12973 (Цитоскелет сигнализирует)

Цитоскелет сигнализирует

С.Ю. Афонькин, Г.П. Пинаев

В сумерки на чердаке сарая заработало штурвальное колесо. Один за одним натягивались крепкие веревочные провода, передавая туда, куда надо, и те, что надо, сигналы.

А.Гайдар. «Тимур и его команда»

Основы коммуникации

Для нормальной жизнедеятельности любого организма составляющие его клетки, подобно людям в социуме, должны чутко реагировать на меняющуюся ситуацию, регулируя свою работу в зависимости от окружающих условий и текущих потребностей многоклеточного государства. Изменение функций клетки происходит при появлении или исчезновении в ней определенных белков или изменении активностей уже существующих. Регуляция активностей белков происходит путем изменения их пространственной структуры за счет присоединения или диссоциации ионов металлов, фосфатных, гидроксильных или метильных групп, а также взаимопревращения SH-групп и S–S-связей, способных образовывать внутрибелковые сшивки. Эти группы и малые молекулы играют роль своеобразных молекулярных «зажимов» и «фиксаторов», добавление или удаление которых обратимо изменяет активности ферментов.

Клетка изменяет активности своих ферментов в ответ на получаемые ею из внешней среды специфические сигналы. Эти сигналы представляют собой определенные низкомолекулярные вещества (лиганды), связывающиеся со специальными участками клеточной поверхности – рецепторами. В организме человека лигандами являются, например, нейротрансмиттеры, которые выделяются в синаптических щелях нервными клетками в ответ на нервный импульс, а также вещества, секретируемые другими клетками в окружающую их среду.

В первом случае сигнал воспринимается нервной клеткой и по нервному волокну приходит точно по адресу к другой клетке. Этот тип регуляции быстрый и обеспечивается нервной системой.

Во втором случае, называемом гуморальной регуляцией, сигнальное вещество может действовать на целую группу клеток. Если оно действует в ближайшем окружении от выделившей его клетки, говорят о локальных химических медиаторах (от лат. localis – местный, medius – посредничающий). Один из примеров такого медиатора – белок гистамин, который выделяют так называемые тучные клетки в ответ на повреждение окружающих их тканей. В результате действия гистамина увеличивается просвет близлежащих кровеносных сосудов, и к месту травмы устремляются отряды лимфоцитов, буквально протискивающихся через стенки капилляров. Поглощая сигнальные вещества, которые сами же и выделяют, клетки осуществляют самоконтроль и самонастройку на определенную работу.

Возможна также и гуморальная регуляция состояния всего организма, когда сигнальное вещество синтезируется определенным типом ткани, попадает в кровь и разносится с кровотоком по всему телу. Такой тип сигнальной коммуникации обеспечивают гормоны. Однако и на гормоны реагируют только клетки, имеющие соответствующие рецепторы.

Химические вещества, способные связываться с наружными клеточными рецепторами и влиять на функционирование клетки, называют первичными медиаторами, или первичными мессенджерами (англ. messenger – посыльный). Межклеточная сигнализация удивительным образом напоминает основы коммуникации, разработанные в человеческом обществе.

Провода телефонной сети похожи на хитросплетение нервных волокон. Сообщение по ним проходит от одного абонента к другому. Роль локальных химических медиаторов играют устные сообщения. Они поступают только к ближайшим слушателям. Без специальных технических ухищрений до всего общества они не дойдут.

Самонастройку и самоконтроль осуществляет каждый человек, отдавая устный или письменный приказ самому себе. Кровеносное русло выполняет функции почтовой связи, которая помимо именных писем и бандеролей ежедневно разносит тысячи рекламных листочков, которые опускаются в каждый абонентный ящик. Реагируют же на эти сообщения о починке телевизоров или продаже сахара мешками только люди, которые имеют потребность в данной услуге – «рецептирующие» информацию о ней.

Загадка цАМФ

Каким же образом первичные мессенджеры оказывают влияние на активность белков и, тем самым, на активность клетки? Для этого внешний по отношению к клетке сигнал должен превратиться во внутренний. Ключевую роль в таком процессе играют образующиеся внутри клетки вторичные мессенджеры, которых на удивление мало. Главенствующую роль среди них играет циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), открытый в 1958 г. Э.Сазерлендом и Т.Роллом.

Это соединение образуется из знаменитой АТФ – аденозинтрифосфорной кислоты, которую часто называют «энергетической разменной монетой» клетки. Как известно, АТФ состоит из азотистого основания аденина, пятиуглеродного циклического сахара и трех остатков фосфорной кислоты (рис. 1). Химические связи между фосфорными остатками богаты энергией. Практически все внутриклеточные процессы, начиная от синтеза белков и кончая мышечным сокращением, получают энергию за счет отщепления одной или двух фосфатных групп АТФ.

Рис. 1. Синтез и расщепление цАМФ

Циклический аденозинмонофосфат образуется с помощью фермента аденилатциклазы, который отщепляет от АТФ два остатка фосфорной кислоты, а последний, третий, остаток замыкает через два атома кислорода на сахар рибозу, входящий в состав аденозина (рис. 1). Это удивительное вещество играет роль универсального вторичного мессенджера в клетках практически всех организмов, как эукариотических, так и прокариотических (рис. 2).

Рис. 2. Главные механизмы образования внутриклеточных мессенджеров

В качестве примера рассмотрим, как цАМФ влияет на образование гликогена, который является формой хранения глюкозы в животных клетках.

В момент опасности из надпочечников в кровь выбрасывается большое количество адреналина. Двигаясь по кровеносной системе, этот гормон достигает мышечных клеток, имеющих рецепторы адреналина. Связывание адреналина приводит к изменению пространственной структуры рецептора, что, в свою очередь, активирует фермент аденилатциклазу, расположенную на внутренней поверхности клеточной мембраны. Аденилатциклаза начинает превращать АТФ в цАМФ, и внутриклеточная концентрация последнего быстро возрастает. При достижении определенного уровня цАМФ активирует фермент протеинкиназу, который присоединяет остатки фосфорной кислоты (фосфорилирует) к аминокислотам серину и треонину в ферменте гликогенсинтетазе. Как следует из названия, этот фермент занимается в клетках синтезом гликогена. Фосфорилирование изменяет пространственную структуру фермента, в результате чего он инактивируется и новые порции гликогена уже не образуются. Протеинкиназа, активированная цАМФ, фосфорилирует также еще один фермент – киназу фосфорилазы. Киназа, в свою очередь, фосфорилирует гликогенфосфорилазу, которая в результате начинает отщеплять от гликогена молекулы глюкозы (рис. 3). Появившаяся же в мышцах глюкоза играет роль топлива, на котором они успешно работают.

Рис. 3. Схема стимулирования распада гликогена повышением уровня цАМФ

Цитоскелет сигнализирует

Регулируемая цАМФ каскадная схема взаимодействий ферментов кажется непростой, а в действительности устроена еще более сложно. В частности, связавшиеся с первичными мессенджерами рецепторы оказывают влияние на активность аденилатциклазы не непосредственно, а через так называемые G-белки (рис. 4), работающие под контролем гуанинтрифосфорной кислоты (ГТФ).

А что происходит, когда почему-либо нарушается нормальная связь событий? Примером может быть заболевание холерой. Токсин холерного вибриона оказывает воздействие на уровень ГТФ и влияет на активность G-белков. В результате уровень цАМФ в клетках кишечника больных холерой оказывается постоянно высоким, что вызывает переход больших количеств ионов натрия и воды из клеток в просвет кишечника. Следствие этого – изнуряющие поносы и потеря воды организмом.

В норме под воздействием фермента фосфодиэстеразы цАМФ в клетке быстро инактивируется, превращаясь в нециклический аденозинмонофосфат АМФ. Течение другого заболевания – коклюша, вызываемого бактериями Bordetella pertussis, сопровождается образованием токсина, который тормозит превращение цАМФ в АМФ. Отсюда возникают и неприятные симптомы болезни – покраснение горла и доходящий до рвоты кашель.

На активность фосфодиэстеразы, превращающей цАМФ в АМФ, влияют, например, кофеин и теофиллин, что обуславливает стимулирующее действие кофе и чая.

Многообразие эффектов цАМФ и способов регуляции его концентрации в клетках делает его универсальным вторичным мессенджером, играющим ключевую роль в активации различных протеинкиназ.

В разных клетках цАМФ может приводить к совершенно различным эффектам. Это соединение не только принимает участие в распаде гликогена и жиров, но также увеличивает частоту сердечных сокращений, влияет на расслабление мускулатуры, контролирует интенсивность секреции и скорость поглощения жидкостей. Оно является вторичным мессенджером для целого спектра различных гормонов: адреналина, вазопрессина, глюкагона, серотонина, простогландина, тироид-стимулирующего гормона; цАМФ работает в клетках скелетной мускулатуры, сердечной мышцы, в гладких мышцах, почках, печени, в тромбоцитах.

Резонно возникает вопрос: почему же различные клетки реагируют на цАМФ по разному? Можно сформулировать его и иначе: почему при повышении концентрации цАМФ в разных клетках активируются различные протеинкиназы, которые фосфорилируют разные белки? Эту ситуацию можно проиллюстрировать с помощью такой аналогии. Представьте себе, что к двери офиса постоянно подходят различные визитеры – лиганды и первичные мессенджеры. При этом они звонят в один-единственный звонок: раздается сигнал – вторичный мессенджер. Как при этом служащим заведения определить, кто именно пожаловал с визитом и как надо реагировать на данного посетителя?

Загадка ионов кальция

Рассмотрим сначала, что происходит со вторым чрезвычайно распространенным вторичным мессенджером – кальцием, вернее его ионами. Впервые их ключевая роль в ряде биологических реакций была показана еще в 1883 г. когда Сидней Рингер заметил, что изолированные мышцы лягушки не сокращаются в дистиллированной воде. Чтобы в ответ на электрическую стимуляцию мышца сократилась, ей необходимо присутствие в окружающей ее среде ионов кальция.

Рис. 5. Схема строения скелетной мышцы (саркомера)

Рис. 6. Система мембран, передающая сигнал от плазмалеммы мышечной клетки ко всем миофибриллам

Теперь последовательность основных событий, происходящих при сокращении скелетной мускулатуры, хорошо известна (рис. 5). В ответ на электрический импульс, который доходит до мышцы по аксону нервной клетки, внутри мышечной клетки – миофибриллы – открываются резервуары ионов кальция – мембранные цистерны, в которых концентрация ионов кальция может быть выше, чем в цитоплазме, в тысячу и более раз (рис. 6). Высвободившийся кальций соединяется с белком тропонином С, который связан с выстилающими внутреннюю поверхность клетки актиновыми филаментами. Тропонин (рис. 7) играет роль блокатора, препятствующего скольжению миозиновых нитей по актиновым филаментам. В результате присоединения кальция к тропонину блок отсоединяется от нити, миозин скользит по актину, и мышца сокращается (рис. 8). Как только акт сокращения заканчивается, специальные белки – кальциевые АТФазы – закачивают ионы кальция обратно во внутриклеточные резервуары.

Рис. 7. Схема расположения на актиновом филаменте тропонина и тропомиозина

Рис. 8. Актиновый филамент в поперечном разрезе

На концентрацию внутриклеточного кальция оказывают влияние не только нервные импульсы, но и другие сигналы. Например, это может быть уже знакомый нам цАМФ. В ответ на появление адреналина в крови и соответствующее повышение концентрации цАМФ в клетках сердечной мышцы в них высвобождаются ионы кальция, что приводит к учащению сердцебиения.

Вещества, оказывающие влияние на кальций, могут содержаться также непосредственно в клеточной мембране. Как известно, мембрана состоит из фосфолипидов, среди которых один – фосфоинозитол-4, 5-дифосфат – играет особую роль. Помимо инозита молекула фосфоинозитол-4, 5-дифосфата содержит две длинные углеводородные цепи, состоящие из 20 и 17 атомов углерода (рис. 9). Под воздействием определенных внеклеточных сигналов и под контролем уже знакомых читателям G-белков они отсоединяются, в результате чего образуются две молекулы – диацилглицерин и инозитолтрифосфат. Последний участвует в высвобождении внутриклеточного кальция (рис. 10). Такого рода сигнализация используется, например, в оплодотворенной икре шпорцевой лягушки.

Проникновение первого же из множества спермиев в готовую для оплодотворения икринку вызывает образование в ее мембране инозитолтрифосфата. В результате ионы кальция высвобождаются из внутренних резервуаров и оболочка оплодотворенной яйцеклетки мгновенно разбухает, отсекая путь внутрь яйцеклетки менее удачливым или менее расторопным сперматозоидам.