих представлений и дает возможность развивать их далее. В настоящее время показана подвижность и неустойчивость молекулярной и надмолекулярной организации белка и его способность к обратимым конформационным изменениям, которые широко используются в самых различных биологических реакциях. Так, конформация молекулы фермента меняется при взаимодействии его с субстратом, молекулы гемоглобина – при соединении с кислородом. Конформационные изменения имеют место при функционировании сократительных белков и разнообразных рецепторных белков, чувствительных, например, к действию света или к действию определенных химических веществ. Биологически активные вещества, такие, как некоторые гормоны, медиаторы, коэнзимы, в очень низких концентрациях вызывают изменение конформации молекулы чувствительного по отношению к ним фермента аденилатциклазы (АЦ), расположенной в поверхностной мембране клетки, и этим вызывают цепь процессов, приводящих к возбуждению клетки. Все эти высокоспециализированные белки способны отвечать изменением своей конформации не только на адекватные, но и на неадекватные для них воздействия.
Таким образом, многочисленные современные данные говорят о том, что способность клетки отвечать сходным образом на самые разнообразные воздействия связана со способностью клеточных белков к обратимым конформационным изменениям.
Литература
1. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология. – М.: ООО «Мед. информ. агентство», 2003. – 544 с.
2. Фаллер Д.М., Шилдс Д. Молекулярная биология клетки. – М.: БИНОМ-Пресс, 2003. – 272 с.