Основные способы межклеточной коммуникации

Основные способы межклеточной коммуникации.

Клетки многоклеточного организма нуждаются в обмене информацией друг с другом для регуляции своего развития и органи­зации в ткани, для контроля процессов роста и деления и для коорди­нации функций. Взаимодействие животных клеток осуществляется следующими способами:

1) клетки образуют между собой плотные щелевые контакты;

2.клетки несут на своей поверхности связанные с плазматической мембраной сигнальные молекулы, оказывающие влияние на другие клетки при непосредственном физическом контакте;

3.клетки выделяют химические вещества, служащие сигналами для других клеток, расположенных на расстоянии:

а) в случае эндокринной сигнализации специализированные эндок-
ринные клетки выделяют гормоны, которые разносятся кровью и
воздействуют на клетки-мишени, находящиеся иногда в самых
разных частях организма;

б) в случае паракринной сигнализации клетки выделяют локальные
химические медиаторы, которые действуют только на клетки
ближайшего окружения, быть может в радиусе около милли-
метра, в т. ч. аутокриния, т. е. действие своей сигнальной моле-
кулы на саму клетку через внешний рецептор ее мембраны;

в) при синаптической передаче (используется только в нервной систе-
ме) клетки секретируют нейромедиаторы в специализированных
межклеточных контактах, называемых синапсами.

5. Выделяют следующие основные типы рецепторов:

Сенсорные (представлены в сенсорных системах — Гл. 5, 6, 7).

Молекулярные (генетически детерминированные макромолекулярные сенсоры белки, гликолипопротеиды).

для специфического-взаимодействия с биологически значимым сигналом химической или физической природы;

для восприятия, трансформации и передачи заключенной в сигналах информации па пострецешорные структуры;

для инициации каскада биохимических, и/или физико-химических процессов, составляющих основу ответной реакцииклетки-мишени на воспринятый сигнал.

Молекулы, выполняющие сигнальные функции, способные акти­вировать специфические рецепторы, называются лигандами.

Лиганд-рецепторное взаимодействие. вторичные посредники

Механизмы трансмембранной передачи сигналов

Наиболее подробно изучены четыре основных механизма трансмембранной передачи сигналов:

1.проникновение растворимых в липидах лигандов через мем­брану и их действие на внутриклеточный рецептор — ядерный или цито-зольный (стероидные и тиреоидные гормоны);

2.использование трансмембранного рецепторного белка, фер­ментативная активность которого регулируется лигандом (инсулин, эпидермальный фактор роста и др.). Это односегментныи трансмем-бранный рецептор;

3.закрытие или открытие трансмембранных ионных каналов при связывании с лигандом;

4.использование трансмембранного рецептора для стимуляции сигнального передающего белка (G-белка), который активирует уже внутриклеточный посредник. Это семисегментный трансмембранный рецептор.

Рецепторы, связанные с G-белком, обычно запускают целую цепь событий, изменяющих в клепке концентрацию одной или нескольких внутриклеточных сигнальных молекул, которые называются вторич­ными посредниками. Эти молекулы в свою очередь изменяют поведение других белков в клетке-мишени.

Ко вторичным посредникам относятся: 1) циклический аденозинмонофосфат (с AMP); 2) циклический гуанозинмонофосфат (с GMP); 3) инозитолтрифосфат (1Р3), 4) диацилглицерол (ДАГ), 5) ионы кальция (Са2 + ).

Понятие о раздражимости и возбудимости.

Потонциал покоя как основа для возникновения электрических сигналов.

Потенциал покоя – это разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны у клетки, которая находится в состоянии физиологического покоя. При этом наружная сторона заряжена положительно, внутренняя- отрицательно. Величина ПП может быть в пределах 30—90 мВ. Для обозначения величины отри­цательного заряда мембраны применяют символ Е0 (Е0 = = 30—90 мВ). В механизме возникновения потенциала покоя ведущая роль принадлежит следующим факторам.

1. Наличие разности концентраций (градиентов) ионов К+
и Na+ между внутриклеточной и внеклеточной средой

2. Различная проницаемость клеточных мембран для мине-
ральных ионов.

3. Работа натрий-калиевого насоса, которая вносит вклад в создание потенциала покоя

РЕЦЕПТОРНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ.

Рецепторным потенциалом называют изме­нение уровня поляризации мембраны рецептора, вызываемое воздействием раздражителя. Это местный потенциал, который быстро уменьшается (затухает) по мере удаления от точки воз­никновения. Между силой действующего раздражителя и ве­личиной рецепторного потенциала существует логарифмиче­ская зависимость.

Преобразование рецепторного потенциала в потенциал действия происходит благодаря возникновению локальных круговых токов между деполяризованной мембраной рецепто­ра и ближайшим перехватом Ранвье (в мякотных нервных во­локнах, рис. 4.5). На мембране нервного волокна в области та­ких перехватов сосредоточено много электроуправляемых на­триевых каналов. Под влиянием кругового тока мембрана в перехвате Ранвье деполяризуется до критического уровня и эти

каналы открываются и обеспечивают генерацию потенци­ала действия.

Таким образом, в афферентных нервных волокнах потен­циал действия первично возникает на ближайшем к рецептору участке мембраны нервного волокна, имеющем потенциалза-висимые натриевые каналы. Возникнув в начале волокна, по­тенциал действия проводится вдоль него по направлению к те­лу нейрона и далее к нервным центрам.

В сенсорных рецепторах, которые образованы не нервными оконча­ниями, а целостными нервными или эпителиальными клетками, возник­ший рецепторный потенциал оказывает возбуждающее действие на чув­ствительное нервное окончание через синаптическую связь. При возник­новении рецепторного потенциала в синаптическую щель выделяется медиатор, который деполяризует постсинаптическую мембрану нервного окончания, и на ближайшем безмиелиновом участке этого волокна воз­никает потенциал действия, передающийся к нервным центрам.

В хеморецепторах механизм генерации рецепторного потенциала не­сколько отличается от механизма в механорецепторах. Так, в обонятель­ных рецепторах молекула вещества (одоранта) связывается с чувстви­тельным к нему рецептором, что приводит к активации цепочки биохими­ческих реакций, образующих вещества (так называемые вторичные по­средники), которые открывают в мембране рецептора натриевые и кальциевые каналы. Вход в рецепторную обонятельную клетку Na и Са2+ обеспечивает генерацию на ее мембране рецепторного потенциала.

При длительном непрерывном действии раздражителя в некоторых видах рецепторов рецепторный потенциал, несмот­ря на продолжающееся воздействие раздражителя, может постепенно уменьшаться. В таком случае частота возникаю­щих в афферентном нервном волокне импульсов также умень­шается. Интенсивность ощущения при этом тоже снижается, и оно может исчезнуть совсем. Такие рецепторы называют адаптирующимися. К быстроадаптирующимся рецепторам от­носятся тактильные (воспринимающие прикосновение), обо­нятельные и ряддругих. К практически неадаптирующимся ре­цепторам относят слуховые дуги аорты икаротидного тельца, воспринимающие давление и растяжение

Потенциал действия.

Потенциал действия — это быстрое, высокоамплитуд­ное изменение заряда мембраны, вызываемое действием до­статочно сильных (сверхпороговых) раздражителей (рис. 4.2). Характерным признаком наличия потенциала действия служит появление кратковременной инверсии (перемены) знака заря­да на мембране. Снаружи он на короткое время (0,5—2 мс) становится отрицательным. Величина инверсии может состав­лять до 30 мВ, а величина всего потенциала действия — 60— 130 мВ.

Потенциал действия подразделяют на участки: деполяриза­цию, реполяризацию и гиперполяризацию (см. рис. 4.4). Деполяризацией называют всю восходящую часть потенциа­ла действия, в ней выделяют участок, соответствующий ло­кальному потенциалу (от уровня Е0 до £к), быструю деполяри­зацию (от уровня £к до уровня 0 мВ), инверсию знака заряда (от 0 мВ до начала реполяризации). Далее идет реполяриза-ция. Приближаясь к уровню £0, ее скорость может замедлять­ся, и этот участок называют следовой отрицательностью (или следовым отрицательным потенциалом). У некоторых клеток вслед за реполяризацией идет гиперполяризация (воз­растание поляризации мембраны). Ее называют следовым по­ложительным потенциалом.

Начальную высокоамплитудную быстропротекающую часть потенциала действия называют также пик или спайк. Он включает фазы деполяризации и быстрой реполяризации (до следового отрицательного потенциала).В механизме развития потенциала действия важнейшая роль принадлежит увеличению проницаемости клеточной мембраны для ионов Na+. Например, при действии на клетку электрического тока он вызывает ее деполяризацию, и когда заряд мембраны уменьшается до критического уровня (£к) — открываются электроуправляемые натриевые каналы. Эти ка­налы образованы встроенными в мембрану белковыми моле­кулами, внутри которых имеется своеобразная пора и два вида перекрывающих ее ворот. Различают так называемые актива-ционные, расположенные с наружной стороны, и инактиваци-онные ворота, находящиеся с внутренней стороны мембраны (рис. 4.3). Ворота представляют собой участки белковой моле­кулы, изменяющие свое положение в зависимости от уровня поляризации мембраны. Чтобы канал мог пропускать Na+, не­обходимо, чтобы все его ворота были открыты. Это и происхо­дит, когда деполяризация достигает уровня Ек. Открытие на­триевых каналов приводит к лавинообразному вхождению на­трия внутрь клетки. Поскольку ионы натрия несут положи­тельный заряд, они нейтрализуют избыток отрицательных зарядов в клетке, затем на внутренней стороне мембраны про­исходит инверсия (перемена)знака заряда с отрицательного на положительный.

Изменение заряда мембраны имеет жесткую связь с измене­нием возбудимости клетки (рис. 4.4). При действии на клетку подпорогового по силе кратковременного раздражителя возни-каетлокальный потенциал и возбудимость в это время повыша­ется. Когда поляризация мембраны возвращается к исходному уровню, возбудимость также приходит к нормальному значению (условно исходная величина возбудимости принята за 100%).

Если же на клетку действует сверхпороговый раздражитель, то величина локального потенциала достигает уровня Ек и воз­никает потенциал действия. В этот момент возбудимость клетки мгновенно падает до нулевого уровня. Начинается фаза абсо­лютной рефрактерности (невозбудимости). Эта фаза длится до начала реполяризации. После начала реполяризации возбудимость клетки начинает возрастать, но остается пони­женной относительно уровня нормы — фаза относительной рефрактерности. Во время следовой отрицательности возбу­димость клетки повышена — фаза супернормальной возбуди­мости (или экзальтации), а во время следовой положительнос­ти — понижена (фаза субнормальной возбудимости).

Возбудимость клетки имеет прямую зависимость от разно­сти уровней потенциала покоя (Е0) и потенциала критической деполяризации (Ек). Эту разность называют пороговым потен­циалом (А£):

Источник

115. Основные системы межклеточной коммуникации: эндокринная, паракринная, аутокринная регуляция.

По расстоянию от клетки—продуцента гормона до клетки-мишени различают эндокринный, паракринный и аутокринный варианты регуляции. • Эндокринная, или дистантная, регуляция. Секреция гормона происходит в жидкие среды организма. Клетки-мишени могут отстоять от эндокринной клетки сколь угодно далеко. Пример: секреторные клетки эндокринных желёз, гормоны из которых поступают в систему общего кровотока. •Паракринная регуляция. Продуцент биологически активного вещества и клетка-мишень расположены рядом. Молекулы гормона достигают мишени путём диффузии в межклеточном веществе. Например, в париетальных клетках желёз желудка секрецию Н + стимулируют гастрин и гистамин, а подавляют соматостатин и Пг, секретируемые рядом расположенными клетками.• Аутокринная регуляция. При аутокринной регуляции клетка—продуцент гормона имеет рецепторы к этому же гормону (другими словами, клетка—продуцент гормона в то же время является его мишенью). Примеры: эндотелины, вырабатываемые клетками эндотелия и воздействующие на эти же эндотелиальные клетки; Т-лимфоциты, секретирующие интерлейкины, имеющие мишенями разные клетки, в том числе и Т-лимфоциты.

116. Роль гормонов в системе регуляции метаболизма. Клетки-мишени и клеточные рецепторы гормонов

Роль гормонов в регуляции обмена веществ и функций. Интегрирующими регуляторами, связывающими различные регуляторные механизмы и метаболизм в разных органах, являются гормоны. Они функционируют как химические посредники, переносящие сигналы, возникающие в различных органах и ЦНС. Ответная реакция клетки на действие гормона очень разнообразна и определяется как химическим строением гормона, так и типом клетки, на которую направлено действие гормона. В крови гормоны присутствуют в очень низкой концентрации. Для того чтобы передавать сигналы в клетки, гормоны должны распознаваться и связываться особыми белками клетки — рецепторами, обладающими высокой специфичностью. Физиологический эффект гормона определяется разными факторами, например концентрацией гормона (которая определяется скоростью инактивации в результате распада гормонов, протекающего в основном в печени, и скоростью выведения гормонов и его метаболитов из организма), его сродством к белкам-переносчикам (стероидные и тиреоидные гормоны транспортируются по кровеносному руслу В комплексе с белками), количеством и типом рецепторов на поверхности клеток-мишеней. Синтез и секреция гормонов стимулируются внешними и внутренними сигналами, поступающими в ЦНС.Эти сигналы по нейронам поступают в гипоталамус, где стимулируют синтез пептидных рилизинг-гормонов (от англ, release — освобождать) — либеринов и статинов, которые, соответственно, стимулируют или ингибируют синтез и секрецию гормонов передней доли гипофиза. Гормоны передней доли гипофиза, называемые тройными гормонами, стимулируют образование и секрецию гормонов периферических эндокринных желёз, которые поступают в общий кровоток и взаимодействуют с клетками-мишенями. Поддержание уровня гормонов в организме обеспечивает механизм отрицательной обратной связи. Изменение концентрации метаболитов в клетках-мишенях по механизму отрицательной обратной связи подавляет синтез гормонов, действуя либо на эндокринные железы, либо на гипоталамус. Синтез и секреция тропных гормонов подавляется гормонами эндокринных периферических желёз. Такие петли обратной связи действуют в системах регуляции гормонов надпочечников, щитовидной железы, половых желёз. Не все эндокринные железы регулируются подобным образом. Гормоны задней доли гипофиза (вазопрессин и окситоцин) синтезируются в гипоталамусе в виде предшественников и хранятся в гранулах терминальных аксонов нейрогипофиза. Секреция гормонов поджелудочной железы (инсулина и глюкагона) напрямую зависит от концентрации глюкозы в крови. В регуляции межклеточных взаимодействий участвуют также низкомолекулярные белковые соединения — цитокины. Влияние цитокинов на различные функции клеток обусловлено их взаимодействием с мембранными рецепторами. Через образование внутриклеточных посредников сигналы передаются в ядро, где происходят активация определённых генов и индукция синтеза белков. Все цитокины объединяются следующими общими свойствами:

синтезируются в процессе иммунного ответа организма, служат медиаторами иммунной и воспалительной реакций и обладают в основном аутокринной, в некоторых случаях паракринной и эндокринной активностью;

действуют как факторы роста и факторы дифференцировки клеток (при этом вызывают преимущественно медленные клеточные реакции, требующие синтеза новых белков);

обладают плейотропной (полифункциональной) активностью.

Биологическое действие гормонов проявляется через их взаимодействие с рецепторами клеток-мишеней. Для проявления биологической активности связывание гормона с рецептором должно приводить к образованию химического сигнала внутри клетки, который вызывает специфический биологический ответ, например изменение скорости синтеза ферментов и других белков или изменение их активности. Мишенью для гормона могут служить клетки одной или нескольких тканей. Воздействуя на клетку-мишень, гормон вызывает специфическую ответную реакцию. Например, щитовидная железа — специфическая мишень для тиреотропина, под действием которого увеличивается количество ацинарных клеток щитовидной железы, повышается скорость биосинтеза тиреоидных гормонов. Глюкагон, воздействуя на адипоциты, активирует липолиз, в печени стимулирует мобилизацию гликогена и глюконеогенез. Характерный признак клетки-мишени — способность воспринимать информацию, закодированную в химической структуре гормона.

Рецепторы гормонов. Начальный этап в действии гормона на клетку-мишень — взаимодействие гормона с рецептором клетки. Концентрация гормонов во внеклеточной жидкости очень низка и обычно колеблется в пределах 10 -6 -10 -11 ммоль/л. Клетки-мишени отличают соответствующий гормон от множества других молекул и гормонов благодаря наличию на клетке-мишени соответствующего рецептора со специфическим центром связывания с гормоном.

Общая характеристика рецепторов

Рецепторы пептидных гормонов и адреналина располагаются на поверхности клеточной мембраны. Рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов находятся внутри клетки. Причём внутриклеточные рецепторы для одних гормонов, например глюкокортикоидов, локализованы в цитозоле, для других, таких как андрогены, эстрогены, тиреоидные гормоны, расположены в ядре клетки. Рецепторы по своей химической природе являются белками и, как правило, состоят из нескольких доменов. В структуре мембранных рецепторов можно выделить 3 функционально разных участка. Первый домен (домен узнавания) расположен в N-концевой части полипептидной цепи на внешней стороне клеточной мембраны; он содержит гликозилированные участки и обеспечивает узнавание и связывание гормона. Второй домен — трансмембранный. У рецепторов одного типа, сопряжённых с G-белками, он состоит из 7 плотно упакованных α-спиральных полипептидных последовательностей. У рецепторов другого типа трансмембранный домен включает только одну α-спирадизованную полипептидную цепь (например, обе β-субъединицы гетеротетрамерного рецептора инсулина α₂β₂). Третий (цитоплазматический) домен создаёт химический сигнал в клетке, который сопрягает узнавание и связывание гормона с определённым внутриклеточным ответом. Цитоплазматический участок рецептора таких гормонов, как инсулин, фактор роста эпидермиса и инсулиноподобный фактор роста-1 на внутренней стороне мембраны обладает тирозинки-назной активностью, а цитоплазматические участки рецепторов гормона роста, пролактина и цитокинов сами не проявляют тирозинкиназ-ную активность, а ассоциируются с другими цитоплазматическими протеинкиназами, которые их фосфорилируют и активируют.

Рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов содержат 3 функциональные области. На С-концевом участке полипептидной цепи рецептора находится домен узнавания и связывания гормона. Центральная часть рецептора включает домен связывания ДНК. На N-концевом участке полипептидной цепи располагается домен, называемый вариабельной областью рецептора, отвечающий за связывание с другими белками, вместе с которыми участвует в регуляции транскрипции.

Источник