Главная Этика Роль вторичных мессенджеров в действии лекарственных веществ. Вторичные мессенджеры. Основные рецепторы вегетативной нервной системы

Роль вторичных мессенджеров в действии лекарственных веществ. Вторичные мессенджеры. Основные рецепторы вегетативной нервной системы

Подробности

Вторичные мессенджеры - это посредники, осуществляющие передачу сигнала с мембраны клетки в ядро. Это необходимо для запуска процессов, обеспечивающих эффект и реакцию на сигнал.

Рассмотрим механизмы реализации сигнала в эффекторных клетках висцеральных органов при активации рецепторов вегетативной нервной системы.

1. Сравнительная анатомическая характеристика эффекторного звена вегетативной нервной и двигательной систем.

2. Основные медиаторы вегетативной нервной системы.

3. Основные рецепторы вегетативной нервной системы.

Рецепторы вегетативной нервной системы относятся к двум суперсемействам мембранных рецепторов:

Семейство рецепторов, сопряженных с ионным каналом – канал-сопряженные рецепторы (Nn-холинорецептор).
G-сопряженные трансмембранные рецепторы или метаботропные рецепторы, активация которых приводит к образованию внутриклеточного вторичного посредника, запускающего каскадные реакции, приводящие к изменению метаболизма эффекторной клетки и активации или ингибированию ионных каналов (М-холинорецепторы, альфа-и-бета-адренорецептора).

Система мембранно-рецепторного взаимодействия является двухкомпонентной:

Активация рецепторов, путем взаимодействия физиологически активного вещества с рецептором.
Образование или вхождение внутриклеточных посредников (вторичных мессенджеров), которые полностью или в значительной мере воспроизводят эффекты физиологически активных веществ с помощью каскадных реакций.

Внутриклеточные посредники (вторичные мессенджеры) , опосредующие активацию адренергических и холинергических рецепторов на эффекторных клетках висцеральных органов:

циклическая аденозинмонофосфорная каслота (цАМФ, cAMP).
циклическая гуанозинмонофосфорная кислота (цГМФ, cGMP)
инозитолтрифосфат (IP3)
диацилглицерол (DAG)
ион Са

4. Схематическое изображение Nn холинорецептора и механизм его работы.

Путь передачи сигнала --> Активация аденилатциклазы Gs

cAMP-зависимая протеинкиназа (PKA)

цАМФ связывается с регуляторной субъединицей PKA, изменяется ее конформация, это вызывает диссоциацию и отцепление от нее каталитической субъединицы---> протеинкиназа А активируется.

Для отсоединения каталитической субъединицы требуется более 2 молекул цАМФ

PKA - относится к классу Ser/Thr-киназ, является субстрат-специфичной, может запускать каскад фосфорилирования белков (он поддается регуляции).

5. Основные классы G белков млекопитающих.

6. Эффекты активации бета1- и-бета2-адренорецепторов в кардиомиоцитах.

7. Роль разных типов АКАР во внутриклеточной локализации протеинкиназы А и других молекул.

Быстро образуются и далее активируют эффекторные белки, которые опосредуют ответ клетки. К наиболее распространенным вторичным посредникам относятся цАМФ и другие циклические нуклеотиды , ионы кальция, оксид азота .

Концентрация вторичных посредников в цитозоле может быть повышена различными путями: активацией ферментов , которые их синтезируют, как, например в случае активации циклаз, образующих циклические формы нуклеотидов (цАМФ , цГМФ), либо путем открывания ионных каналов , позволяющих потоку ионов металлов , например, ионов кальция войти в клетку. Эти малые молекулы могут далее связывать и активировать эффекторные молекулы - протеинкиназы , ионные каналы и разнообразные другие белки.

Классификация

Вторичные посредники классифицируют по растворимости в воде и размеру молекулы

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Вторичные посредники" в других словарях:

Вторичные посредники (second messengers, вторичные мессенджеры) это компоненты системы передачи сигнала в клетке, малые сигнальные молекулы. Вторичные посредники являются компонентами каскадов передачи сигнала быстро образуются и далее… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Сигнал (значения). У этого термина существуют и другие значения, см. Трансдукция. У этого термина существуют и другие значения, см. Передача сигнала в клетке. Передача сигнала (сигнальная… … Википедия

Передача сигнала (signal transduction, сигнальная трансдукция, трансдукция, сигналинг, сигнализация, (англ. signal transduction) в молекулярной биологии термин «Передача сигнала» относится к любому процессу, при помощи которого клетка превращает … Википедия

- (signal transduction, сигнальная трансдукция, трансдукция, сигналинг, сигнализация, (англ. signal transduction) в молекулярной биологии термин «Передача сигнала» относится к любому процессу, при помощи которого клетка превращает один тип сигнала … Википедия

- (IP3) это водорастворимый вторичный посредник. IP3 образуется в результате распада мембранных фосфолипидов под действием фермента фосфолипазы С. Инозитолтрифосфат вместе с диацилглицеролом принимает участие в передаче сигнала в клетке. IP3… … Википедия

I Возбуждение активный физиологический процесс, которым некоторые виды клеток отвечают на внешнее воздействие. Способность клеток к возникновению В. называется возбудимостью. К возбудимым клеткам относятся нервные, мышечные и железистые. Все… … Медицинская энциклопедия

Мембранный фермент аденилатциклаза может находиться в двух формах - активированной и неактивированной. Активация аденилатциклазы происходит под влиянием гормон-рецепторного комплекса, образование которого приводит к связыванию гуанилового нуклеотида (ГТФ) с особым регуляторным стимулирующим белком (GS-белок), после чего GS-белок вызывает присоединение Mg к аденилатциклазе и ее активацию (рис.3.14).

Рис.3.14. Механизм опосредования гормонального стимула системой аденилатциклаза-цАМФ.

Так действуют активирующие аденилатциклазу гормоны - глюкагон, тиротропин, паратирин, вазопрессин (через V-2-рецепторы), гонадотропин и др. Ряд гормонов, напротив, подавляет аденилатциклазу - соматостатин, ангиотензин- II и др. Гормон-рецепторные комплексы этих гормонов взаимодействуют в мембране клетки с другим регуляторным ингибирующим белком (GI-белок), который вызывает гидролиз ГТФ до ГДФ и, соответственно, подавление активности аденилатциклазы. Адреналин через бета-адренорецепторы активирует аденилатциклазу, а через альфа-1-адренорецепторы ее подавляет.

Под влиянием аденилатциклазы из АТФ синтезируется цАМФ, вызывающий активацию двух типов протеинкиназ в цитоплазме клетки, ведущих к фосфорилированию многочисленных внутриклеточных белков. Это меняет проницаемость мембран, активность и количество ферментов, т.е. вызывает типичные для гормона метаболические и, соответственно, функциональные сдвиги. В табл.3.3 приведены основные эффекты активации цАМФ-зависимых протеинкиназ.

Кроме активации протеинкиназ внутриклеточные эффекты цАМФ реализуются также через три других механизма:

1) Систему кальций-кальмодулин,
2) Трансметилазную систему,
3) Аденозин-5-монофосфат - аденозин.

О роли системы кальций-кальмодулин будет сказано ниже. Трансметилазная система обеспечивает метилирование ДНК, всех типов РНК, белков хроматина и мембран, ряда гормонов на уровне тканей, фосфолипидов мембран. Это способствует реализации многих гормональных влияний на процессы пролиферации, дифференцировки, состояние проницаемости мембран и свойства их ионных каналов и, что важно подчеркнуть особо, влияет на доступность мембранных реиепторных белков молекулам гормонов.

Прекращение гормонального эффекта, реализуемого через систему аденилатциклаза-цАМФ, осуществляется с помощью специального фермента фосфодиэстеразы цАМФ, вызывающей гидролиз этого вторичного посредника с образованием аденозин-5-монофосфата. Однако, этот продукт гидролиза превращается в клетке в аденозин, обладающий четким эффектом подавления процессов метилирования, что также играет роль в реализации определенных гормональных влияний.

2. Система гуанилатциклаза-цГМФ

Система гуанилатциклаза-цГМФ. Активация мембранной гу-анилатциклазы происходит не под непосредственным влиянием гормон-рецепторного комплекса, а опосредованно через ионизированный кальций и оксидантные системы мембран. Типичная стимуляция активности гуанилатциклазы ацетилхолином также реализуется опосредованно через Са++ . Через активацию гуанилатциклазы реализует эффект и натриуретический гормон предсердий - атриопептид. Путем активации перекисного окисления стимулирует гу-анилатциклазу биологически активное вещество (тканевой гормон) сосудистой стенки - расслабляющий эндотелиальный фактор. Под влиянием гуанилатциклазы из ГТФ синтезируется цГМФ, активирующий цГМФ-зависимые протеинкиназы, которые уменьшают скорость фосфорилирования легких цепей миозина в гладких мышцах стенок сосудов, приводя к их расслаблению. В большинстве тканей биохимические и физиологические эффекты цАМФ и цГМФ проти-воложны. Примерами могут служить стимуляция сокращений сердца под влиянием цАМФ и торможение их цГМФ, стимуляция сокращения гладких мышц кишечника цГМФ и подавление цАМФ. цГМФ играет роль в гиперполяризации рецепторов сетчатки глаза под влиянием фотонов света. Ферментативный гидролиз цГМФ осуществляется с помощью специфической фосфодиэстеразы.

3. Система фосфолипаза С - инозитол-три-фосфат

Гормонрецепторный комплекс с участием регуляторного G-белка ведет к активации мембранного фермента фосфолипазы С, вызывающей гидролиз фосфолигшдов мембраны с образованием двух вторичных посредников: инозитол-3-фосфата и диадилглицерола. Инозитол-3-фосфат вызывает выход Са++ из внутриклеточных депо, в основном из эндоплазматического ретикулума, ионизированный кальций связывается со специализированным белком кальмодулином, что обеспечивает активацию ряда протеинкиназ и фосфорилирование внутриклеточных структурных белков и ферментов (рис.3.15).

Рис.3.15. Механизм опосредования гормонального стимула системой фосфолипаза С - инозитол-3-фосфат. Пояснения в тексте.

В свою очередь диацилглицерол способствует резкому повышению сродства протеинкиназы С к ионизированному кальцию, последний без участия кальмодулина ее активирует, что также завершается процессами фосфорилирования других белков. Диацилглицерол одновременно может реализовывать и другой путь опосредования гормонального эффекта, так как он активирует фосфолипазу А-2. Под влиянием последней из мембранных фосфолипидов образуется арахидоновая кислота, являющаяся источником мощных по метаболическим и физиологическим эффектам веществ - простагландинов и лейкотриенов. Необходимо указать, что в разных клетках превалирует один или другой пути образования вторичных посредников, что в конечном счете и определяет физиологический эффект гормона. Через рассмотренные системы вторичных посредников реализуются эффекты адреналина (при связи с альфа-адренорецептором), вазопрессина (при связи с V- 1-рецептором), ангиотензина- II, соматостатина, окситоцина и других гормонов.

4. Система Са - кальмодулин

Система Са - кальмодулин. Ионизированный кальций поступает в клетку после образования гормон-рецепторного комплекса либо из внеклеточной среды за счет активирования медленных кальциевых каналов мембраны (как это происходит, например, в миокарде), либо из внутриклеточных депо, под влиянием вышеописанных внутриклеточных процессов. В цитоплазме немышечных клеток кальций связывается со специальным белком-кальмодулином, а в мышечных клетках роль кальмодулина выполняет тропонин С. Связанный с кальцием кальмодулин изменяет свою пространственную организацию и активирует многочисленные протеинкиназы, обеспечивающие фосфорилирование белков. Кроме того комплекс кальций-кальмодулин активирует фосфодиэстеразу цАМФ, что подавляет ее эффект как вторичного посредника. Кратковременное увеличение в клетке кальция и его связывание с кальмодулином является пусковым стимулом для многочисленных физиологических процессов - сокращения мышц, секреции гормонов и выделения медиаторов, синтеза ДНК, изменения подвижности клеток, транспорта веществ через мембраны, изменения активности ферментов.

Жизнь любой клетки, включая глобальные процессы ее роста, деления и даже гибели, зависит от внешних регуляторных сигналов, которые она воспринимает. Такими сигналами могут быть физические воздействия (температура, ионизирующее и другое электромагнитное излучение) или многочисленные химические соединения. Хорошо изученными веществами, которые организм использует для регуляции жизнедеятельности клеток, являются, например стероидные гормоны, цитокины или факторы роста, которые, достигая клеток-мишеней, вызывают в них специфические метаболические изменения, связанные в том числе и с изменением экспрессии больших групп генов. Не менее сильный и часто также специфический ответ вызывают различные физиологически активные вещества экзогенного происхождения, например феромоны или токсины.

Все эти сигналы, передающиеся через соответствующие сигнальные молекулы, являются первичными по отношению к тем каскадам биохимических реакций, которые запускаются в клетках в ответ на их воздействие. Первичные сигналы распознаются клетками благодаря наличию у них специальных молекул-рецепторов белковой природы, взаимодействующих с первичными сигнальными молекулами или воздействиями физической природы. Первичный сигнал, как правило, не действует прямо на те метаболические процессы в клетке, для регуляции которых он предназначен. Вместо этого воспринимающий его рецептор инициирует образование в клетке промежуточных химических соединений, запускающих внутриклеточные процессы, воздействие на которые было целью первичного внеклеточного сигнала. Поскольку такие промежуточные соединения несут в себе информацию о первичном регуляторном сигнале и являются вторичными его переносчиками, они получили название вторичных мессенджеров. Ими могут быть различные ионы, циклические нуклеотиды, продукты деградации липидов и целый ряд других химических соединений биогенного происхождения.

Использование эукариотами системы вторичных мессенджеров переводит их на новый уровень интеграции всех метаболических и катаболических процессов, что необходимо для существования многоклеточных организмов. В частности, вторичные мессенджеры позволяют многократно усиливать первичный регуляторный сигнал от внеклеточных регуляторных молекул, которые благодаря этому осуществляют свое действие, находясь в небольших концентрациях во внеклеточном пространстве. Кроме того, многие группы клеток и тканей приобретают способность к однотипной и одновременной реакции на первичный регуляторный сигнал, например на действие гормона какого-либо органа эндокринной системы. Это обеспечивает возможность быстрой адаптации многоклеточного организма к изменяющимся условиям внутренней и окружающей среды.

Трансмембранный перенос первичных сигналов. Для того чтобы первичный регуляторный сигнал достиг ядра и оказал свое воздействие на экспрессию генов-мишеней, он должен пройти через двухслойную мембрану именно тех клеток, которым он предназначен. Как правило, это достигается благодаря наличию на поверхности клеток рецепторов белковой природы, специфически выбирающих из окружающей среды сигналы, распознать которые они в состоянии (рис. I.22). В простейшем случае, когда в качестве низкомолекулярных регуляторов выступают гидрофобные химические соединения, растворимые в липидах мембран (например стероидные гормоны), для их переноса не используются рецепторы, и они проникают в клетку путем радиальной диффузии. Внутри клеток такие соединения специфически взаимодействуют с белковыми рецепторами, а образующийся комплекс переносится в ядро, где оказывает свое регуляторное воздействие на транскрипцию соответствующих генов (см. рис. I.22,а ).

В отличие от этого рецепторы мембран, ориентированные во внеклеточное пространство, обладают способностью осуществлять транспорт лиганда-регулятора внутрь клеток посредством эндоцитоза (поглощения путем втягивания мембраны) комплекса лиганд-рецептор в составе мембранных везикул. Такой механизм используется, в частности, для переноса внутрь клеток молекул холестерина, ассоциированных с рецепторами липопротеинов низкой плотности (см. рис. I.22,б ). Другой тип рецепторов, ориентированных на внеклеточные лиганды, – это трансмембранные молекулы или группа молекул. Взаимодействие с лигандом внешней части таких молекул сопровождается индукцией ферментативной активности, ассоциированной с внутриклеточной частью того же самого полипептида (см. рис. I.22,в ). Примерами подобных рецепторов, обладающих активностью тирозиновых протеинкиназ, являются рецепторы инсулина, эпидермального фактора роста или фактора роста тромбоцитов. В синапсах нейронов и местах контакта нейромышечных тканей лиганды-нейромедиаторы (например ацетилхолин или -аминомасляная кислота) взаимодействуют с трансмембранными ионными каналами (см. рис. I.22,г ). В ответ на это происходит открытие ионных каналов, сопровождаемое перемещением ионов через мембрану и быстрым изменением трансмембранного электрического потенциала. Другие трансмембранные рецепторы осуществляют связь белков внеклеточного матрикса с микрофиламентами цитоскелета клеток и регуляцию формы клеток, зависящую от внеклеточного матрикса, их подвижности и роста (см. рис. I.22,д ). Наконец, большая группа внеклеточных сигналов распознается рецепторами, ассоциированными на внутренней поверхности мембраны с GTP-связывающими белками, которые, в свою очередь, в ответ на первичный сигнал начинают синтез вторичных мессенджеров, регулирующих активность внутриклеточных белков (см. рис. I.22,е ). Классификация по структурному признаку рецепторов, осуществляющих перенос сигнала в клетки через мембраны, приведена в табл. I.12.

Рис. I.22. Способы передачи внеклеточных регуляторных сигналов через мембраны эукариотических клеток (а – е )

Y и Y–P – нефосфорилированные и фосфорилированные остатки Tyr в белках соответственно. Показано также превращение предшественника X во вторичный мессенджер Z

Все рецепторы, участвующие в трансмембранной передаче сигнала, подразделяют на три класса. При этом, как правило, учитывается сходство или различие вторичных структур субъединиц, а не особенности их аминокислотных последовательностей. Рецепторы 1-го класса образуют олигомерные структуры вокруг пор в мембранах. Перенос сигнала в этом случае происходит в результате открытия или (в одном случае) закрытия ионных каналов. Основная часть рецепторов 2-го класса погружена в мембраны, и каждая из субъединиц содержит последовательности, распознаваемые G-белками (см. ниже). Для всех субъединиц этого класса характерно наличие трансмембранной (ТМ) последовательности, которая 7 раз пересекает мембрану. Субъединицы рецепторов 3-го класса минимально погружены в мембраны, что обеспечивает подвижность рецепторов и возможность их интернализации (перехода в цитоплазму клеток в составе мембранной везикулы). Большая часть полипептидных цепей этих субъединиц экспонирована наружу клеток.

Вторичные мессенджеры. Гипотеза о том, что действие гормонов на метаболизм клеток и экспрессию генов опосредуется внутриклеточными вторичными мессенджерами, впервые появилась после открытия в конце 1950-х годов Е. Сазерлендом циклического аденозин-3’,5’-монофосфата (cAMP). К настоящему времени список вторичных мессенджеров расширился и включает циклический гуанозин-3’,5’-монофосфат, фосфоинозитиды, ионы Ca 2+ и H + , метаболиты ретиноевой и арахидоновой кислот, закись азота (NO), а также некоторые другие химические соединения биогенного происхождения. Подробное рассмотрение особенностей механизма действия каждого из них выходит за рамки данной монографии, хотя все они могут оказывать специфическое влияние на экспрессию генов.

Цитоскелет, помимо опорной и локомоторной функции, осуществляет и внутриклеточное перемещение органоидов, включений, секреторных гранул. Обеспечивает прикрепление клеток друг к другу (с помощью десмосом) и межклеточному веществу, участвует в передаче сигнала от мембранных рецепторов внутрь клетки.

Нарушение функции цитоскелета может быть следствием :

· энергодефицита, так как он совершает свою механическую работу за счет расщепления АТФ и ГТФ. Наблюдается угнетение актинмиозиновой (в микрофиламентах) или тубулин-динеиновой (в микротрубочках) скользящих систем. Например, при сахарном диабете развивается синдром «ленивых фагоцитов», характеризующийся замедлением хемотаксиса и снижением фагоцитарной активности данных клеток. И происходит это, как раз из-за нарушения энергообразования (уменьшается поступление глюкозы в клетки). В результате – течение сахарного диабета осложняется иммунодефицитом.

Значительные нарушения цитосклелета наблюдаются при выраженной гипоксии, отмечающееся при этом набухание клеток, сопровождается отсоединением плазматической мембраны от элементов цитоскелета. Например, острая ишемия миокарда характеризуются отсоединением сарколеммы кардиомиоцитов от промежуточных филаментов. В результате снижается механическая плотность клеток;

· нарушения полимеризации и деполимеризации компонентов цитоскелета. Они могут быть наследственными , как например, при синдроме Чедиака-Хигаши . Он характеризуется нарушением полимеризации микротрубочек цитоскелета, отсюда, замедление слияния фагосом с лизосомами в фагоцитах и угнетение киллерного эффекта НК-лимфоцитов (натуральных киллеров). Клинически синдром проявляется частыми и длительными инфекционными заболеваниями, наиболее часто гноеродной природы; нарушением хемотаксиса лейкоцитов и их выхода из костного мозга. Неврологическая симптоматика (нистагм, умственная отсталость, периферическая нейропатия) сопровождающая развитие синдрома, может быть объяснена так же дефектами цитоскелета нейронов.

Приобретенные нарушения полимеризации и деполиризации цитоскелета встречаются чаще. Есть ряд токсинов, избирательно повреждающих цитоскелет. Цитохалазины вызывают деполимеризацию, а фаллодин (токсин бледной поганки) – полимеризацию актина . Колхицин угнетает полимеризацию, а таксол – деполимеризацию микротрубочек. При злокачественной трансформации клетки, один из онкобелков вызывает необратимое фосфорилирование цитоскелетного белка винкулина (он в норме принимает участие в прикреплении клетки к межклеточному веществу). Поэтому злокачественные клетки свободно отсоединяются от межклеточного вещества и мигрируют в другие органы и ткани. Это считается одним из важных механизмов способности опухолевых клеток к метастазированию;

· структурных нарушений, что характерно при поражении клеток рядом вирусов . Например, реовирусы (оспенный вирус и др.) взаимодействуют непосредственно со структурами цитоскелета. Они способны вызывать разрыв винтиновых промежуточных филаментов, изменения тубулина микротрубочек и слияние клеток. В результате действия данных вирусов может отмечаться угнетение функции ресничек дыхательного эпителия (нарушается работа мукоцилиарного клиренса), активности фагоцитов и образование многоядерных гигантских клеток;

· формирования иммунопатологических механизмов. При этом виде повреждения цитоскелета большое значение имеют выше указанные вирусы. Они содержат специфические рецепторы к белкам цитоскелета. Формирующийся организмом иммунный ответ против вырусных антигенов может сопровождаться появлением аутоантител, копирующих способность вируса связываться (реагировать) с элементами цитоскелета. В связи с этим, многие вирус-индуцированные заболевания продолжаются как аутоиммунные, т. е. сопровождаются появлением аутоантител к фрагментам цитоскелета. Например, вирусный гепатит С . Он инициируется данным вирусом, но его дальнейшее, волнообразное течение поддерживается синтезом аутоантител к белкам цитоскелета – кератину и актину.

· качественные и количественные нарушения управляющих агентов (патология сигнализации);

· нарушения рецепции сигналов;

· нарушения функционирования пострецепторных посредниковых механизмов (пострецепторного передатчика);

· дефекты клеточных адаптационных программ.

Рис.11. Типы информационных нарушений, лежащих в основе болезней. Клетки - программные системы, дающие адаптивные ответы в рамках генетических стереотипов. Болезнь наступает из-за нарушения сигнализации, рецепции, пострецепторного сопряжения, работы исполнительного аппарата и дефектов программы. Ошибки программы – технические дефекты, несоответствие программы ситуации – технологические дефекты (по, 1999г.).

Патология сигнализации . Все химические регуляторные вещества (сигналы) распределены на следующие группы: гормоны, медиаторы, антитела, субстраты и ионы. Причиной заболевания может быть избыток , недостаток и мимикрия (от англ. mimicry – подражание, маскировка) сигнала (ошибочное восприятие одного сигнала вместо другого).

Избыток управляющего сигнала . Он заставляет клетку излишне интенсивно или длительно функционировать. Например, повышенное содержание в крови глюкокортикоидов (синдром Иценко-Кушинга ) вынуждает клетки усиленно эксплуатировать программы метаболической регуляции. Вследствие этого усиливается липогенез и глюконеогенез, развивается отрицательный азотистый баланс, метаболический алкалоз. Могут даже стимулироваться механизмы клеточной гибели (апоптоз ), что приведет, например, к иммунодефициту (гибель лимфоидных клеток). Повышение титра аутоантител инициирует развитие аутоиммунных заболеваний, хотя их низкие концентрации отмечаются у совершенно здоровых людей, в норме они участвуют в регуляции роста и функций клеток.

Недостаток управляющего сигнала . Отсутствие или нехватка сигнальных молекул характеризуется тем, что клетка не может активировать ту или иную программу ответа, необходимую для ее нормальной жизнедеятельности в конкретной ситуации. Например, при снижении синтеза инсулина поджелудочной железой уменьшается поступление глюкозы в инсулинзависимые органы (инсулинзависимый сахарный диабет ). Недостаток белка (управляющий агент – субстрат) способствует развитию «квашиор » – заболеванию, вызванному дефицитом экзогенного белка и проявляющегося задержкой роста, гипопротеинемией, жировым перерождения печени и др.

Мимикрия управляющего сигнала . Возникает при ситуациях, когда клеточный рецептор, отвечающий за активацию той или иной программы «ошибочно» реагирует не со «своей» сигнальной молекулой. Наиболее часто мимикрия связана с выработкой аутоантител, иммунологически копирующих ряд гормонов или медиаторов и способных реагировать с их рецепторами («иммунологический имидж» сигнала). Например, Базедова болезнь (диффузный токсический зоб) характеризуется усиленным синтезом гормонов щитовидной железы. Нередко гиперфункция железы объясняется не активирующим влиянием на нее физиологического стимулятора – тиреотропного гормона (сигнальная молекула – ТТГ), а его иммунологической копии – LАТS (длительно действующий стимулятор щитовидной железы). LАТS – аутоантитело (IgG) к рецепторам для ТТГ, при взаимодействии с которыми, тиреоциты повышают свою активность. Происходит это на фоне нормальной или даже сниженной концентрации тиреотропного гормона гипофиза в крови у данных больных. Аминокислотный дисбаланс (при печеночной недостаточности ) приводит к синтезу ложных нейротронсмиттеров (сигнальные молекулы в ЦНС) – β-фенилэтиламина и октопамина . По структуре они сходны с допамином и норадреналином (истинные нейротрансмиттеры), но значительно превосходят их в активности. Отсюда, вытесняя истинные лиганды с их рецепторов, ложные сигнальные молекулы блокируют постсинаптическую передачу, что ведет к развитию патологии (извращения сна и бодрствования, хлопающему тремору и др.).

Отсутствие патологии сигнализации не всегда гарантирует ответ клетки должным образом, и, одной из причин этого, может служить нарушение восприятия рецепторами клетки своих управляющих агентов.

Патология рецепции сигналов . Нарушения данного звена передачи информации объясняется:

· увеличением или уменьшением количества рецепторов;

· изменением чувствительности рецепторов;

· нарушениями конформации рецепторных макромолекул.

Они могут быть наследственными и приобретенными . В качестве примера наследственной недостаточности рецепторов можно привести семейную наследственную гиперхолестеринемию . Ее патогенез связан с дефектом рецептора, отвечающего за распознавание клетками эндотелия сосудов белкового компонента липопротеидов низкой (ЛПНП) и очень низкой плотности (ЛПОНП). В норме, с помощью данного рецептора (апопротеина В):

· регулируется поступление ЛПНП и ЛПОНП в клетки кровеносных сосудов;

· предотвращается их перегрузка холестерином, снижается синтез собственного холестерина, активируется его этерификация и увеличивается выведение холестерина из клетки.

При дефекте гена, контролирующего синтез апопротеина В, холестеринсодержащие вещества все равно поступают в клетку. Однако, выше описанная защитная метаболическая программа практически не работает; в клетке накапливается холестерин, и, в конечном итоге формируется картина атеросклеротического поражения кровеносных сосудов.

Приобретенная патология клеточных рецепторов наблюдается значительно чаще наследственной. Известны различные химические соединения (лиганды-антогонисты) препятствующие взаимодействию с рецепторами «своих» управляющих агентов. Например, у некоторых больных с гипо - и апластическими анемиями выявляются антитела к рецепторам стволовых клеток. Значительно изменяется характеристика клеточных рецепторов при нарушении структуры липидного слоя мембраны клеток (см. выше).

Патология пострецепторных передаточных механизмов . Нормальное функционирование двух первых этапов доставки информации еще не дают возможности клетки включать ту или иную адаптационную программу. Местом их инициации является ядро или цитоплазма, куда и доставляется управляющий сигнал с помощью каскадного механизма ферментативных реакций.

В зависимости от полярных свойств управляющих агентов, они подразделяются на две группы:

· полярные или гидрофильные сигнальные молекулы – белки, пептиды, производные аминокислот (кроме тиреоидных гормонов). Они не растворяются в жирах.

· неполярные или гидрофобные сигнальные молекулы – стероиды, производные жирных кислот, тиреоидные гормоны. Жирорастворимы.

Данное разделение первичных мессенджеров имеет принципиальное значение и связано в первую очередь с механизмами их действия на клетку-мишень.

Для каждой сигнальной молекулы, не растворяющейся в жирах , имеется свой мембранный рецептор (R, рис. 12). Возбуждение рецептора соответствующим лигандом ведет к изменению концентрации в клетке определенного внутриклеточного посредника (вторичного месенджера, Х, рис. 12).

Гормон

Рис. 12. Общая схема действия полярных (гидрофильных) гормонов

В настоящее время наиболее изученными из них являются: циклический аденозинмонофосфат (ц. АМФ), циклический гуанозинмонофосфат (ц. ГМФ), диацилглицерол (ДАГ), инозитолтрифосфат (ИТФ), Са2+, Rаs-белок и др. Концентрация вторичных мессенджеров определяется активностью ключевых ферментов их образования (Е1) или инактивации (Е2) (рис. 12). Е1 и Е2 находятся под мембраной (мембраносвязанные белки, периферические белки). Поэтому, возбуждение рецепторов должно сказываться на активности одного из них, что часто (но не всегда) осуществляется с помощью трансмембранного белка-трансмиттера (Т, рис. 12), передающего сигнал от рецептора на фермент Е1 или Е2.

Дальнейший ход событий рассмотрим на примере образования возбуждающего фермента (Е1). В зависимости от специфики сигнальной молекулы активируются различные Е1. Например, для увеличения ц. АМФ необходима активация аденилатциклазы (АЦ). Гуанилатциклаза повышает активность ц. ГМФ.

В роли белков-трансмиттеров выступают различные соединения, к наиболее из них известных относятся белки класса-G.

Вторичный посредник (Х) в свою очередь повышает активность той или иной протеинкиназы (ПК). Например, ц. АМФ активирует Пк типа А, ц. ГМФ – Пк типаG. Протеинкиназы – это специальные регуляторные ферменты, которые за счет фосфорилирования строго определенных белков, в конечном счете и определяют ответ клетки (включение той или иной адаптационной программы). Они изменяют:

· активность соответствующих ферментов или структурных белков (Еi);

· активность соответствующих генов и скорость синтеза ферментов или структурных белков (Тfi).

В регуляторной цепочке нередко имеется не одна ПК, а каскад из двух (ПК→ПКi) и более протеинкиназ. Активированные белки (путем фосфорилирования) по мере необходимости инактивируются дефосфолированием (протеинфосфотазами). Т. е. фосфорилирование и дефосфорилирование – один из наиболее универсальных способов регуляции активности белков – как структурных, так и ферментов.

Для гидрофобных (липофильных) сигнальных молекул мембранные рецепторы не требуются – управляющие агенты легко диффундируют через мембрану клетки-мишени. В цитоплазме (или ядре) для них содержатся специфические рецепторные белки. Комплекс рецепторов – сигнальная молекула влияет на активность тех или иных генов, тем самым повышая синтез определенных белков.

Мы рассмотрели общую схему механизмов постецепторной передачи и информации клетке в норме. На каждом из этих этапов могут возникать нарушения, они и будут предметом дальнейшего изложения материала.

Клинико-патофизиологическая характеристика нарушений пострецепторных передач:

· повреждение трансмембранного белка-трансмиттера (Т, рис. 12). Из этого класса белков наиболее известна патология так называемых G-белков, состоящих из трех основных субъединиц. При наследственной остеодистрифии Олбрайта в результате мутации одного из белков G (GаS) прерывается передача сигнала от Т к Е1 (Е1-аденилатциклаза). Типичными проявлениями данного состояния служат рассеянные очаги разряжения костей скелета, гипоплазия зубной эмали и др. Нередко нарушения на этом этапе следования сигнала отмечаются при инфекционной патологии. Так, холерный токсин способствует длительному активному состоянию Gs, что приводит к продолжительной экскреции воды и электролитов клетками кишечного эпителия. Отсюда – диарея (понос) и водно-электролитные нарушения. Экзотоксины бордетеллы (коклюша) действуя аналогичным образом в клетках эпителия бронхов, вызывают кашель, снижают бактерицидную активность лейкоцитов. Повышенная активность G-белков, например в клетках эндокринной системы , может служить митогенным стимулом (через активацию ц. АМФ), что повышает риск злокачественных новообразований;

· изменение активности ферментов образования и инактивации вторичных мессенджеров (Е1, Е2, рис. 12) . На этом этапе пострецепторных механизмов информация может изменяться под влиянием различных химических соединений. К примеру, токсин сибирской язвы , обладая аденилатциклазной активностью, вызывает отек кожи (при кожном пути заражения) или понос (при кишечном пути заражения). Аналогичный аденилатциклазный механизм свойственен и эндотоксину коклюша (помимо выше указанного его влияния на G-белки);

· изменения активности вторичных посредников (Х) и протеинкиназ (ПК). Концентрация вторичных мессенджеров (а следовательно и их активность), как правило находится в прямой зависимости от наличия ферментов Е1 или Е2. В качестве примера можно привести эффект действия кодеина . Помимо прочих механизмов, кодеин ингибирует фосфодиэстэразу, которая снижает концентрацию ц. АМФ в клетке. Следствием угнетения активности фосфодиэстеразы будет повышение концентрации ц. АМФ, результат – повышения активности клеток. Это наглядно проявляется в работе нейронов коры головного мозга – увеличивается память, скорость ориентировочных реакций и др. Однако, длительная стимуляция данным препаратом, острое отравление приводит к многочисленным нарушениям высшей нервной деятельности и других органов и систем. Так, появляется немотивированное беспокойство, тремор, нарушения нормального цикла сна и др.

Первичные изменения протеинкиназ (без нарушений предшествующих путей передачи сигнала) можно продемонстрировать на примере бластной трансформации клетки. В норме, один из путей передачи сигнала к митозу клетки опосредуется Rаs-белком (вторичный мессенджер). Он, в активном состоянии, запускает целый каскад митогенактивирующих протеинкиназ (МАПК). МАПК, модифицируя соответствующие транскрипционные факторы (Тf", рис.12), способствует активации генов митоза и пролиферации клеток. Здоровые клетки без специфического лиганда (обычно это ростковые факторы) не размножаются. При мутации гена, отвечающего за синтез того или иного белка-фермента в системе МАПК, например Rаf-протеинкиназы, управляющего сигнала уже не нужно. Дело в том, что мутация может вызвать длительную гиперэкспрессию данного гена, позволяющую Rаf-протеинкиназе длительно, и не зависимо от «указаний свыше» сохранять повышенную активность. Клетки вовлекаются в бесконечную, неконтролируемую организмом серию делений, что рассматривается в настоящее время как один из этапов их озлакачествления.

На этом мы закончим рассмотрение нарушений посрецепторных информационных механизмов в клетке. Мы не касались еще очень многих других путей передачи информации, например, таких вторичных мессенджеров как инозиттрифосфат (ИТФ) и диацилглицерин (ДАГ), конечный эффект которых складывается из эффектов действия протеинкиназы С и ионов Са++. Но даже приведенные выше примеры свидетельствуют о большом значении неадекватного ответа клетки в развитии болезней при «сбоях» в постерцепторных механизмах.

Программа, не соответствующая ситуации (технологический дефект) . Многие адаптационные программы при различных патологических процессах адекватно реагируют на управляющие агенты. Но и здесь есть проблемы. К сожалению не всегда, казалось бы соответствующая защитная реакция организма на воздействие патогенного агента, обладает абсолютной «полезностью». Речь идет об их относительной целесообразности и потенциальной патогенности, о своеобразном технологическом дефекте адаптационных программ (технологическом несовершенстве). Например, совершенно очевидно положительное значение формирование отека в очаге воспаления (разведение токсических продуктов, задержка их в месте образования и др.). В тоже время просматривается и его негативные стороны – сдавление экссудатом кровеносных сосудов, развитие гипоксии, и при определенных условиях, это может послужить утяжелению патологического процесса (эндогенезации). Данный вопрос мы подробно рассматривали, и что бы не повторяться, рекомендуем обращаться к учебному пособию «Патофизиология: вопросы общей нозологии» (, 2004).

Технические дефекты адаптационных программ . В данном случае мы говорим о дефектах информации, содержащейся в ДНК (технические ошибки в записи клеточных адаптационных программ). В основе этих нарушений лежат половые мутации (см. выше).

Клинико-патофизиологическая характеристика . Половые мутации определяют развитие наследственных заболеваний , то есть главным звеном патогенеза которых служит первичный технический дефект в программном аппарате клетки. Например, возникновение фенилкетонурии объясняется дефектом ответа клеточной программы гепатоцита на фенилаланин (дефект гена отвечающего за синтез фермента фенилаланин-4-гидроксилазы). Недостаток данного фермента замедляет скорость превращения фенилаланина в тирозин и приводит к резкому увеличению его концентрации в крови больного. Нарушение обмена фенилаланина провоцирует еще ряд метаболических изменений, что в итоге и определяет становление и симптоматику фенилкетонурии – «осветление» кожи, глаз и волос (дефицит меланина), снижение уровня артериального давления (нарушение обмена катехоламинов), снижение интеллекта (токсическое действие на мозг метаболитов фенилалнина, например, фенилэтиламина и др.).

Мы завершили изучение различных нарушений клетки, возникающих при ее взаимодействии с патогенным агентом или являющихся следствием нарушений информационных процессов . Степень их выраженности, вероятность развития необратимых последствий (рис. 1, т. необратимости) с последующим развитием некроза, во многом определяется состоянием защитно-приспособительных механизмов клетки. Следовательно, мы переходим к изучению второй составляющей паранекроза клетки – адаптации клетки к повреждению.

7. МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИИ КЛЕТКИ

Выше было отмечено значение защитно-приспособительных механизмов как в норме, так и при патологии. Ответ клетки на воздействие этиологического фактора в виде паранекроза становиться возможным при их недостаточности, но и здесь роль данных механизмов велика. Они уменьшают степень повреждения клетки и их последствий, при определенных обстоятельствах (например, ликвидация патогенного агента) способствуют возвращению ее к исходному состоянию. Однако необходимо помнить, что механизмы адаптации, в силу своей относительной патогенности, могут вызывать вторичные повреждения (эндогенезация патологического процесса ).

Большое многообразие механизмов адаптации клеток к повреждению можно систематизировать следующим образом:

I. Внутриклеточные механизмы адаптации

1 .Защитно-приспособительные механизмы метаболическо-функциональ-ного характера . Они направлены на:

· компенсацию нарушений энергообмена клеток;

· защиту клеточных мембран и ферментов;

· устранение или уменьшение нарушений обмена воды и электролитов клетки;

· компенсацию расстройств механизмов регуляции внутриклеточных процессов, в том числе и их первичных нарушений (информационной составляющей гемостаза);

· ликвидацию дефектов генетического аппарата (сохранение генетических программ) клетки;

· активацию синтеза белков теплового шока (БТШ, HSP);

· снижение функциональной активности клеток.

Данные механизмы можно отнести к механизмам срочной компенсации , эффект большинства из них проявляется сравнительно быстро, они являются своеобразной «первой линией защиты».

2 . Защитно-приспособительные механизмы морфологического характера . К ним относят – регенерации, гипертрофии и гиперплазии. Они формируются при длительном или периодическом воздействии патогенного фактора и обеспечивают долговременную адаптацию клеток за счет регенерации, гипертрофии и гиперплазии.

II. Межклеточные (системные) механизмы адаптации .

По уровню их реализации выделяют:

· органно-тканевые;

· внутрисистемные;

· межсистемные.

Внутриклеточные механизмы адаптации

1 . Защитно-приспособительные механизмы функционально-метаболи-ческого плана .

Компенсация нарушений энергообмена клеток. Обязательным условием успешной работы практически всех механизмов клеточной адаптации является их достаточное энергетическое обеспечение. Поэтому восстановление энергетического баланса клеток, повышение его ресурсов имеет первостепенное значение и это достигается следующим образом:

· активируется ресинтез АТФ в сохранившихся митохондриях, а так же и за счет активации гликолиза. Интенсивность анаэробного гликолиза может возрастать до 15-20 раз (в сравнении с нормой). При слабых и умеренных повреждениях повышается активность ферментов окислительного фосфорилирования, увеличивается сродство к кислороду;

· активируются механизмы транспорта энергии. Например, возрастает активность креатинфосфокиназы, адениннуклеотидтрансферазы;

· усиливается эффективность ферментов утилизации энергии, в частности, аденозинтрифосфотазы.

Защита клеточных мембран и ферментов . Она осуществляется за счет:

· активации антиоксидантной системы (см. выше);

· активации синтеза, упаковки и доставки компонентов плазмолеммы вместо (взамен) ее поврежденных участков (эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи);

· активации процессов внутриклеточной детоксикации. Центральным местом в клетке, где происходит обезвреживание различных токсических веществ является гладкий эндоплазматический ретикулум. В его мембранах локализованы детоксикационные ферменты семейства Р450, активность и количество которых значительно возрастает при поступлении в клетку токсических соединений. В настоящее время известно около 150 изоформ Р450, каждая из которых имеет много субстратов для обезвреживания (эндогенные липофильные вещества, лекарственные препараты, этанол, ацетон и др.).

Устранение или уменьшение нарушений обмена воды и электролитов в клетке. В этом принимают участие ряд процессов и механизмов:

· улучшается (активируется) энергообеспечение ионных насосов: Nа+, К+-АТФазы, Са2+-АТФазы. Таким образом, нормализуется содержание ионов Nа, К, Са в клетке. Удаление из клетки Nа+ препятствует излишнему накоплению в ней воды (Н2О уходит за Nа+). Улучшается циркуляция внутриклеточной жидкости, нормализуется объем внутриклеточных структур и клетки в целом;

· активируются механизмы стабилизации внутриклеточного рН. Повреждение клетки часто сопровождается формированием внутриклеточного ацидоза (рН↓). Закисление цитозоля активирует карбонатные, фосфатные и белковые буферные системы клетки. Усиливается работа натрий-водородного противопереносчика (белок NНЕ, Nа+-Н+-обмена), за счет его Н+, в обмен на Nа+ удаляется из цитоплазмы. Активация Nа+-Cl--НСО-3-обменика и Nа+ - НСО-3- котранспортера в клетке увеличивает мощность карбонатного буфера. Повышается уровень гистидиновых дипептидов (карнозина, анзерина, офидина), что значительно усиливает возможности белкового буфера. Например, они создают до 40% буферной емкости быстрых мышц. Кроме того, карнозин активирует работу ионных насосов, стимулирует АТФ-азную активность миозина.

Компенсация расстройств механизмов регуляции внутриклеточных процессов, в том числе и их первичных нарушений (информационной составляющей гомеостаза ). Адаптация к данным нарушениям реализуется посредством:

· изменения количества мембранных рецепторов к сигнальным молекулам. В зависимости от ситуации (избыток или недостаток первичных мессенджеров) на поверхности клетки соответственно может уменьшаться или увеличиватся их количество;

· изменения чувствительности мембранных рецепторов к сигнальным молекулам. Изменение количественных и качественных характеристик клеточных рецепторов используется как защитный механизм, например при эндокринопатиях: при гиперпродукции гормонов их количество и чувствительность снижается, а при гипопродукции – увеличивается;