Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 278
Текст из файла (страница 278)
15.8. Зависимость животной клетки от многочисленных внеклеточных сигнальных молекул. Каждый тип клеток несет набор рецепторов, позволяющих ему отвечать на соответствующий посылаемый другими клетками набор сигнальных молекул. Сочетания сигнальных молекул регулируют функционирование клетки. Как здесь показано, иногда отдельным клеткам требуется несколько сигналов для выживания (голубые стрелки) и дополнительные сигналы для роста и деления (красная сглрелка) или дифференциации (зеленые стрелки). В отсутствие соответствующих сигналов выживания клетки претерпевают апоптоз (запрограммированную клеточную смерть).
В реальности все еще сложнее. На рисунке не показано, что некоторые сигнальные молекулы ингибируют зги и другие функции клеток или даже запускают апоптоз. 15.1.5. Обычно различные типы клеток по-разновяу отвечают на одну и ту псе внеклеточную сигнальную молекулу Ответ клетки иа внеклеточный сигнал зависит ие только от рецепторов, ко торые оиа несет, ио и от виутриклеточиого аппарата, при помощи которого оиа обрабазывает и интерпретирует получаемые сигналы.
Таким образом, единственная сигнальная молекула обычно по разному действует иа разные типы клеток мишеней. Ией)юмедиатор ацетилхолии (рис. 15.9, а), например, сиижает частоту и силу сокращсиий клеток сердечиой мышцы (рис. 15.9, б) и стимулирует сокращение клеток скелетных мышц (рис. 15.9, в). В данном случае рецепториые белки ацетилхолииа в скелетных мышцах отличаются от рецепторов сердечиой мьшщы. 11о обычно раз личия в рецепторах ие объясняют различия в ответах. Одна и та же сигиальиая молекула, связывающаяся с одинаковыми рецепторами, обычно оказывает разное действие в различных типах клеток мишеней, как в случае связываиия ацетилхолина в ссрдечиой мышце и клетках слюнных желез (сравии рис. 15.9, б и 15.9, г). Иио гда зто отражает различия в активируемых виутриклеточиых сигнальных белках, ииогда -- различия в белках зффекторах или активируемых генах.
Таким образом, виеклегочиый сигнал сам по себе несет мало информации о своем содержании, ои просто иапрггсто вызывает ответ клетки, предопредйлеииый ее состоянием, которое зависит от истории развития клетки и специфики зкспрессируемых ект генов. белок- '1 рецептор ~егчлз Йф' ), Ф:: 5' 'ьм) ) вцетипхолин в) вцетилхолин О Сн з г, Н С-С вЂ” Π— СН вЂ” СН вЂ” М вЂ” СН з г г з г СНз в) яврткв околотков мыввзз г) ' ХГВЯкв Фля)ви)гй Хгедвеы Рис.
15.9. Различные ответы на нейромедиатор ацетилхолин. о) Химическая структура ацетилхолина. 6-г) Различные типы клеток по-рвзному реагируют нз вцетилхолин. В некоторых случаях 1б и в) отличаются рецепторы к ацетилхолину. В других зцетилхолин связывается с одним и тем же рецептором, но результирующие внутриклеточные сигналы в клетках, специализирующихся в выполнении разных функций, по-резному интерпретируются. 55,1.
Общие принципы клеточной коммуникации 1559 Вопрос о том, как клетка интегрирует, обрабатывает различные входящие сигналы и реагирует на них, аналогичен вопросу о том, как мозг собирает и обра батывает получаемую информацию для регуляции поведения организма. В обоих случаях, для того чтобы понять, как работает данный процесс, нам требуется Гюль ше чем список компонентов и связей в системе. На первом этапе нам необходимо рассмотреть некоторые базовые принципы, касающиеся того, как клетка отвечает на простой сигнал данного типа. 55.
г.б, Судьба некоторых развивающихся клеток зависит От их положения в градиенте морфогвна Один и то же сигнал, действующий на клетки одного типа, может вызывать качественно разный ответ в зависимости от его концентрации. Как мы обсудим в главе 22, такая зависимость ответа клетки от концентрации сигнальной молекулы играет ключевую роль в эмбриональном развитии животных, когда клетки начинакп отличаться друг от друга.
Внеклеточная сигнальная молекула, действукяцая таким образом в процессе развития, называется морфогеном. В простейшем случае она диффундирует из фиксированного клеточного источника ~,сигнаггьного цснтра), создавая концентраци онный градиент сигнала. Расположение клеток в градиенте определяет их судьбу: у клеток, расположенных ближе всего к сигнальному центру и оказывающихся под действием наибольшей концентрации сигнала, активируется наибольшее число рецепторов, в результате чего они идут по одному пути развития. Другие же клет ки, расположенные чуть дальше от источника сигнала, пойдут по другому пути, и так далее (рггс.
) 5.'г0). Как мы обсудим позже (и в главе 22), различные уровни активации рецепторов приводят к различиям в их концентрации или активности одного или нескольких регуляторных белков генов в ядре клетки, что, в свою очередь, приводит к различным профилям экспрессии генов. Более того, локальные сигнальные взаимодействия между клетками в градиенте часто способствуют закреплению и стабилизации различных путей развитмя. источник ! морфогена градиент морфогена й)г" ".,' " неопределившиеся клетки 1 1 ® ® О в С Рис. 15.10.
Клетки идут по различным путям развития в зависимости от их положения в градиенте морфогена. Различные концентрации морфогена приводят к зкспрессни разных групп генов, что определяет расхождение путей развития клеток (на рисунке обозначены разными буквами и цветами) 1360 Часть!Ч. Внутренняя организация клетки 15.1.7. Клетка может быстро изменить концентрацию внутриклеточной молекулы, только если время жизни молекулы мало Естественно рассуждать о сигнальных системах в терминах изменений, проис; ходящих при доставке внеклеточного сигнала. Но не менее важно рассматривать, что происходит, когда сигнал исчезает.
В процессе развития действие короткоживущих внеклеточных сигналов часто может приводить к длительным эффектам: оно может запустить изменения в развитии клетки, бесконечно сохраняющиеся в клеточных механизмах памяти, как мы обсудим ниже (и в главах 7 и 22). Однако в зрелых тканях в большинстве случаев ответ заканчивается с исчезновением сигнала. Зачастую влияние сигнала является временным, потому что он оказывает действие на концентрации короткоживущих (нестабильных) внутриклеточных молекул, претерпевающих непрерывное обновление.
Таким образом, как только внеклегочный сигнал исчезает, замена старых молекул новыми стирает все следы воздействия сигнала. Следовательно, скорость ответа клетки на удаление сигнала зависит от скорости разрушения или обновления внутриклеточных молекул, на которые влияет сигнал. Значительно менее очевиден тот факт, что скорость обновления также определяет, насколько быстро клетка отвечает на сигнал. Рассмотрим, например, две внутриклеточные сигнальные молекулы Х и У, концентрация каждой из которых в норме поддерживается на уровне 1000 молекул на клетку. Клетка синтезирует и разрушает молекулу У со скоростью 100 молекул в секунду, среднее время жизни каждой молекулы составляет 10 секунд. Скорость оборота молекулы Х в 10 раз медленнее, чем скорость оборота У: она синтезируется и разрушается со скоростью 10 молекул в секунду, и среднее время жизни для нее составляет 100 секунд. Если сигнал вызывает десятикратное увеличение скоростей синтеза Х и У без изменения времен жизни этих молекул, после 1 секунды концентрация У возрастет почти на 900 молекул на клетку (10 х 100 — 100), тогда как концентрация Х вырастет всего на 00 молекул на клетку.
В самом деле, после быстрого увеличения или уменыпения скорости синтеза молекулы время, необходимое для того, чтобы концентрация молекул достигла половины своего нового равновесного значения, зависит от времени полужизни молекулы, т. е, равно времени, необходимому для падения концентрации наполовину при остановке синтеза (рис. 15.11). Сходные принципы применимы для белков и малых молекул вне зависимости от того, расположены ли они в клетке или во внеклеточном пространстве.
Многие внутриклеточные белки имеют короткое время полужизни, иногда составлян>щее менее 10 минут. В большинстве случаев это ключевые регуляторные белки, чьи концентрации в клетке могут быстро изменяться за счет изменения скорости их синтеза. Позднее мы рассмотрим, как во многих случаях ответ клеток на внеклеточные сигналы зависит от активации или инактивации внутриклеточных сигначьных белков, а не от их синтеза или деградации. Фосфорилирование или связывание ОТР, например, часто активируют сигнальные белки.
Однако даже в таких случаях, для того чтобы сигнализация могла протекать быстро, активация должна непрерывно и быстро сниматься (в данных примерах путем дефосфорилирования или гидролиза ОТР до ОРР соответственно). Процессы инактивации играют ключевую роль в том, какими будут амплитуда, скорость и продолжительность сигнала. 1О 200 мин 1О минуты после уменьшения скорости синтеза в 10 рвз минуты после уееличвния скорости синтеза в 10 раэ Рис. 15Д1.
Влияние быстрого обновления. На графиках изображены предсказанные относительные скорости изменения енутриклеточных концентраций молекул с разными временами оборота при быстром десятикратном (а) уменьшении или (б) увеличении скорости их синтеза. 8 обоих случаях концентрация молекул, которые е норме разрушаются быстро (красные линии), так же быстро и изменяется, тогда как концентрация медленно разрушающихся молекул (зеленые линев) изменяется пропорционально медленнее. Числа справа (голубые) — зто предположительные времена полужизни молекул. 15.1.8.
Сигнал оксида азота основан иа примой регупяп(ии активности специфических белков клетки-алишени Большая часть данной главы посвящена сигнальным путям, активируемым поверхностными рецепторами клетки. Однако прежде чем мы начнем обсуж дать эти рецепторы и пути, кратко рассмотрим некоторые важные сигнальные молекулы, активирующие вт(тултриклеточньге рет(етзтпорьл К этим молекулам относятся оксид азота и стероидные гормоны, которые мы обсудим по очереди. Несмотря на то что большинство внеклеточных сигнальных молекул гидрофильно и связывается с рецепторами на поверхности клетки мишени, некоторые из них достаточно гидрофобны или малы (или и то, и другое) для того, чтобы легко преодолевать плазматическую мембрану клетки мишени.
Попав внутрь, они напрямую регулируют активность специфических внутриклеточных белков. Важным примером такого рода молекул является газ оксид азота ХО, который служит сигнальной молекулой как в растительных, так и в животных клетках. Даже некоторые бактерии способны чувствовать очень низкие концентрации )х)О и избегать его. У млекопитаюших одна из многочисленных функций )ЧΠ— расслабление гладких мышц, например, в стенках кровяных сосудов (рис. (5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
