5. Клеточные механизмы иммунитета

Проникновение микробов в ткани, их размножение служат сигна­лом к мобилизации защитных клеток. Каким образом защитные клет­ки, циркулирующие в крови или осевшие в органах и тканях иммунной системы, отдаленные от «входных ворот» инфекции, получают сигнал об опасности? Этот процесс осуществляется с помощью семейства молекул, получивших название цитокинов (греч. kytos — «клетка», kinetikos — «связанный с движением»). Данные молекулы являются переносчиками сигнала от клетки к клетке. В геноме клетки имеются специальные гены, ответственные за синтез определенных цитокинов. До поры они находятся в «неактивном» состоянии, но после получения сигнала о проникновении микробов-паразитов активизируются. С них считывается информация о структуре соответствующих белков, затем осуществляется их синтез, и готовые молекулы цитокинов начинают выделяться (секретироваться) клеткой в окружающую среду. Для вос­приятия и распознавания различных сигналов клетки несут на своей поверхности рецепторы, специфические для каждого цитокина. Таким образом, цитокины, являясь единицами своеобразного языка межкле­точного общения, позволяют клеткам общаться, взаимодействовать, объе­диняя свои усилия в борьбе с микробами-паразитами (рис. 3.44).

Рис. 3.44. Продукция и рецепция цитокинов. На поверхности бактерии-пара­зита имеется сигнальная молекула (ЛПС), которая распознается специальным ре­цептором на поверхности макрофага. От рецептора идет сигнал к активации гена, ответственного за синтез интерлейкина-1 (ИЛ-1), начинаются синтез этой молекулы и ее секреция. Другой макрофаг несет рецептор для ИЛ-1, через который идет сигнал к его гену, ответственному за синтез фактора некроза опухолей (ФИО), и запускаются синтез и секреция этого цитокина

Рассмотрим, как складываются такие межклеточные взаимоотно­шения, па примере макрофагов и Т-лимфоцитов. На поверхности мак­рофагов находятся молекулы-рецепторы, которые связываются с ток­синами, выработанными микробами-паразитами. Распознавание токсина приводит к движению макрофага в область проникновения микробов. В очаге инфекции макрофаги осуществляют фагоцитоз микробов. Дей­ствие токсинов активирует многие гены макрофага и стимулирует про­изводство цитокинов, таких, как ИЛ-1, которые с током крови попада­ют в мозг и действуют на центр терморегуляции. В результате повы­шается температура тела, т. е. запускается один из механизмов защиты организма, так как многие микробы снижают скорость размножения при повышении температуры. Те же молекулы ИЛ-1, действуя через соответствующие рецепторы, передают сигнал на лимфоциты, и запус­кается расширенный иммунный ответ. ИЛ-1 способен запускать кас­кад продукции других цитокинов, получивших название ИЛ-2,-3,-4 и т. д., которые находят соответствующие рецепторы на Т-, В-лимфо- цитах и других клетках, передавая им сигналы, активирующие их от­дельные функции. Хотя иммунный ответ запускает макрофаг, только лимфоциты обладают рецепторами для распознавания чужеродных молекул — антигенов — и могут обеспечить иммунный ответ. От клеточной мембраны Т-лимфоцита к ядру идут одновременно два типа сигнала: от антигенраспознающего рецептора и от рецептора, связавше­го ИЛ-1. При таком комплексном воздействии в геноме Т-лимфоцитов активируются гены не только самого ИЛ-2, но и рецепторов, специфич­ных к нему. Затем синтезированный в Т-лимфоците ИЛ-2 начинает действовать на произведшие его клетки, в них активируется процесс деления, и за счет этого усиливается функция клеточной популяции Т-лимфоцитов.

5. КЛЕТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕСТРОЙКИ БЕЛКОВ

Известно, что нативная, трехмерная структура белка устанавливает­ся в результате действия целого ряда энергетических и энтропийных факторов. Характерные времена многих внутримолекулярных измене­ний, в том числе и ферментативных процессов, не превышают 10^-2 —

9. ³ с и зависят от pH, температуры и ионного состава среды. Таким образом, изменения ионного гомеостаза могут непосредственно влиять на структурные изменения в клеточных белках и соответственно на их функции и активность. Рассмотрим в качестве примера конформацион­ные перестройки белков, переносящих кислород, — гемоглобина и миоглобина. Строение этих белков, находящихся в кристаллической форме, детально изучено методом рентгеноструктурного анализа. Про­странство между а-спиральными участками, в том числе полость актив­ного центра гемовой группы внутри молекул белка, заполнено гидро­фобными боковыми цепями аминокислот, а в окружающую водную среду выступает множество полярных белковых цепей. Молекула ге­моглобина состоит из четырех субъединиц (две а и две Р), образую­щих правильный тетрамер. Молекулы воды, локализованные в области контактов субъединиц, образуют солевые мостики и дополнительно стабилизируют тетрамер. Железо может находиться в высоко- и пиз- коспиновом состоянии в зависимости от способа заполнения d- орбитали электронами, который определяется правилами Хунда. В свя­зи с этим заполнение электронами внешних d-орбиталей ионов двух- и трехвалентного железа характерно для свободных ионов или ионов в составе соединений с ионной связью. Ситуация меняется, когда атомы железа находятся в комплексе, где связаны лигандными атомами кова­лентной связью и входят в состав гема. Следует подчеркнуть, что спиновое состояние центрального атома в комплексе определяется ха­рактером лигандного окружения: симметрией, силой связывания лигандов в комплексе и т. д. В силу этого изменения в лигандном окружении могут приводить к изменениям в спиновом состоянии иона металла, что в свою очередь может вызвать изменения конформации белка, с которым связан ион металла. Изменения спинового состояния ионов железа, индуцированные присоединением субстратов, сменой тем­пературы, были продемонстрированы для ряда гемопротеинов. Пере­ход иона железа из низкоспинового состояния в высокоспиновое уве­личивает диаметр иона и приводит к выходу его из плоскости гема, что обусловливает и конформационные изменения в ближайшем «бел­ковом» окружении гема.

В высокоспиновом состоянии Fe²⁺ обладает координационным чис­лом 5 и расположен вне плоскости гема на расстоянии 0,05 — 0,07 нм. Он координационно связан с четырьмя атомами азота пирролыгых групп плоского порфиринового кольца, а в 5-м положении взаимодей­ствует с атомом N имидазольного кольца гистидина. Оксигенация и образование связи кислород — железо не меняют валентности атома железа, но переводят его из высокоспинового состояния в низкоспино- вое, увеличивая число лигандов в координационной сфере до 6. В б-м положении железо координируется с кислородом или другими ли­гандами.

Присоединение кислорода индуцирует ряд конформационных изменений в молекуле гемоглобина. Связывание кислорода с перево­дом атома железа в пизкоспиновое состояние сопровождается одно­временным смещением железа на 0,07 нм в плоскость гемовой группы. Это смещение передается через гистидин, и спираль вместе с ним «под­тягивается» в сторону гема к центру молекулы, выталкивая из полости остаток тирозина. Затем происходят поэтапный разрыв солевых мос­тиков между а-субъединицами и смещение их вдоль области контакта. Расстояние между гемом и а-субъединицами увеличивается, а между гемом и Р-субъединицами, наоборот, сокращается. Центральная полость гема при этом сжимается. Разрыв шести солевых мостиков и освобож­дение протонов (эффект Бора) характерны для этих конформацион­ных изменений гемоглобина. В целом оксигенация переводит каждую из субъединиц из дезокси- в оксиконформацию. Разрыв четырех солевых мостиков из шести при оксигенации первых двух а-субъе- диниц способствует разрыву двух остальных мостиков и, следова­тельно, облегчает соединение следующих молекул кислорода с остальными субъединицами, увеличивая сродство их к кислороду в несколько сотен раз. В этом и состоит кооперативный характер присо­единения кислорода к гемоглобину, при котором начало оксигенации последнего облегчает связывание остальных молекул кислорода.

Использование лазерного излучения с длиной волны поглощения в диапазоне ^-полосы порфирина и вблизи нее позволяет регистриро­вать спектры РКР протопорфиринов в целых клетках (эритроцитах). В этих спектрах доминируют линии, лежащие в области 1 ООО — 1 650 см^-1, которые обусловлены плоскостными колебаниями связей С — С и С—N и деформационными колебаниями С — Н. Некоторые из них подвержены влиянию химических превращений, происходящих с атомом железа, и могут быть использованы для изучения структуры макроцикла. При изменении состояния окисления атома железа от Fe(III) к Fe(II) наблюдается снижение частоты некоторых скелетных колебаний порфирина. Положение этой и других характерных полос спектра РКР отражает заселенность электронами л-орбиталей порфи­рина. С ее увеличением связи в порфирине становятся менее прочны­ми, что выражается в снижении частоты колебаний. Заселенность л-орбиталей порфирина возрастает за счет обратного перехода элект­ронов с л-орбиталей атома железа. Поскольку процесс сильнее выра­жен для Fe (II), чем для Fe (III), полосы, характеризующие состояние окисления, сдвинуты в область более низких частот для гемов с Fe(II). При таком подходе любой эффект (в том числе изменения состояния окисленности атомов железа), который вызывает изменения в распре­делении электронов на л-орбиталях порфирииа, может повлиять на частоту соответствующих характеристических линий. Эта частота сильно меняется, например, если аксиальный лиганд, имеющий л-орбиталь, мо­жет взаимодействовать с орбиталями порфиринов через г/я-электро- ны атома железа. Аксиальный л-электронпый донор приводит к допол­нительному переходу е?я-электронов атома железа на я-орбитали пор- фирина и вызывает снижение частоты полос, характеризующих состоя­ние окисления, до «нетипичных» величин.