Межклеточные взаимодействия — основа регуляции

 

Согласно современной биологической классификации человек (Homo sapiens) относится к семейству гомонидов, отряду приматов, классу млекопитающих, типу позвоночных, царству многоклеточных животных. В связи с этим жизнеспособность человека как и всякого многоклеточного организма проявляется, прежде всего, в согласованности функционирования различных структурных элементов организма: систем, органов, тканей, клеток, наконец, биомолекулярных компонентов клеток и внутренней среды организма. Возможность такой согласованности определяется способностью клеток к избирательному взаимодействию с внеклеточной средой, включая способность клеток к специфическому поглощению ими из окружающей среды «необходимых» им субстратов (С) и к специфическому выделению ими в окружающую среду «ненужных» клеткам метаболитов (Мб). Такая способность клеток эволюционно закреплена в структуре клеточных оболочек - цитоплазматических мембранах.

Цитоплазматические мембраны представляют собой сравнительно жесткие объемные и многослойные образования - липогликопротеидные комплексы. Внутреннюю часть мембраны составляет двойной слой биполярных фосфолипидов типа фосфатидов и сфинголипидов; наружные слои мембраны - полисахариды и полипептиды; эпизодически в мембрану вкраплены неполярные липиды типа стеролов.

В связи с молекулярной разнотипностью вклиненных в состав мембран липидов, полипептидов и полисахаридов, а также вследствие значительной вариабельности в степени полимерности полипептидов и полисахаридов, цитоплазматические мембраны неоднородны и характеризуются мозаичной структурой. Аналогично организованы и оболочки внутриклеточных структурных элементов - митохондриальные иэндоплазматические мембраны.

Мозаичность мембран проявляется в наличии трансмембранных гидрофобных липидных каналов (диаметром 1,5-2 нм) и гидрофильных полипептидных каналов (диаметром до 0,5 нм), а также мембранных структурных блоков особого типа, представляющих собой сопряженные друг с другом разнообразные биоэнергетические и биокаталитические системы. Следствием мозаичности мембран является их функциональная способность к избирательной проницаемости субстратов и метаболитов. Различают следующие четыре типа мембранной проницаемости:

1). Пассивная диффузия сквозь гидрофобные и гидрофильные трансмембранные каналы за счет градиента концентрации того или иного субстрата (С) в клетку, либо метаболита из клетки, например:

2). Активная диффузия сквозь трансмембранные каналы субстратов и метаболитов, предварительно конъюгированных специфичными для каждого из них переносчиками (П) с образованием равновесно существующего конъюгата (С+П); движущая сила проницаемости - градиенты концентраций конъюгата и переносчика, например:

3). Метаболический перенос, реализуемый в тех случаях, когда переносчики субстратов или метаболитов (П₁, П₂... П_х) являются структурными элементами трансмембранных каналов; система переноса функционирует по принципу трансмембранного насоса и ее эффективность не зависит от градиента концентрации субстрата или метаболита, например:

 

4). Пиноцитоз (одноактное поступление в клетку большой порции субстрата) и экзоцитоз (одноактное выделение из клетки большой порции метаболита) в результате локального эпизодического и временного разрушения отдельного участка мембраны при взаимодействии структурных элементов цитоплазматической мембраны с мембранами "везикул" - пузырькообразных конъюгатов липополисахаридов с субстратами или метаболитами (Мб), например:

При функционировании подобных механизмов мембранной проницаемости обеспечивается жизнеспособность каждой отдельной клетки в конкретных условиях внеклеточной среды. Однако для обеспечения жизнеспособности сообщества клеток, образующих те или иные ткани (органы, системы и организм в целом), необходим более высокий уровень организации - согласованность метаболизма во всех этих структурных элементах многоклеточного организма.

Устойчивый уровень согласованного функционирования сообщества клеток проявляется, прежде всего, в гомеостазе - способности организма самостоятельно поддерживать относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды, то есть относительное постоянство ионного, молекулярного и биомолекулярного состава крови, лимфы и межклеточной (тканевой) жидкости. Синхронность функционирования каждой клетки, тканей, органов и всех систем организма в целом достигается путем регуляции их деятельности нейро-гуморальной системой.

Эффективность нейро-гуморальной регуляции обеспечивается путем эстафетной обратной связи, реализуемой с помощью биохимических посредников - гормонов (функционирующих во внутренней среде) и медиаторов (функционирующих в волокнах нервной системы).

Функциональная особенность биохимических посредников нейро-гуморальной регуляции (гормонов и медиаторов) состоит в том, что они способны выступать в роли внеклеточных эффекторов, избирательно хеморецептирующихся на внешних элементах специализированных структурных блоков, вмонтированных в клеточные мембраны (цитоплазматические, митохондриальные, эндоплазматические) и пронизывающих их. При этом реализуются рецептор-эффекторные взаимодействия, которые обычно высокоспецифичны и осуществляются мгновенно по равновесной схеме.

Положение равновесия крайне чувствительно к концентрации эффектора (в частности, гормона или медиатора) в околорецепторном пространстве:

 

Сопряженные с рецепторами внутренние элементы структурных мембранных блоков в большинстве случаев представляют собой потенциальные биокаталитические системы, ответственные за конкретные мембранные и внутриклеточные процессы а активирующиеся (или, наоборот, дезактивирующиеся) при хеморецепции соответствующих эффекторов. И в зависимости от состояния рецептора (свободного или связанного с эффектором) внутриклеточные элементы мембранного блока характеризуются той или иной биокаталитической активностью:

 

 

Таким образом, гормоны и медиаторы, функционирующие вне клетки, выполняют роль эффектора и способны изменять (стимулировать или блокировать) зависимые от них мембранные и внутриклеточные процессы, например:

 

Рецепторно-эффекторное взаимодействие может осуществляться и по многоступенчатой схеме: одна молекула эффектора (Э') взаимодействует с одним из участков рецептора (Р'), вызывая такую перестройку мембранного блока, при которой другой участок рецептора (Р")приобретает способность взаимодействовать с другой молекулой или несколькими молекулами) этого же или другого эффектора (Э"). При этом только подобный, каскадный процесс хеморецепции обеспечивает активирование биокаталитической системы - мембранной или внутриклеточной.

Такое индуцированное рецептор-эффекторное взаимодействие типично при модуляции структурной перестройки (МСП₀→МСП^*), стимулирующей открытие (или закрытие) трансмембранного канала (или насоса), по которому осуществляется пассивное или активное проникновение субстрата (С) в клетку либо метаболита (Мб) из клетки, например:

Наконец, возможно и сочетание рассмотренных эффектов, когда в результате индуцированного рецептор-эффекторного взаимодействия реализуется такая модуляция структурной перестройки мембранного блока, когда одновременно (либо через короткий промежуток времени) стимулируется трансмембранная проводимость (открытие канала или включение насоса), и активируется (либо блокируется) внутриклеточный фермент, например:

Специфичность подобных рецептор-эффекторных взаимодействий обусловлена эволюционно сложившимся подбором таких пар реагентов (рецептора и эффектора), которые соответствуют друг другу в отношении стерических (конформационных) особенностей, степени гидрофобности и характера распределения электронной плотности, благодаря чему практически отсутствуют энергетические барьеры подобных взаимодействий.

Рассмотренные способы внеклеточной регуляции мембранными и внутриклеточными процессами составляют основу нейро-гуморальной регуляции, реализуемой при функционировании двух связанных между собой систем - эндокринной и нервной (рис. 1.1). В обоих случаях метаболиты одной клетки выполняют функции эффекторов другой клетки - зависимой. В результате действия таких эффекторов в зависимой клетке изменяется характер трансмембранной проницаемости (стимулируется или блокируется), что приводит к трансформации метаболизма.

Некоторые из вновь выделяемых во внеклеточную среду метаболитов (Мб) зависимой клетки в свою очередь оказываются эффекторами (Э) следующих клеток (Мб~Э). В итоге реализуются эстафетные межклеточные взаимодействия – происходит передача информации между клетками.

 

При этом подобные метаболиты-эффекторы как бы являются посредниками межклеточных передач (межорганных, межсистемных). С помощью таких посредников (гормонов системы эндокринной регуляции, медиаторов и модуляторов системы нервной регуляции) достигается следующее:

· получение информации о позитивном или негативном влиянии экзогенных и эндогенных факторов;

· передача информации об изменении гомеостаза в центральный аппарат нейро-гуморальной регуляции;

· расшифровка полученной гипоталамусом информации и формирование программы ответной реакции организма, наиболее благоприятной для его жизнедеятельности в создавшейся ситуации;

· реализация такого психического, секреторного или мышечного ответа, который адекватно снижает последствия влияния внешних и внутренних факторов.

 

Рис. 1.1. Нейро-гуморальный комплекс (принципиальная схема)

 

Перечисленные возможности регуляции отражают две основные черты управления многоклеточным организмом - последовательность событий при передаче и обработке информации и наличие обратной связи. Обе эти принципиальные особенности присущи каждой системе регуляции (рис. 1.1) и особенно эффективно проявляются в системе нервной регуляции.