Клеточная сигнализация 14 октября

КЛЕТОЧНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ 14 октября

Общая характеристика клеточной сигнализации

Клеточная сигнализация — это процесс получения и обработки клеткой информации, поступающей из окружающей среды в виде разнообразных сигналов физической или химической природы, результатом чего является специфический ответ клетки на действие сигнала.

Клеточная сигнализация осущест­вляется сигнальными системами, мате­риальную основу которых на молеку­лярном уровне составляют рецепторы, элементы сигнал-передающих путей и эффекторные белки, реализующие от­вет клетки на действие сигнала. Общий принцип функционирования сигналь­ных систем состоит в том, что внешний сигнал, взаимодействуя с рецептором клеток-мишеней, вызывает изменение конформации рецептора и его актива­цию, результатом чего служит передача полученной рецептором информации к эффекторным белкам, обеспечиваю­щим ответ клетки на действие сигнала.

Клеточная сигнализация играет большую роль в формировании адап­тивных реакций про- и эукариотиче­ских организмов на действие факторов окружающей среды.

Особое значение клеточная сигна­лизация имеет для человека, в связи с необходимостью тесной ко­ординации и интеграции деятельности составляющих их клеток в составе це­лостного организма.

Виды клеточной сигнализации

В процессе эволюции появилось несколь­ко видов клеточной сигнализации с использованием химических сигналь­ных молекул, называемых первичными посредниками, или первичными мессен­джерами: паракринная, аутокринная, юкстакринная, эндокринная и синапти­ческая (рис. 5.1; 5.2).

Указанные виды сигнализации различаются по способу доставки химических молекул к клет­кам, а также по расстоянию, на которое действуют сигнальные механизмы.

Паракринная сигнализация характе­ризуется выделением клеткой химиче­ских медиаторов, которые оказывают действие лишь на клетки ближайшего окружения. Паракринная сигнализа­ция играет большую роль в процессах развития организма, дифференцировки клеток, репарации тканей после их по­вреждения и др.

При аутокринной сигнализации клетка выделяет вещества, которые действуют на ту же самую клетку. Этот вид сигнализации широко используют клетки иммунной системы.

Юкстакринная сигнализация характеризуется передачей сигнала от одной клетки другой в результате их адгезии, то есть непосредственного физического контакта. При этом молекула лиганда не отщепляется от сигнализирующей клетки, а остается на наружной поверх­ности клеточной мембраны. Благодаря юкстакринной сигнализации осущест­вляется распознавание клетками друг друга, а также связывание их с внекле­точным матриксом.

Синаптическая сигнализациявстре­чается у организмов, имеющих нервную систему. Она характеризует­ся секрецией нейронами сигнальных молекул нейромедиаторов в синапти­ческую щель - узкое, около 50 нм, пространство, разделяющее мембраны передающей сигнал нервной клетки и клетки-мишени, например мышеч­ной или нервной. При этом, благодаря тесному контакту пресинаптической и постсинаптической клеток, достигает­ся быстрое адресное распространение сигнала лишь к клетке-мишени. Весь процесс длится менее миллисекунды, поскольку расстояние, на которое диф­фундирует нейромедиатор, очень мало.

Эндокринная сигнализация харак­теризуется секрецией клетками эндокринных желез биологически активных соединений — гормонов — в кровеносное русло или в тканевую жидкость, ко­торые затем разносятся с током крови к клеткам-мишеням по всему организму. Гормоны действуют на клетки-мишени в чрезвычайно низких концентрациях, так как в крови и интерстициальной жидкости они очень сильно разбавля­ются. Посредством гормонов осущест­вляется межклеточная сигнализация на большие расстояния.

К эффекторным молекулам

Передача сигнала от рецепторов клеточной поверхности, как правило, осуществляется с участием нескольких релейных белковых молекул, состав­ляющих основу сигнал-передающих путей. В многоступенчатом процессе передачи сигнала активированный ре­цептор изменяет конформацию и био­логическую активность взаимодей­ствующих с ним белков-посредников, и далее сигнал, подобно падающему домино, передается другим релейным молекулам, последовательно акти­вируя их и достигая, в конце концов, эффекторных белков, реализующих ответную реакцию клетки. Таким об­разом, передача сигнала от рецепторов клеточной поверхности к эффектор­ным молекулам включает цепь моле­кулярных взаимодействий релейных белковых молекул, которые сопрово­ждаются специфическими изменения­ми их конформации и биологической активности.

Многие релейные белки, участвую­щие в проведении сигнала от рецепто­ров клеточной поверхности к эффек­торным белкам, представляют собой протеинкиназы — ферменты, которые переносят фосфатную группу от моле­кул АТФ на другие белковые молекулы, в результате чего биологическая ак­тивность фосфорилированных белков изменяется. Цитоплазматические про­теинкиназы, участвующие в передаче сигнала в клетке, отличаются высокой специфичностью по отношению к свое­му субстрату, благодаря чему дости­гается «адресное» фосфорилирование только определенных белков. Часто в процессе передачи сигнала после фосфорилирования и активации одной протеинкиназы следуют повторяющие­ся друг за другом реакции фосфорилирования других протеинкиназ, что при­водит к образованию каскада реакций фосфорилирования (рис. 5.9).

Наличие каскадов реакций фосфорилирования с участием митогенактивируемых про­теинкиназ характерно для многих сиг­нальных систем, контролирующих про- лиферативную активность клеток. На­ряду с протеинкиназами большую роль в передаче сигналов играют ферменты протеинфосфатазы, которые быстро удаляют фосфатные группы от белков. Этот процесс получил название дефосфорилирования. За счет дефосфорилирования протеинфосфатазами белков, ранее фосфорилированных протеинки­назами, достигается переход их из ак­тивного в исходное неактивное состоя­ние, что делает возможным проведение нового сигнала от рецептора. Таким об­разом, в каждый данный момент актив­ность релейных белков, регулируемых фосфорилированием, зависит от балан­са активности ферментов протеинкиназ и протеинфосфатаз. Благодаря этому система, обеспечивающая фосфорили­рование и дефосфорилирование белков в клетке, действует как «молекулярный выключатель», который активирует или инактивирует релейные белки, участвующие в проведении сигнала.

Каскад реакций фософорилирования с участием митогенактивируемых протеинкиназ характерен для сигнальных путей, идущих от тирозинкиназных рецепторов, с которыми связы­ваются разнообразные факторы роста (рис. 5.10).

В передачу сигнала в таких сигналь­ных системах, кроме митогенакти­вируемых протеинкиназ (МАПК), во­влекаются так называемые Ras-белки. Ras-белки — продукты онкогена ras, впервые идентифицированного в сар­коме крысы (от англ. rat sarcomas). Указанный белок представляет собой мономерную ГТФазу, связанную с вну­тренней стороной цитоплазматической мембраны. Подобно G-белкам, Ras-белок может находиться в активной и неактивной формах. В активной фор­ме с Ras-белком связан ГТФ, в неактив­ной — ГДФ. Функциональное состояние Ras-белка регулируется двумя белками. Один из них, получивший название SOS-белка (фактор, высвобождающий гуаниловые нуклеотиды), при взаимо­действии с Ras-белком стимулирует за­мещение в нем ГДФ на ГТФ, в результа­те чего Ras-белок активируется. Второй белок, называемый Grb-белок (от англ. growth factor receptor bound), при взаи­модействии с Ras-белком усиливает его гуанозинфосфатазную активность и тем самым способствует переходу Ras-белка в неактивную форму, в кото­рой он находится в обычных условиях.

Связывание фактора роста с тирозинкиназным рецептором вызывает автофосфорилирование тирозинкиназного домена рецепторного белка и его активацию. В результате рецептор при­соединяет специфический адапторный Grb-белок и активирует SOS-белок, ко­торый стимулирует замену в Ras-белке ГДФ на ГТФ. Активированный Ras-белок инициирует каскад реакций фос­форилирования с участием цитоплазма­тических митогенактивируемых проте­инкиназ (киназа киназы митогенактивируемой протеинкиназы — МАПККК; киназа митогенактивируемой протеин­киназы - МАПКК; митогенактивируемая протеинкиназа — МАПК), резуль­татом чего служит изменение экспрес­сии генов, контролирующих клеточную пролиферацию.

Указанный механизм регуляции де­ления клеток действует у организмов, находящихся на разных уровнях орга­низации (червей, насекомых, млекопи­тающих и др.).

Во многих сигнальных путях, иду­щих от рецепторов клеточной поверх­ности, в проведении сигнала, наряду с белками, участвуют малые небелко­вые молекулы и ионы, которые получи­ли название вторичных посредников или вторичных мессенджеров. Эти молеку­лы, благодаря своим малым размерам и хорошей растворимости в воде, быстро диффундируют в цитоплазме клетки и действуют как аллостерические эф­фекторы — присоединяясь к определенным белкам, изменяют их конформацию и биологическую активность. К наиболее распространеным вторичным посредникам относятся циклический аденозин монофосфат (цАМФ) и ионы Са²⁺

Циклический аденозин монофосфат в клетках животных и человека синте­зируется из АТФ ферментом аденилатциклазой, связанным с плазматической мембраной клетки, и быстро расще­пляется цАМФ-фосфодиэстеразами до аденозин-5'-монофосфата (рис. 5.11).

Процесс проведения сигнала с уча­стием цАМФ лучше всего изучен при действии адреналина на клетки печени животных и человека (рис. 5.12).

Связывание адреналина с рецепто­ром, сопряженным с G-белком, акти­вирует фермент аденилатциклазу. Этот фермент превращает аденозин трифос- фат (АТФ) в циклический аденозин-монофосфат, или цАМФ. В результате концентрация цАМФ в клетке быстро возрастает. Образовавшийся цАМФ активирует протеинкиназу А, которая фосфорилирует другой фермент - ки­назу фосфорилазы. Киназа фосфорилазы в свою очередь фосфорилирует и тем самым активирует фермент гликогенфосфорилазу, катализирующий реакцию деполимеризации гликогена с образованием глюкозо-1-фосфата. Активированная протеинкиназа А фос­форилирует также фермент гликогенсинтетазу, катализирующий последний этап в реакциях синтеза гликогена из глюкозы. Это приводит к потере актив­ности указанного фермента и к прекра­щению синтеза гликогена. В отсутствие гормона концентрация цАМФ в клетке быстро снижается, так как этот цикли­ческий нуклеотид под действием фер­мента фосфодиэстеразы превращается в аденозинмонофосфат — соединение, лишенное какой-либо биологической активности.

Таким образом, действие адренали­на на мышечные клетки сопровождается одновременно как усилением рас­пада, так и прекращением синтеза гликогена, что способствует максимальной мобилизации энергетических ресурсов организма в условиях стресса.

Ионы Са²⁺ в качестве вторичных посредников в сигнальных системах используются даже чаще, чем цАМФ. В обычных условиях концентрация ука­занных ионов в цитозоле клетки при­мерно в 10 000 раз меньше, чем в окру­жающей клетку среде. Столь низкая концентрация ионов Са²⁺ в цитозоле связана с активным транспортом их Са²⁺-насосами из цитозоля в окружаю­щую среду, а также в полость эндоплазматического ретикулума и матрикс ми­тохондрий (рис. 5.13).

Другая важная особенность ионов Са²⁺ как вторичных посредников связана со способностью указанных ионов связываться с различ­ными внутриклеточными белками и изменять их биологическую активность. Благодаря этому ионы Са²⁺ участвуют в регуляции самых разнообразных про­явлений клеточной активности: метабо­лизма, секреции, пролиферации и др.

В сигнальных системах, в которых в качестве вторичного посредника ис­пользуются ионы Са²⁺, в механизме проведения сигнала участвуют два других посредника: инозитолтрифосфат и диацилглицерол (рис. 5.14).

В клетках животных эти посредники образуются из мембранного липида фосфатидилинозитол-4,5-дифосфата под действием фермента фосфолипазы С, связанного с плазмалеммой клетки.

В общей форме механизм проведе­ния сигнала от рецепторов клеточной поверхности с участием ионов кальция осуществляется по определенной схеме (рис. 5.15).

Взаимодействие сигнальной мо­лекулы с поверхностным рецепто­ром приводит к активации фермента фосфолипазы С, связанного с плаз­малеммой клетки. В результате это­го расположенный во внутреннем слое цитоплазматической мембраны фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат под действием фосфолипазы С гидро­лизуется с образованием двух вторич­ных посредников: инозитолтрифосфата и диацилглицерола, и далее путь пере­дачи сигнала разделяется на две ветви.

Инозитолтрифосфат быстро диф­фундирует из мембраны в цитоплазму и связывается с кальциевыми канала­ми, встроенными в мембрану эндоплазматического ретикулума. В результате кальциевые каналы открываются, и ионы Са²⁺ по градиенту концентрации выходят из полости эндоплазматиче- ского ретикулума в цитозоль. Увеличе­ние концентрации ионов Са²⁺ в цитозоле и их связывание с Са²⁺-связывающими белками инициирует многие ответные реакции клеток: секрецию, клеточное деление, мышечное сокращение и др.

После освобождения рецептора от сигнальной молекулы инозитолтрифос- фат, связанный с кальциевыми канала­ми эндоплазматического ретикулума, дефосфорилируется цитоплазматиче­скими фосфатазами и отсоединяется от ионных каналов, в результате чего они закрываются. Имеющийся в цитозо­ле избыток ионов Са²⁺, как отмечалось выше, удаляется из него с помощью АТФ-зависимых Са²⁺-насосов, встроен­ных в мембрану эндоплазматического ретикулума и плазмалеммы. Благода­ря указанным механизмам, активность инозитолтрифосфата и высокая концен­трация ионов Са²⁺ сохраняются в клетке лишь в течение короткого времени, не­обходимого для проведения сигнала.

Диацилглицерол, образующийся в ре­зультате гидролиза фосфатидилинозитол-4,5-дифосфата, в отличие от инозитолтрифосфата, сохраняет связь с плазмалеммой и потенциально спо­собен выполнять две функции. Одна из них связана с распадом диацилглицерола под действием ферментов с образовани­ем арахидоновой кислоты, необходимой для синтеза простагландинов и других эйкозаноидов, инициирующих многие от­ветные реакции клетки. Вторая функция диацилглицерола заключается в актива­ции в присутствии ионов Са²⁺ фермента протеинкиназы С, который участвует в регуляции многих клеточных процессов: деления, секреции, транспорта и др.

Механизм проведения сигнала от поверхностных рецепторов, реализуе­мый несколькими релейными молеку­лами, обеспечивает более совершенную регуляцию ответных реакций клеток на действие различных сигнальных моле­кул, чем простая передача сигнала без посредников. Благодаря указанному механизму достигается значительное усиление сигнала и, следовательно, от­ветной реакции клетки. Это обуслов­лено тем, что на каждом последующем этапе на пути передачи сигнала акти­вируется значительно больше молекул-посредников, чем на предыдущем.

Например, связывание одной мо­лекулы адреналина с рецептором клет­ки печени приводит к образованию в ней нескольких миллионов молекул глюкозо-1-фосфата. Наличие несколь­ких релейных молекул, вовлеченных в передачу сигнала, обеспечивает воз­можность взаимодействия сигналов, идущих от разных рецепторов (рис. 5.16),

а также «ветвления» сигнальных путей, идущих от одного рецептора (рис. 5.17), и, как следствие этого, фор­мирования нескольких ответных реак­ций клетки на действие одного и того же сигнала.

И их характеристика

Ответные реакции клеток на дей­ствие сигнальных молекул отличаются высокой специфичностью. Это означа­ет, что даже одни и те же сигнальные молекулы, связываясь с рецепторами клеток разных типов, вызывают у них, как правило, разные ответы. Указан­ный феномен объясняется, во-первых, способностью одних и тех же сигналь­ных молекул связываться с разными рецепторами и, во-вторых, специфич­ностью набора эффекторных белков, присущего каждому типу клеток. На­пример, связывание адреналина с бета-адренергическими рецепторами мы­шечных клеток активирует имеющийся у них фермент глюкозофосфорилазу, способствуя тем самым накоплению в клетках глюкозо-1-фосфата. В то же время в клетках сердца адреналин, свя­зываясь с альфа-адренергическими ре­цепторами, вызывает фосфорилирование моторных белков и, как следствие этого, усиление и учащение сокраще­ния сердечной мыщцы.

Сигнальных систем

Изменения, возникающие на всех этапах сигнализации, носят локальный, кратковременный и обратимый харак­тер, благодаря чему клетки возвраща­ются в исходное состояние и приоб­ретают способность отвечать на новые сигналы. Так, рецепторы возвращаются в исходное состояние после того, как их покидают сигнальные молекулы. К исходному состоянию возвращают­ся также молекулы релейных белков и вторичных посредников, участвую­щих в проведении сигнала, а также эф­фекторные молекулы. Например, моле­кулы цАМФ под действием фермента фосфодиэстеразы превращаются в мо­лекулы 5-АМФ, лишенные биологиче­ской активности; фосфорилированные протеинкиназами белки-посредники и эффекторные белки под действием ферментов протеинфосфатаз дефосфорилируются и т. п.

КЛЕТОЧНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ 14 октября