Основные способы межклеточной коммуникации, их характеристика. Основные виды сигнальных молекул

Судьба любой клетки организма зависит от сигналов, поступающих к ней извне. Они регулируют процессы, определяющие выживание клеток, их способность к делению и дифференцировке, функциональную активность или гибель последних. Под влиянием внешних сигналов происходят различные биохимические превращения внутри клеток, изменяется уровень экспрессии генов, наблюдаются перестройки цитоскелета – клетка реагирует на раздражение. Важнейшим этапом межклеточной коммуникации является передача сигнала от клетки к клетке. Для ее успешного осуществления необходимо, как минимум, два элемента: клетка, генерирующая сигнал, и клетка, способная к восприятию сигнала. В зависимости от наличия специализированных, способных к восприятию сигнала структур на поверхности клетки – рецепторов – все многообразие действующих механизмов можно разделить на две большие группы:

• сигнализация, протекающая без участия рецепторов – обеспечивается благодаря наличию особых контактов между клетками, встречается между клетками в пределах одной ткани;

• сигнализация, для реализации которой необходимы рецепторы – протекает как между клетками в пределах одной ткани, так и между клетками разных тканей.

Межклеточные взаимодействия подразделяются на два класса – формообразующие (формирующие тканевые и органные структуры, или структурирующие) и информационные. Межклеточные взаимодействия того и другого класса происходят при помощи растворимых молекул (или ионов), посредством макромолекул внеклеточного матрикса и путём формирования специализированных межклеточных контактов.

Пути межклеточных взаимодействий. А – при помощи диффундирующих молекулярных сигналов; Б — через внеклеточный матрикс; В - через специализированные межклеточные контакты.

Формирование и функционирование всех тканевых структур происходит только на основе их взаимного узнавания и взаимной адгезии.

Адгезионные межклеточные контакты механически скрепляют клетки между собой. К ним относятся десмосома, полудесмосома и промежуточный контакт (опоясывающая десмосома).

Адгезия

Молекулы адгезии. Клеточную адгезию реализуют специальные гликопротеины – молекулы адгезии.

Взаимодействие трансмембранных молекул адгезии обеспечивает узнавание клеточных партнёров и их прикрепление друг к другу (адгезию), что позволяет клеткам-партнёрам формировать специализированные межклеточные контакты (например, щелевые), а также передавать сигналы от клетки к клетке не только при помощи диффундирующих молекул, но и путём взаимодействия встроенных в мембрану лигандов со своими рецепторами в мембране клетки-партнёра.

• Десмосома объединяет две структуры. Одна из них (цитоплазматическая пластинка) осуществляет связь промежуточных филаментов клетки с плазматической мембраной; вторая — связь плазматической мембраны с внеклеточным межмембранным материалом (десмоглея) в пределах десмосомы. Десмосомы поддерживают структурную целостность ткани, скрепляя клетки между собой. Десмосомы в комплексе с промежуточными филаментами придают ткани упругость и поддерживают в ней усилие натяжения.

• Промежуточный контакт (опоясывающая десмосома). Мембраны соседних клеток разделены промежутком шириной 10-20 нм, заполненным аморфным или фибриллярным материалом. Электронно-плотная пластинка на цитоплазматической стороне клеточной мембраны в пределах контакта содержит различные белки. В пластинку вплетены концы актинсодержащих микрофиламентов. В образовании контакта участвуют трансмембранные белки адгезии из семейства кадгеринов. Промежуточный контакт не только скрепляет мембраны соседних клеток, но и стабилизирует их цитоскелет, объединяя клетки с их содержимым в единую жёсткую систему.

• Замыкающий, или плотный, контакт (zonula occludens) формирует в различных клеточных пластах барьер проницаемости, разделяющий разные по химическому составу среды (например, внутреннюю и внешнюю).

Коммуникационные контакты. К ним относятся щелевые контакты и синапсы.

• Щелевой контакт обеспечивает ионное и метаболическое сопряжение клеток. Плазматические мембраны клеток, образующих щелевой контакт, разделены щелью шириной 2-4 нм. Шесть белковых СЕ в плазматической мембране образуют коннексон. При совмещении коннексонов смежных плазматических мембран формируется канал коннексона, связывающий цитозоль контактирующих клеток. Открытое или закрытое состояние канала коннексона, определяемое конформацией коннексинов, регулируется содержанием в цитозоле ионов Ca2+, pH, а также разностью электрического потенциала связанных клеток. Щелевые контакты обеспечивают распространение возбуждения — переход ионов между мышечными клетками миокарда - кардиомиоцитами, а также между ГМК.

• Синапс – специализированный межклеточный контакт — обеспечивает одностороннюю (однонаправленную) передачу сигналов с одной клетки на другую. Сигнальная молекула — нейромедиатор. Синапсы формируются между клетками возбудимых тканей (нервные клетки между собой, нервные клетки и мышечные волокна). 

Межклеточные информационные взаимодействия

Клетки, воспринимая и трансформируя различные сигналы, реагируют на изменения окружающей их среды, являясь местом приложения:

• физических (например, кванты света в фоторецепторах);

• химических (например, вкусовые и обонятельные молекулы, рН);

• механических (например, давление или растяжение в механорецепторах);

• сигналов информационного характера (например, гормоны и нейромедиаторы) из внутренней среды организма. 

Все виды информационных межклеточных взаимодействий реализуются в рамках концепции «сигнал-ответ». Информационные межклеточные взаимодействия укладываются в схему, предусматривающую следующую очерёдность событий:

• сигнал - рецептор - (посредник) - ответ

Контактная и дистантная регуляция функций

Регуляция функций организма, органов и систем органов, а также отдельных клеток осуществляется при помощи регуляторного сигнала контактно либо дистантно. И при контактном, и при дистантном способе регуляции передача и регистрация сигнала всегда происходит между отдельными клеточными элементами. Одна клетка регулирует, вторая - регулируется.

Контактная регуляция

При контактном способе регуляции регулирующая и регулируемая клетки находятся друг с другом в контакте.

• Классический пример контактной регуляции — нервная регуляция. Нервная регуляция осуществляется при помощи контактов (синапсов) между регулирующей и регулируемой клетками. Передачу сигнала в синапсе осуществляют специальные молекулы — освобождающиеся из пресинаптической клетки нейромедиаторы, а регистрация сигнала происходит при помощи молекулярных рецепторов, встроенных в постсинаптическую мембрану (так, в нервно-мышечном синапсе между терминальными разветвлениями α-мотонейронов и скелетными мышечными волокнами действует ацетилхолин, связывающийся с никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами).

• Другой пример межклеточной контактной регуляции — щелевые контакты (нексусы, англ. gap junction, лат. nexus), объединяющие отдельные клетки в так называемые функциональные синцитии. Через щелевые контакты осуществляется электротоническое, метаболическое и информационное сообщение между контактирующими клетками. Пример функционального синцития: миокард — совокупность кардиомиоцитов.

Дистантная регуляция

Дистантная (гуморальная) регуляция характеризуется тем, что регулирующая и регулируемая клетки расположены на расстоянии друг от друга, иногда на весьма значительном. Для дистантной регуляции необходим материальный агент передачи сигнала между дистантно расположенными клетками. Такими агентами являются информационно активные вещества (гормоны, цитокины, факторы роста и т.д.). Молекулы таких веществ на пути от клетки-регулятора до регулируемой клетки-мишени находятся в различных жидкостях (лат. humor) организма: в крови, ликворе, лимфе, тканевой жидкости. Отсюда и термин для дистантной регуляции — гуморальная регуляция

• Классический пример дистантной (гуморальной) регуляции — эндокринная регуляция: гормоны, секретируемые эндокринными клетками, оказываются в жидкостях организма (в большинстве случаев в крови), через эти жидкости достигают клеток-мишеней, связываются со специфичными именно для конкретного гормона молекулярными рецепторами и изменяют режим функционирования клетки-мишени.

Циркуляция в крови. Гормоны циркулируют в крови либо свободно, либо в комплексе со связывающими их белками (T4, Т3, стероидные гормоны, инсулиноподобные факторы роста, гормон роста). Связывание с такими белками значительно увеличивает время полужизни гормонов. Так, T4 в составе комплекса циркулирует около одной недели, тогда как время полужизни свободного T4 составляет несколько минут.

Варианты гуморальной регуляции. А — эндокринная; Б — паракринная; В — аутокринная.

Варианты дистантной регуляции: паракринная регуляция (Б) подразумевает эффекты гормона, влияющего путём диффузии на соседние клетки-мишени, а аутокринная регуляция (В) — воздействие гормона непосредственно на секретирующую этот гормон клетку.

Сигналы

Передачу сигналов от клетки к клетке осуществляют сигнальные молекулы (первый посредник), вырабатываемые в одних клетках и специфически воздействующие на другие клетки — клетки-мишени. Специфичность воздействия сигнальных молекул (лиганд) определяют имеющиеся в клетках-мишенях рецепторы, которые связывают только собственные лиганды. Все сигнальные молекулы в зависимости от их физико-химической природы подразделяются на полярные (точнее — гидрофильные) и аполярные (точнее — жирорастворимые). Гидрофильные молекулы (например, нейромедиаторы, цитокины, пептидные гормоны, антигены) не проникают через плазматическую мембрану и связываются с рецепторами плазмолеммы (мембранные рецепторы). Жирорастворимые молекулы (например, стероидные гормоны) проникают сквозь плазмолемму и связываются с рецепторами внутри клетки (ядерные рецепторы).