3. Клеточная рецепция

1. Клеточная гормональная рецепция

Гормоны, нейромедиаторы и другие агонисты способны быстро и обратимо активировать такие процессы, как сократимость, секреция, энергетический обмен, изменения мембранного потенциала и т. д. На базе фармакологических данных еще в начале прошлого века установ­лено, что многие гормоны взаимодействуют с определенными рецепто­рами на наружной стороне клеточной мембраны. Однако дальней­ший ход клеточных процессов при рецепции был непонятен. Крупней­шее открытие в этой области было сделано Э. У. Сазерлендом (Е. W. Sutherland), который обнаружил, что при стимуляции гликоге- нолиза глюкагоном внутри клеток печени образуется термостабилыюе соединение, способное активировать энергетический обмен клетки. Позже это соединение было идентифицировано как цАМФ. Впоследствии была выдвинута гипотеза, согласно которой гормоны осуществляют регуляцию внутриклеточных процессов путем активации синтеза так называемых вторичных мессенджеров, или посредников. Первым из описанных вторичных посредников был цАМФ, позже были обнару­жены цГМФ и инозитол- 1,4,5-трифосфат.

Принципиально иной механизм, с помощью которого может переда­ваться и усиливаться сигнал от агонистов, заключается в рецептороза­висимой активации ионных каналов плазматической мембраны клетки. Такого рода регуляция была описана только для электровозбудимых клеток (нейрон, мышечная клетка), но оказалось, что она имеет универ­сальный характер. Еще один способ передачи гормонального сигнала заключается в том, что рецепторы некоторых агонистов являются фер­ментами. При этом их регуляторный центр — участок связывания аго­ниста — находится с наружной стороны клетки, а каталитический центр обращен в сторону цитоплазмы. По такому механизму действуют мно­гие факторы роста, рецепторы которых являются протеинкиназами, и предсердный натрийуредический пептид, рецептор которого — гуани- латциклаза. Существуют и другие пути передачи сигнала. Так, рецепто­ры стероидных гормонов и тироксина переносят гормон в клеточное ядро.

Остановимся на основных типах гормональной коммуникации и клеточных рецепторов.

Типы гормональной коммуникации клеток:

• эндокринная, когда гормоны разносятся по всему организму;

• паракринная, когда гормоны переносятся на расстояние не более 1 мм;

• синаптическая, когда гормоны переносятся на расстояние не более 5 нм.

В настоящее время в клетках различают три основных типа мем­бранных рецепторов:

• рецепторы факторов роста;

• рецепторы сопряжения с G-белками;

• каналообразующие рецепторы (АХР и др.).

Представленные типы рецепторов различаются по основным клас­сам: ацетилхоли!ювый, катехоламиновый, опиашый, GABA-рецептор, гли­циновый, глутаматпый, серотониновый.

Клеточные мембраны содержат специфические белки-рецепторы, которые при активации выполняют ряд функций:

• узнавание лиганда;

• инициация первой стадии клеточного ответа;

• открывание ионного канала;

• продуцирование вторичного мессенджера (цАМФ), который на­ряду с ферментом (протеинкиназой) регулирует ионный транспорт и клеточный метаболизм.

Специфичность рецептора обеспечивается следующими свойства­ми:

• насыщение молекулы рецептора при физиологических концент­рациях лиганда;

• Локализация рецептора только в клетках, где проявляется его биологическое действие;

• селективность рецептора (лигапд специфичен к определенному участку молекулы рецептора).

Процесс рецепции гормонов разделяют на четыре стадии.

1. Диффузия гормона к рецептору.

2. Связывание гормона и рецептора:

L + R = LR,

где L — лиганд; R — рецептор; LR — комплекс. Константа связыва­ния может быть порядка К = 10⁸ - 10¹¹ моль^-1.

3. Латеральная диффузия рецептора в мембране сквозь белковые кластеры и фосфолипидные домены (теория перколяций).

4. Наличие внутриклеточных посредников (цАМФ и ионы Са). Так, процесс взаимодействия рецептора и гормона, как правило, описы­вают с помощью теории «занятости» и гипотезы «плавающего центра». Согласно теории «занятости» реакция взаимодействия гормона и ре­цептора описывается с помощью уравнения

L +R = LR - Q, где Q — биологический эффект. Константа связывания K = [R)[L)/[RL) и Q/Q_max = [RL]/R_o,

где R_o — общая концентрация рецептора в мембране клетки.

Рассмотрим особенности гормональной регуляции па примере спе­цифических и неспецифических межклеточных взаимодействий в нервной системе (аксоглиальпые взаимодействия и синапсы). Одной из главных функций шванновской клетки является регуляция кон­центрации межклеточного К⁺ при РВ аксона, которая модифицирует пе только возбудимость соседних нейронов, но и процессы Дыхания, гли­колиз, синтез ДНК и белков в глиальных клетках. Изменения уровня межклеточного К⁺ и глутамата стимулируют вход Са²⁺ в ШК через Са-канал и NMDA-глутаматный рецептор, что стимулирует ШК к экзоцитозу ацетилхолина, связывание его с никотиновым ацетилхоли- новым рецептором ШК, активацию аденилатциклазы, фосфолипаз, про- теаз и гиперполяризацию плазматической мембраны ШК. Таким обра­зом, при РВ аксона плазматическая мембрана ШК сначала деполяризу­ется, а затем наступает фаза быстрой гиперполяризации.

В последнее время особый интерес представляет вопрос о функци­ональной роли секреции определенных веществ из ШК при РВ. Изве­стно, что при накоплении межклеточного калия из глиальных клеток выходит гамма-аминомасляная кислота, а увеличение межклеточной концентрации глутамата вызывает не только гиперполяризацию плаз­матической мембраны ШК, но и экзоцитоз АХ. Следовательно, сложив­шиеся представления о песпецифическом характере передачи сигнала между нейроном и глиальной клеткой, а также генерализованном влия­нии глии на нервную клетку претерпевают существенные изменения. Одним из механизмов передачи сигнала от нейрона к глии являются перераспределение и вход Са²⁺ в ШК в ответ на накопление межкле­точного К⁺, глутамата и АХ. Так, блокирование электрической активно­сти нейрона при действии ТТХ приводит к снижению концентрации межклеточного К⁺, ингибированию входа и регулярных колебаний уровня внутриклеточного Са²⁺ соседних астроцитов. Последнее может быть также связано с отсутствием изменений содержания межклеточ­ного глутамата. Действительно, при экстраклеточном действии глута­мата на астроциты обнаружены не только увеличение входа, но и фун­кционально зависимые колебания внутриклеточной концентрации Са²⁺. В исследованиях на нервных волокнах показано, что действие специ­фического блокатора глутаматного рецептора снимает обратимую ги­перполяризацию ШК; при действии на нервное волокно тубокурарипа обнаружена деполяризация мембраны ШК, а совместное действие бло­катора и тубокурарина нивелирует данный эффект. Известно, что вы­ход АХ из ШК и связывание его с АХР, локализованным на плазмати­ческой мембране ШК, активируют внутриклеточную аденилатциклазу и в конечном счете приводят к гиперполяризации плазматической мем­браны ШК. И наконец, обнаружено наличие связи между фосфорили- рованием и числом АХР: форсколип и другие агенты, повышающие уровень внутриклеточного цАМФ, увеличивали количество АХР фиб- робластов мыши.

Возбуждение аксона приводит к росту числа АХР шванновской клетки и зависит от частоты ритмического возбуждения, уровня меж­клеточной концентрации К⁺, Са²⁺ и ацетилхолина. При РВ снижается активность ацетилхолинэстеразы аксона, что способствует поддержа­нию высокой концентрации межклеточного АХ. Обнаружено, что уве­

личение межклеточной концентрации АХ активирует фосфоинозитид- специфичную фосфолипазу С миелинового нервного волокна. Пред­полагается, что при РВ аксона деполяризация К⁺ и экзоцитоз АХ активируют вход Са²⁺ по Са-каналам, что вызывает фосфорилирова- ние АХР ШК посредством стимуляции ФИ-ФЛС.

Синапс. Нервные импульсы должны передаваться от одной клетки к другой. В месте этой передачи находятся специальные контактные области — синапсы. Аксон может быть связан с сомой второй клетки через аксосоматический синапс; имеются также аксодендритные и аксо- аксональные синапсы. Передача сигнала от клетки к клетке может осуществляться либо путем прямого прохождения ПД (электрический синапс), либо с помощью специальных молекул — нейромедиаторов (химический синапс). В связи с интересом к клеточной рецепции мы более подробно рассмотрим химический синапс (рис. 3.38).

Рис. 3.38. Схема передачи трансмиттера в синаптической щели и изменения мембранного потенциала на пресииаптической и постсинаптической мембране: а — нервный импульс достигает пресинаптической мембраны; б — ионы Са входят и вызывают слияние везикул и выход нейротраисмиттера в синаптическую щель; в — активация каналов, вход ионов иатрня и восстановление везикул

Химический синапс состоит из нервного окончания на пресинапти­ческой стороне и специализированной области на поверхности клетки, принимающей сигнал. Пре- и постсинаптические мембраны находятся на расстоянии 20 — 40 нм друг от друга. Синаптическая щель запол­нена олигосахаридсодержащей соединительной тканью — базальной мем­браной, которая представляет собой структуру, объединяющую отдель­ные клетки. Когда ПД достигает нервного окончания, он вызывает деполяризацию пресинаптической мембраны и высвобождение медиа­тора. Последний диффундирует через синаптическую щель к постси- паптической мембране, что ведет к изменению ее ионной проницаемости и, следовательно, мембранного потенциала. Это в свою очередь приво-

дит к генерации ПД. Перечислим основные процессы, происходящие при функционировании синапса:

1. синтез медиатора (например, ацетилхолина);

2. загрузка медиатора в везикулу; в том случае, когда первая и вторая стадии протекают в перекарионе, происходит аксоплазматиче- ский транспорт везикулы к нервному окончанию;

3. слияние везикул с пресинаптической мембраной при деполяриза­ции и высвобождение медиатора (экзоцитоз);

4. диффузия медиатора к постсинаптической мембране;

5. узнавание медиатора и связывание его со специфическим рецеп­тором, например с мембранным белком постсинаптической мембраны, сопровождающееся действием медиатора па ионный канал или фер­мент постсинаптической мембраны;

6. инактивация медиатора, которая приводит к ограничению дли­тельности пресинаптического сигнала. Такая инактивация происходит либо путем ферментативной деградации медиатора, либо путем его об­ратного поглощения пресинаптической мембраной.

Цикл завершается и возвращается ко второй стадии (или к первой, если клетка поглощает продукт деградации инактивировашюго медиа­тора).