Функции поверхностного аппарата клетки

Барьерно-транспортная функция ПА клетки обусловлена избира­тельным переносом ионов, молекул и надмолекулярных структур через ПА как в клетку, так и из клетки. Ведущую роль в осуществлении этой функции играет плазмалемма.

Главным барьерным компонентом плазмалеммы является билипидный слой (БЛС), который с обеих сторон представлен гидрофильными зонами (головки мембранных липидов), ограничивающими центральную гидрофобную зону (хвосты липидов обоих монослоев). Благодаря этому БЛС является мощным барьером для всех заряженных частиц и молекул, начиная с простых ионов (Н⁺, К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Сl^-, НСО₃^- и т.д.).

Гидрофобная зона БЛС не проницаема и для относительно крупных гидрофильных молекул (аминокислоты, моносахариды, нуклеотиды). Тем не менее, БЛС представляет собой не абсолютный барьер, а относитель­ный - через него способны диффундировать малые незаряженные моле­кулы, например, вода, кислород и диоксид углерода (углекислый газ).

БЛС является барьером и для гидрофобных молекул. С одной сторо­ны, этому способствуют гидрофильные зоны по обе стороны БЛС, за­трудняющие проникновение гидрофобных молекул в гидрофобную зону. С другой стороны, если такие молекулы попадают в БЛС, они «застрева­ют» в его гидрофобной зоне, так как с обеих сторон этой зоны находится гидрофильная среда. Именно благодаря этому гидрофобные вещества в клетке имеют тенденцию накапливаться в клеточных мембранах, включая плазмалемму.

Таким образом, «барьерность» БЛС препятствует спонтанному, не­контролируемому проникновению в клетку абсолютного большинства молекул и всех ионов. В результате клетка получает возможность сохранить индивидуальность своей гиалоплазмы по отношению к внеклеточной среде. Эта индивидуальность определяется различиями концентраций многих ионов и молекул по разные стороны плазмалеммы, поэтому нару­шение непрерывности БЛС приводит к тяжелым для клетки последствиям. На этом частично основан механизм действия некоторых клеток иммунной системы, в частности, натуральных киллеров, Т-киллеров (цитотоксических лимфоцитов) и эозинофилов. Данные клетки, взаимодействуя с собственными изменившимися клетками (рако­выми или зараженными вирусом) или чужеродными клетками (клетками паразитических организмов), секретируют специфические белки перфорины.

Перфорины встраиваются в БЛС плазмалеммы клетки-мишени и формируют в нем поры достаточно большого диаметра. Через эти поры начинают диффундировать ионы и молекулы, находившиеся в неравновесном состоянии из-за барьерных свойств БЛС.

Например, в клетку через поры поступают ионы Na⁺ и Сl^-, но вы­ходит К⁺. В результате этого в клетке возникает ионный дисбаланс, существенным образом нарушающий ее функции. Кроме Na⁺ и Сl^- в клетку начинает интенсивно поступать вода, так как в гиалоплазме находится большое количество крупных молекул, не способных про­ходить через поры и представленных во внеклеточной среде в мень­шем количестве или отсутствующих там. Проникновение воды в клетку, основанное на осмосе, усиливает неблагоприятные эффекты ионного дисбаланса. Кроме того, клетка увеличивается в объеме, попадая в состояние осмотического шока, и затем разрушается.

В настоящее время искусственно синтезированы литические пептиды, которые встраиваются преимущественно в плазмалемму клеток с измененным цитоскелетом. К таким клеткам относятся раковые или пораженные внутриклеточными паразитами (вируса­ми, бактериями, простейшими). Использование литических пептидов в медицине открывает возможности лечения опухолевых и ряда па­разитарных болезней путем индукции лизиса изменившихся клеток организма.

Для нормальной жизнедеятельности клетка должна осуществлять ре­гулируемый обмен молекул и частиц между внутриклеточной и внекле­точной средой, т.е. через ПА клетки. Этот обмен происходит несколькими способами: свободным транспортом, пассивным транспортом, актив­ным транспортом и транспортом в мембранной упаковке.

Свободный транспорт (СТ), или простая диффузия, происходит через билипидный слой (БЛС) плазмалеммы. С этой точки зрения, СТ является второй стороной барьерных свойств БЛС. СТ это диффузия молекул через БЛС, подчиняющаяся фундаментальным физико-химическим законам с учетом структуры мембраны, через которую про­никают транспортируемые молекулы.

СТ в виде потока молекул через БЛС возможен только при наличии градиента (разности) концентраций молекул но обе стороны БЛС. В таком случае возникает диффузионный поток, направленный по градиенту концентрации, т.е. из области высокой концентрации молекул в область более низкой концентрации.

Таким образом, СТ_осуществляется самопроизвольно за счет энергии самого градиента концентрации. Из этого следует, что он не требует затрат энергии со стороны клетки и прекращается при величине градиента,

равной нулю (равновесное состояние). Скорость СТ зависит от абсолют­ной величины градиента концентрации молекул чем она больше, тем выше скорость транспорта молекул.

С точки зрения законов физики, СТ направлен против градиента концентрации, по­скольку параметр «градиент», в соответствии с первым законом Фика, определяется как отрицательная величина.

Барьерные свойства БЛС определяют то, что с физиологически зна­чимой скоростью СТ подвергаются малые незаряженные молекулы. Био­логически важными молекулами с такими параметрами являются вода, кислород и диоксид углерода (CO₂). Благодаря этому в клетки поступает определенное количество воды и кислорода, а из нее выводится избыток диоксида углерода, продукта энергетического обмена клетки. Таким обра­зом, СТ представляет собой достаточно важный элемент транспортной функции ПА клетки.

Большинство молекул и ионы не способны свободно диффундировать через БЛС, находясь в определенных концентрациях во внеклеточной и внутриклеточной средах. Если это равновесное состояние нарушить, оно восстанавливается, но за счет диффузии не растворенных молекул и час­тиц, а молекул растворителя воды, которая транспортируется через БЛС по законам простой диффузии, в данном случае - осмоса.

Это свойство воды необходимо учитывать при введении лекар­ственных препаратов в кровяное русло (внутривенном введении), так как плазма крови имеет определенный ионный состав (баланс). Если вводим, препарат в растворе с низкой концентрацией ионов Na__H СГ, которых много в плазме, вода из плазмы начинает диффун­дировать в клетки крови, нарушая их нормальные функции.

Особенно чувствительны к СТ воды эритроциты, так как они не имеют способов противостоять данному виду транспорта. Благодаря этому введение больших количеств такого гипотонического раство­ра приводит к гемолизу (разрушению эритроцитов) из-за повышения в них осмотического давления под действием поступившей воды.

Введение лекарственных препаратов в гипертопическом раство­ре, содержащем более высокий уровень ионов или других веществ, чем в плазме крови, вызывает СТ воды в противоположном направ­лении - _из_ клеток в плазму. Следствием этого является уменьшение объема клеток (снижение осмотического давления в них) с соответ­ствующими нарушениями клеточных функций. Такая ситуация наблюдается и при гипергликемии (повышенной концентрации глюко­зы в_плазме крови), характерной для сахарного диабета.

Для избежания неблагоприятных последствий внутривенного введения препаратов необходимо использование изотонических рас­творов, осмотические параметры которых соответствуют таковым плазмы крови. На практике обычно используют 0.9% водный рас­твор хлорида натрия (NaCl) или 4,5-5% водный раствор глюкозы, которые называют физиологическим раствором.

Основным механизмом СТ молекул является высокая подвижность липидов в БЛС, которая обеспечивает молекулам небольшого размера возможность прохождения через гидрофобную фазу БЛС. Такая подвиж­ность мембранных липидов приводит к образованию в БЛС гидрофильных пор диаметром до 2 нм.

Гидрофильные поры являются динамичными структурами - постоян­но образуются и исчезают. В такой ситуации размер транспортируемых молекул становится очень важным параметром - чем мельче молекуда, тем больше вероятность и скорость ее прохождения через БЛС.

В ряду одноатомных первичных спиртов наибольшей прониающей способностью обладает метанол (СН₃ОН), меньшей - эта­нол (С₂Н₅ОН), слабой - пропанол (С₃Н₇ОН), а бутанол (С₄Н₉ОН) практически не подвержен СТ из-за достаточно крупного размера своих молекул. Вероятно, меньший размер молекулы метанола по сравнению с этанолом является одной из причин более тяжелых по­следствий метаноловой интоксикации отравления метанолом, чем этаноловои интоксикации (отравления этанолом), при употреблении этих веществ в качестве спиртных напитков.

Среди молекул, подверженных СТ, важное значение в медицин­ском отношении имеет монооксид углерода (СО, угарный газ), про­дукт неполного сгорания ряда органических веществ и топлива. Этот газ транспортируется в клетки с более высокой скоростью, чем диоксид углерода (СО₂), так как имеет меньшие размеры. При вдыха­нии монооксида углерода создается высокий градиент его концен­трации, поскольку в клетках он в норме отсутствует.

Попав в клетку, молекулы угарного газа прочно соединяются с атомами железа биологически важных, железосодержащих белков (гемоглобин эритроцитов, переносчики электронов в митохондриях любых клеток) и блокируют процессы окисления, необходимые для существования клетки и организма. Высокие концентрации моноок­сида углерода могут вызвать смерть организма, поэтому предельно допустимая концентрация этого газа в производственных помеще­ниях не должна превышать 0,03 мг/л. Вдыхание монооксида углерода в концентрации 0,2 мг/л допустимо в течение не более 20 мин.

Аналогичные эффекты вызывают сероводород (H₂S, предельная допустимая концентрация 10 мг/м³) и цианистый водород (HCN, си­нильная кислота, предельно допустимая концентрация 0,3 мг/м³).

Пассивный транспорт (ПТ), или облегченная диффузия - это дви­жение молекул через мембрану с помощью мембранных белков. Такие белки получили название пассивных переносчиков, транспортеров или каналов. ПТ осуществляется по законам диффузии, т.е. при наличии электрохимического градиента (для ионов) или градиента концентрации (для незаряженных молекул).

Движущей силой этого вида транспорта является энергия самого градиента, поэтому ПТ, как и свободный транспорт, происходит по градиенту и прекращается при его величине, равной нулю (состояние равнове­сия). Таким образом, данный вид транспорта не требует энергетических затрат со стороны клетки.

Скорость ПТ зависит от величины электрохимического градиента транспортируемых молекул, повышаясь при ее увеличении. Однако после достижения определенной величины градиента скорость ПТ становится практически постоянной. Это определяется тем, что переносчики имеют пределы своей «пропускной» способности и их число в мембране всегда ограничено.

Тем не менее, скорость ПТ при прочих равных условиях выше скорости свободного транспорта. Причина этого - механизм переноса молекул и ионов, при котором они транспортируются через гидрофильную фазу, образуемую транспортером (каналом), а не через гидрофобную, как в случае свободного транспорта.

Скорость ПТ может быть высокой благодаря изменениям конформации переносчика в процессе осуществления его функции. В результате она может достигать величин порядка 10000 мол/сек через транспортер.

Путем ПТ через плазмалемму проходят, как правило, гидрофильные молекулы среднего размера (моно- и дисахариды, аминокислоты, нуклеотиды) и ионы (К⁺, Na⁺, Са²⁺, Сl, НСО₃^-, РО₄^3-); существуют пассивные переносчики и для молекул воды. В большинстве случаев ПТ является высокоспецифичным - каждый переносчик транспортирует только опре­деленные молекулы или ионы. Это определяется структурой переносчи­ков.

Каналы могут иметь своеобразные «фильтры» или «ворота», с помо­щью которых происходит селекция транспортируемых молекул по разме­ру и заряду. Кроме того, переносчик может иметь центры узнавания (связывания) определенных молекул. В этом случае достигается очень высокая специфичность транспорта, примером которой является перенос­чик глюкозы мембраны эритроцитов, транспортирующий D-стереоизомер, но не L-глюкозу.

Конкретная структура пассивных переносчиков разнообразна, однако при их формировании практически всегда реализуется канальный прин­цип строения. В составе транспортеров присутствуют трансмембранные домены, которые взаимодействуют друг с другом и образуют гидрофиль­ный канал. При этом переносчик может быть представлен одним полипептидом, несколькими идентичными (гомомер) или неидентичными (гетеромер) полипептидами.

Примером монопептидного пассивного переносчика является Nа-канал ПА нейронов. Он состоит из одного полипептида, содержащего около 1800 аминокислотных остатков, и включает 24 трансмембранных альфа-спирали. Взаимодействие спиральных участков приводит к формированию четырех трансмембранных доменов (по 6 альфа-спиралей в каждом), которые образуют канал для Na⁺. В активном состоянии он «пропускает» в нервную клетку ионы Nа⁺, в результате чего происходит деполяризация мембраны и возникает потенциал дейст­вия - основа возбудимости и проводимости нейронов.

Капнофорин, пассивный переносчик анионов Сl и НСОз в мембране эритроцитов, функционирует как гомодимер, в котором каждый полипептид формирует 3 трансмембран­ных домена с несколькими альфа-спиралями в каждом. Взаимодействие двух полипептидов приводит к образованию анионного канала, состоящего из 6 трансмембранных доменов. Основная функция капнофорина - перенос гидрокарбонат-ионов из эритроцитов или в эритроциты, что существенно облегчает транспорт СО₂ из тканей в легкие.

Примером гетероолигомерного транспортера является пассивный переносчик ионов К и Na⁺ дендритных окончаний нейронов. Он включает 4 разных полипептида (α-, β-, γ- и δ-субъединицы), один из которых (α-субъединица) представлен в переносчике дважды. Каж­дая из субъединиц содержит 4 или 5 α-спиральных трансмембранных участка и, взаимодей­ствуя с другими субъединицами, формирует канальную структуру, состоящую из 5 субъе­диниц. В активированном состоянии через канал, проходит поток ионов Na⁺, в результате чего на дендритe возникает потенциал действия, передаваемый с аксона другого нейрона.

Действие пассивных переносчиков и его регуляция обусловлены из­менениями их конформации. В качестве активирующего сигнала могут выступать сами транспортируемые молекулы, для которых в переносчике имеется центр связывания. В такой ситуации транспортер будет активным только при наличии транспортируемых молекул. Если переносчик имеет регуляторный центр с одной стороны мембраны, это обеспечивает одно­направленный ПТ (или в клетку, или из клетки).

Примером саморегулирующихся пассивных переносчиков являются транспортеры глюкозы GluT, имеющие регуляторный центр в наруж­ном, внеклеточном домене. При отсутствии глюкозы во внеклеточной среде GluT находится в стабильном, конформационно неактивном со­стоянии (канал закрыт).

Появившиеся молекулы глюкозы связываются регуляторным доме­ном, в результате чего переносчик изменяет свою конформацию и откры­вается канал для глюкозы. Такое состояние переносчика является метастабильным и обеспечивает перенос молекулы глюкозы через канал в гиалоплазму.

После выхода глюкозы из канала переносчик оказывается в неактив­ном, но нестабильном состоянии, из которого он сразу переходит в ис­ходное стабильное неактивное состояние. Таким образом, GluT работает как осциллятор с тремя состояниями: стабильным (неактивным), метаста­бильным (активным, рабочим) и нестабильным (неактивным). Скорость работы такого осциллятора достигает 1000 циклов в секунду.

Сигналом активации пассивного переносчика может служить и специфическая нетранспортируемая молекула, для которой имеется соответ-

ствующий центр связывания (регуляторный центр). Такие переносчики называют хемочувствителъными, хемозависимыми или хеморегулируемыми. Примером подобных транспортеров является ацетилхолинчувствительный Na/К -канал в мембране нервно-мышечных соединений или дендритных окончаний нейронов, контактирующих с окончаниями аксо­нов других нейронов.

Мышечный Na/K-канал состоит из 5 трансмембранных субъединиц (2α, β, γ и ε). В мышцах плода канал содержит не ε-, а γ-субъединицу. Наружные домены двух α-субъединиц имеют регуляторные центры, способные связываться с нейромедиатором ацетилхолином, благодаря чему данный переносчик называют ацетилинхолинчувствителъным, или ацетилхолинрецептивным.

Каждая субъединица содержит по 4 трансмембранных домена (Ml - М4). М2 всех субъединиц имеют одинаковую аминокислотную последовательность и, взаимодействуя друг с другом, формируют канальную часть переносчика Нейронный канал является тетра-или гексамером, состоящим из равного числа α- и β-субъединиц (по две или по три).

При отсутствии ацетилхолина в синаптической щели ионный канал находится в закрытом, неактивном состоянии. При возникновении им­пульса в нейроне происходит секреция ацетилхолина в синаптическую шель, где нейромедиатор взаимодействует с регуляторными субъедини­цами ионных каналов, локализованных в мембране нервно-мышечного контакта или дендритных окончаниях второго нейрона.

Связывание ацетилхолина вызывает изменение конформации канала, в результате чего он переходит в открытое (активное) состояние. Актива­ция канала обеспечивает поток Na⁺ в мышечное волокно или нейрон и деполяризацию мембраны постсинаптической клетки в которой возникает нервный импульс (потенциал действия). Благодаря такому механизму нервный импульс передается в синаптическом контакте с нейрона на мы­шечное волокно или другой нейрон.

Ацетилхолинчувствительные каналы имеют центры связывания с никотином - веществом, содержащемся в табаке, которое увеличи­вает время открытого состояния канала и тем самым - продолжи­тельность и силу нервного импульса. Именно на этом основан стимулирующий эффект табакокурения.

При высоких дозах никотина стимуляция прекращается из-за угасания нервных импульсов - возникает стойкая деполяризация постсинаптической мембраны, которая может привести к тремору (непроизвольному дрожанию мышц), рвоте и даже мышечному пара­личу со смертельным исходом.

В гликокаликсе синаптического окончания дендрита имеется фермент ацетилхолинэстераза, с помощью которой связанный переносчиком ацетилхолин разрушается через определенное время. Расщепление нейромедиатора приводит к возвращению канала в исходное закрытое конформационное состояние до тех пор, пока он не свяжет очередные молекулы ацетилхолина Таким образом, наличие ацетилхолинэстеразы обеспечивает импульсную работу ионного канала, которая прекращается после использования всего нейро­медиатора в синаптической щели.

Ацетилхолинэстераза является тетрамерным белком, содержащим остатки цистеина (аминокислоты со свободной сульфгидрильной группой). После своей секреции в гликокаликсе этот фермент образует дисульфидные связи с молекулой коллагена (по молекуле фермента на каждой из трех цепей молекулы коллагена), закрепленной в билилидном слое плазмалеммы рядом с натриевым каналом.

Функции хемочувствительных каналов могут регулироваться не толь­ко внеклеточными (внешними по отношению к клетке), но и внутрикле­точными сигналами. Такие ионные каналы состоят из четырёх субъединиц с шестью трансмембранными доменами каждая и содержат цитоплазматические домены, способные связывать внутриклеточные регуляторные молекулы. В качестве внутриклеточных сигналов для по­добных каналов служат молекулы циклического АМФ или циклического ГМФ.

В ряде клеток, в частности, нервных и мышечных, сигналом актива­ции пассивных переносчиков служит изменение мембранного электропотенциала (деполяризация мембраны). Такие переносчики получили название потенциалчувствительных, потенциалзависимых или потенциалрегулируемых.

В кардиомиоцитах (клетках сердечной мышцы) имеется большое число потенциал зависимых каналов для ионов Na. Он представлен крупным полипептидом, формирующим 4 трансмембранных домена, состоящих из шести трансмембранных и двух полуинтегральных альфа-спиральных участков.

В каждом домене имеется альфа-спиральный участок, содержащий 5-8 аминокислотных остатков с положительно заряженными радикалами (аргининовых и лизиновых). Именно эти аминокислотные последовотельности являются потенциалчувствительными - при изменении мембранно­го потенциала они изменяют свою конформацию, вызывая открывание или закрывание канала.

В состоянии покоя наружная мембрана (плазмалеммы) кардиомиоцитов поляризована и ее потенциал (потенциал покоя) составляет порядка - 80 МВД. Этот мембранный потенциал создается на фоне 1радиентов мно­гих ионов и обеспечивает закрытое состояние почти всех ионных каналов, включая Na-каналы.

Снижение потенциала до -70 МВД приводит к изменению конформации натриевых каналов за счет изменения положения заряженных ради­калов аргинина и лизина, которыми обогащены трансмембранные участки, формирующие канал. Такое изменение конформации переводит канал в активное (открытое), состояние, что сопровождается мощным поступлением Na⁺ в клетки и быстрой (1-2 мс) деполяризацией мембраны до уровня +50 МВД.

При такой величине потенциала Nа⁺-каналы переходят в новое закры­тое состояние, обозначаемое как инактивированные каналы. Реполяризация мембраны с помощью специальных переносчиков ионов вызывает переход инактивированного канала в исходное закрытое состояние.

В ходе деполяризации, вызванной потоком Na⁺, открываются другие ионные каналы, которые также являются потенциалзависимыми. Среди них есть Са²⁺-каналы, называемые L-каналами, которые обеспечивают поток ионов Са²⁺ из внеклеточной среды в кардиомиоциты. Увеличение концентрации Са²⁺ в периферической гиалоплазме вызывает ПТ этих ионов, но уже из полости эндоплазматической сети, и индуцирует сокращение кардиомиоцита. Таким образом, потенциалчувствительные Na-каналы обеспечивают деполяризацию мембраны кардиомиоцитов и активацию потенциалзависимых Са²⁺-каналов, что является решающим моментом для сокращения сердечной мышцы.

Кроме потенциалзависимых Na⁺-каналов в мембране кардиомиоцитов имеются потенциалзависимые каналы для ионов К⁺ (быстро инактивирующиеся калиевые каналы, или А-каналы). Деполяризация, вызванная ионами Na⁺, активирует А-каналы и обеспечивает первую, быструю фазу реполяризации, необходимую для дальнейшего восстановления потенциа­ла покоя и ионных градиентов с помощью активного транспорта.

В нейронах потенциалзависимые каналы для ионов Na⁺ и К⁺ имеют внутренний «клапан» (m-ворота), формируемый определенными участка­ми альфа-спиралей, и небольшой цитоплазматический глобулярный домен-«затычку» (h-ворота). На фоне потенциала покоя клапан закрывает канал, препятствуя пассивному току Na через него, причем затычка не блокиру­ет канал. Канал в таком состоянии называют закрытым.

При изменении мембранного потенциала (возбуждении нейрона) про­исходит изменение конформации клапана и канал переходит в открытое состояние, обеспечивая прохождение иона в гиалоплазму и деполяриза­цию мембраны (потенциал действия). Дальнейшая деполяризация мем­браны вызывает конформационное изменение затычки, которая закрывает канал со стороны цитоплазмы. В таком состоянии канал называют инактивированным.

Инактивация канала приводит к обязательному прекращению тока иона через определенное время после его начала, т.е. импульсную передачу нервных сигналов. Она также создает условие реполяризации мембра­ны восстановление потенциала покоя, которое обеспечивается специальными переносчиками ионов. При обратном изменении мембран­ного потенциала (реполяризации) конформационные изменения клапана и затычки «снимаются» и канал возвращается в исходное (закрытое) со­ стояние - клапан закрыт, затычка не функционирует.

Известны наследственные патологии, причиной которых явля­ются дефекты структуры и функции А-каналов в кардиомиоцитах. Они вызывают нарушения сократимости миокарда (сердечной мыш­цы), приводящие к гипертрофии сердца (увеличению размеров этого органа).

В нейронах потенциалзависимые Na⁺-каналы обеспечивают воз­никновение и проведение нервного импульса. Повышенная чувстви­тельность таких каналов к изменениям мембранного потенциала из-за наследственных изменений их структуры является одной из при­чин развития эпилепсии, болезни, характеризующейся судорожными припадками.

Химические препараты карбамазепин и дифенин обладают (противосудорожным) действием и применяются при эпилептических припадках, так как связываются с каналами на стадии их инактива­ции. Это стабилизирует Na⁺-каналы в инактивированном состоянии, препятствуя повторному возбуждению соответствующих нейронов и развитию припадков.

Действие ряда местных анестетиков основано на том, что они играют роль «затычки» натриевого канала нейронов, восприни­мающих болевые ощущения. Инактивируя каналы, они препятству­ют реполяризации мембраны и тем самым блокируют проведение импульсов по «болевым» нейронам в месте введения препарата.

Еще одним способом регуляции пассивных переносчиков (каналов) является их фосфорилирование-дефосфорилирование с помощью протеинкиназ (фосфорилирование) и протеинфосфатаз (дефосфорилирование). Этот способ, кроме самостоятельного значения, может использоваться клеткой для инактивации хемочувствительных и потенциалчувствительных переносчиков даже при наличии сигналов их актива­ции.

Примером такой регуляции являются ацетилхолиновые никотин-чувствительные каналы мембран мышечных скелетных волокон (см. выше). Цитоплазматические домены их субъединиц могут фосфорилиро-ваться различными протеинкиназами, после чего каналы теряют способ­ность связывать ацетилхолин, т.е. десентизируются. В нейромышечной синаптической щели имеется белок агрин, который вызывает объедине­ние каналов в группы и тем самым стимулирует их фосфорилирование. Дефосфорилирование канала (восстановление его чувствительности к ацетилхолину) осуществляется с помощью специальной протеинфосфатазы 1D.

Для одной и той же транспортируемой молекулы (иона) может суще­ствовать несколько видов пассивных переносчиков (каналов). Так, в раз­ных клетках млекопитающих (человека) обнаружены различные, хотя и гомологичные, пассивные переносчики глюкозы GtuT, которых выявлено уже около 10 вариантов.

Все GluT состоят из одного полипептида (500 аминокислотных остатков), включающе­го 12 трансмембранных доменов, 5 из которых формируют канал для молекул глюкозы, работающий по принципу осциллятора со скоростью до 1000 мол/сек.

Наиболее универсальный переносчик глюкозы, GluT2, обнаружен в плазмалемме клеток большинства органов и характеризуется увеличением скорости работы при повышении концентрации глюкозы в крови (внекле­точной среде).

GluTl специфичен для эндотелиальных клеток (клеток эпителия капилляров). Особенно много GluTl содержится в клетках капилляров моз­га, что объясняется жесткой зависимостью энергетического обмена нейронов от глюкозы (неспособностью нейронов использовать в своем энергетическом обмене жирные кислоты и аминокислоты).

В нейронах мозга обнаруживается специфичный для них GluT3, кото­рый обладает самым высоким сродством к глюкозе. Благодаря этому он транспортирует в нейроны глюкозу даже при ее очень низких внеклеточ­ных концентрациях.

Наличие такого переносчика имеет огромное значение, учитывая зависимость нейронов от глюкозы как единственного источника энергетического обмена. Тем не менее, снижение концентрации глю­козы в крови в 2 раза (сильная гипогликемия) приводит к потере сознания человеком через 10 сек, а через несколько минут такой ги­погликемии наступает смерть.

Уникальный переносчик GluT4 обнаружен в жировых и мышечных клетках. При нормальной концентрации глюкозы в крови его нет в плаз­малемме данных клеток. При существенном увеличении концентрации глюкозы GluT4 появляется в их плазмалемме, в результате чего избыток глюкозы поступает в клетки, где превращается в гликоген (скелетная мус­кулатура) или жир (жировые клетки).

Физиологическое значение GluT4 заключается в предотвращении им длительной гипергликемии (повышенной концентрации глюкозы в крови), которая вызывает симптомы сахарного диабета. Переме­щение GluT4 из цитоплазмы в ПА регулируется гормоном поджелу­дочной железы инсулином. Однако при наследственных изменениях структуры и функции GIuT4 сахарный диабет развивается при нор­мальном количестве инсулина.

Такая форма сахарного диабета называется инсулиннезависимым сахарным диабетом (ИНЗСД), при котором введение больным инсу­лина является не только бесполезным, но и может вызвать неблаго­приятные последствия, т.к. этот гормон регулирует не только транспорт глюкозы в жировые и мышечные клетки.

Различные переносчики с одинаковой транспортной специфичностью могут присутст­вовать даже в одной клетке. Например, в нейронах и кардиомиоципик обнаружено несколь­ко каналов для ионов К, Один из них является потенциалчувствительным, активирующимся при деполяризации плазмалеммы, два других - хемочувствительными, но регулируемые разными сигналами (Са²⁺-зависимый К⁺-канал и АТФ-зависимый К⁺-канал). Наконец, четвертый вид К-каналов открыт постоянно, т.к. является нерегулируемым. Его функция заключается в ПТ ионов К⁺ из клетки при образовании их избытка.

ПТ и его регуляция имеют огромное медицинское значение, так как нарушения параметров ПТ вызывают серьезные патологические состояния организма.

Так, тетродотоксин, ядовитое вещество иглобрюха (рыбы фугу) и некоторых тритонов, обладает высоким сродством к потенциалзависимым Na-каналам, входит в них и, закрывая просвет, блокирует их активность. В результате этого использование в пищу рыбы фугу, если она не приготовлена особым способом, приводит к блоку воз­никновения и проведения нервных импульсов, заканчивающихся летальным исходом. Эффект ряда местных анестетиков обусловлен их способностью блокировать эти же каналы сходным с тетродотоксином образом.

Растительные алкалоиды курарины (действующее начало яда кураре, которым индейцы смазывали наконечники стрел) связываются с Na/K-каналом постсинаптической мембраны мышечных клеток, инактивируют его и вызывают блок нейромышечной передачи им­пульса.

При попадании кураринов в кровь (ранение стрелой) человек по­гибает от паралича мышц. Аналогичным способом действует и бунгаротоксин, белок обнаруженный в яде змей семейства кобр.

Яд паука каракурта содержит латротоксин, который встраива­ется в билипидный слой плазмалеммы и формирует нерегулируемый кальциевый канал. Если латротоксин поражает нейроны, поток ио­нов Са²⁺ индуцирует мощный выброс нейромедиаторов в синаптическую щель, вызывающий сильное возбуждение на постсинаптической мембране.

При этом пресинаптический нейрон теряет активность из-за де­фицита нейромедиаторов, секретируемых им в огромном количестве под действием латротоксина. После укуса каракуртом у человека развиваются судороги (результат сильного возбуждения), затем - параличи (результат нейромедиаторного истощения нейронов). Ха­рактерным симптомом действия латротоксина являются и галлюци­нации (возникновение ощущений и образов без адекватных им раз­дражителей).

Латротоксин относится к веществам, способным к ПТ ионов, - ионофорам. Включение ионофоров в плазмалемму клетки изменяет ее ионный баланс, что, в свою очередь, вызывает гибель клетки. Именно на этом основано действие некоторых антибиотиков - анти­бактериальных препаратов, используемых в медицине.

Так, антибиотиком-ионофором является циклический пептид валиномицин. Встраиваясь в бактериальную мембрану, он транспорти­рует по градиенту ионы К⁺, двигаясь в мембране, как челнок. Исчезновение градиента К⁺ является губительным для клеток бак­терий.

Аналогичным способом действует антибиотик грамицидин. Две молекулы грамицидина встраиваются друг за другом в мембрану бактерий и формируют неподвижный канал, через который пассивно проходят ионы К⁺.

При использовании таких антибиотиков лля лечения бактериальных инфекций следует помнить, что они способны встраиваться во внутреннюю мембрану митохон­дрий и формировать протонные каналы, т.e. пассивно транспортировать катионы водорода и тем самым нарушать работу этих органоидов.

Активный транспорт (AT) это движение молекул и ионов против градиента концентрации (в биологическом понимании градиента) и, с этой точки зрения, он противоположен свободному и пассивному транс­порту. Как и пассивный транспорт, AT осуществляется с помощью бел­ков-переносчиков, которые в данном случае называют активными переносчиками, насосами или помпами.

В соответствии с законами диффузии, AT не может происходить спонтанно, самопроизвольно. Благодаря этому осуществление AT требует

затрат энергии. По виду используемой энергии, различают 2 вида AT: первичный AT и вторичный АТ.

Первичный AT характеризуется тем, что активные переносчики, или насосы, используют энергию АТФ непосредственно. С биохимической точки зрения, такие _насосы являются АТФазами, т.е. имеют каталитиче­ский домен, в котором происходит присоединение и расщепление АТФ. В ходе связывания, гидролиза и удаления продуктов расщепления АТФ активный переносчик циклически изменяет свою конформацию, что и позволяет ему транспортировать молекулы или ионы против градиента концентрации.

Вторичный AT основан на том, что переносчик использует не энер­гию гидролиза АТФ, а энергию градиента других молекул (ионов), кото­рые он способен транспортировать пассивно, по градиенту концентрации. Пассивный транспорт вызывает изменение конформации такого перенос­чика, которое и обеспечивает AT другого типа молекул. Так как создание соответствующих градиентов сопряженно с гидролизом АТФ другими насосами, AT за счет энергии градиентов является вторичным по отноше­нию к AT путем прямого гидролиза АТФ, т.е. первичному AT.

AT, как и пассивный, характеризуется высокой специфичностью в от­ношении транспортируемых молекул. Это определяется наличием в пере­носчике центров связывания определенных молекул или ионов. Как и пассивные переносчики, насосы представляют србой белковые канальные структуры, функционирующие за счет изменения своей конформации.

Наличие насосов в плазмалемме позволяет клетке создавать и поддерживать электрохимические градиенты молекул или ионов по обе ее стороны. Эта функция определяет зависимость работы активных перенос­чиков от градиента - скорость транспорта снижается по мере создания определенной величины градиента, при которой функционирование насо­са прекращается.

Некоторые насосы-АТФазы в условиях превышения этой величины способны работать как пассивные переносчики, снижая значение градиента до необходимых параметров. При этом в условиях эксперимента пассивный транспорт через насос превращает АТФазу в АТФ-синтазу - переносчик начинает катализировать не гидролиз АТФ, а его синтез

Создание градиента ионов приводит к поляризации плазмалеммы, формированию потенциала покоя, что необходимо для функционирова­ния нейронов и мышечных клеток. Благодаря этому данные клетки обла­дают свойством возбудимости, способностью к формированию потенциала действия за счет пассивного транспорта ионов по фадиенту, созданному с помощью насосов. Кроме того, пассивный поток ионов используется рядом клеток для осуществления вторичного AT молекул, необходимых для жизнедеятельности клеток (моносахариды и аминокис­лоты). Наконец, AT необходим и используется клеткой с целью вывода опасных для нее химических соединений.

Примером универсального для всех эукариот первичного активного переносчика плазмалеммы является Са-насос, или Са-АТФаза. Он транспортирует ионы Са²⁺ из периферической гиалоплазмы за пределы клетки, расщепляя при этом молекулы АТФ.

Структурная основа Са²⁺-насоса - крупный полипептид (1220 аминокислотных остат­ков) с несколькими альфа-спиральными трансмембранными доменами и сложным цитоплазматическим доменом, локализованным в периферической гиалоилазме. Собственно Са-насос функционирует в виде гомодимера, состоящего из двух таких полипептидов. Цитоплазматический домен насоса содержит 4 разных центра: Са²⁺-связывающий (транспортный), АТФазный (каталитический), кальмодулинсвязывающий (регуляторный) и фосфорилируемый (регуляторный).

При достижении определенного уровня Са²⁺ в периферической гиалоплазме ионы связываются транспортным центром насоса и изменяют его конформацию. Это приводит к активации каталитического центра - он связывает и гидролизует АТФ. Действие каталитического (АТФазного) центра, в свою очередь, вызывает изменение конформации насоса, благо­даря чему Са²⁺, связанный в гиалоплазме, выводится во внеклеточную среду. В таком режиме работы осуществляется транспорт одного иона Са²⁴ на одну молекулу АТФ со скоростью 1000 циклов/мин.

Эта скорость может увеличиваться при активации протеинкиназы А, которая фосфорилирует цитоплазматический домен насоса и стимулирует этим его работу Данный вари­ант фосфорилирования является обратимым - насос может дефосфорилироваться с помо­щью протеинфосфатазы, что приводит к снижению скорости его работы.

Если концентрация Са²⁺ в периферической гиалоплазме достаточно велика, происходит усиление активности насоса. В этом случае Са²⁺ свя­зывается не только насосом, но и регуляторньш белком кальмодулином, с образованием активного комплекса Са-калъмодулин. Данный комплекс присоединяется к соответствующему регуляторному центру цитоплазматического домена насоса и изменяет его конформацию.

Взаимодействие Са²⁺-кальмодулина с насосом резко (в 20 раз) увеличивает сродство транспортного центра к ионам Са²⁺ и активность каталитического, АТФазного, центра в 2 раза. В результате этого скорость AT Ca²⁺ достигает 2000 ионов/мин и клетка избегает кальциевой перегрузки.

В некоторых случаях концентрация Са²⁺ периферической гиалоплаз­мы может стать очень высокой. В такой ситуации возникает реальная угроза гибели клетки из-за интенсификации Са²⁺-зависимых процессов (например, деполимеризации микротрубочек) или образования нераство­римых солей, в частности, фосфата кальция. Для предотвращения такой угрозы в клетке существует фермент кальпаин, который активируется ионами Са²⁺ при их высокой концентрации. По своей функции, кальпаин является протеинкиназой, с помощью которой фосфорилируется цито­плазматический домен Са-насоса и существенно интенсифицируется его работа.

Фосфорилирование кальпаином представляет собой необратимый процесс, приводя­щий к потере насосом способности регулироваться. Однако оно вызывает необратимое и резкое усиление активности насоса (скорости вывода ионов Са²⁺ из клетки), которое позво­ляет за короткое время нормализовать концентрацию Са в периферической гиалоплазме и предотвратить неблагоприятные последствия кальциевой перегрузки.

Кроме Са²⁺-насоса, плазмалемма зукариотических клеток содержит насосы и с другой ионной специфичностью, например, протонный насос, или H⁺-АТФазу.

С медицинской точки зрения, интересен активный переносчик (АТФаза) гликопротеин Р. У человека (и других млекопитающих) он обнаружен в клетках почек, надпочечников, печени и кишечника. Функцией этого насоса является вывод из клетки вредных, токсич­ных для нее химических соединений, к каковым относятся и опреде­ленные лекарственные препараты.

Гликопротеин Р - крупный гликозилированный полипептид с двенадцатью альфа-спиральными трансмембранными доменами, формирующими канальную структуру, и двумя сходными по структуре и функциям цитоплазматическими доменами с центрами связывания и гидролиза АТФ (АТФазными центрами)

В тканях, содержащих клетки с гликопротеином Р, нередко воз­никают опухоли, которые очень плохо поддаются лечению химиче­скими препаратами, т.е. обладающие устойчивостью одновременно к широкому спектру цитостатиков (препаратов, прекращающих рост опухолей). В этих случаях раковые клетки содержат необычно боль­шое количество молекул гликонротеина Р в плазмалемме. Благодаря этому цитостатики, попавшие в опухолевые клетки, очень быстро выводятся из них, не успев оказать терапевтического действия.

Одной из причин такой лекарственной устойчивости раковых клеток может быть амплификация (увеличение числа копий) гена, кодирующего структуру гликопротеина Р в опухолевых клетках. Такая возможность продемонстрирована экспери­ментально при изучении механизмов лекарственной устойчивости некоторых опухолевых клеток у мышей.

Возникнув в одной раковой клетке, амплицированный ген передается другим опухолевым клеткам, образующимся из исходной путем ее деления при росте опухо­ли. В результате этого лекарственную устойчивость приобретают многие клетки данной опухоли, что делает ее не чувствительной к цитостатикам.

Транспорт (как пассивный, так и активный), при котором переносчик функционирует только в отношении молекул или ионов одного вида, по­лучил название унипорт. Кроме унипорта, существует сопряженный транспорт, или копорт, при котором переносчик способен транспорти­ровать одновременно более одного вида молекул (ионов). Такие перенос­чики называют сопряженными переносчиками, или копортерами.

Различают 2 варианта копорта: симпорт и антипорт. При симпорте различные молекулы (ионы) транспортируются переносчиком в одном направлении, а при антипорте направления транспорта разных молекул (ионов) являются противоположными. При этом механизм транспорта молекул (ионов) разного вида может не совпадать, т.е. для одного вида он может быть пассивным, а для другого - активным. С этой точки зрения, вторичный AT относится к категории копорта в варианте симпорта.

Примером такого вида транспорта является реабсорбция (обратное всасывание) глюкозы и аминокислот из первичной мочи, осуществляемое нефроцитами (клетками почечных канальцев). Этот процесс предотвра­щает потери организмом ценных для него органических соединений, в результате чего вторичная моча, выводящаяся из организма, в норме практически не содержит глюкозы и аминокислот.

Глюкоза реабсорбируется с помощью переносчиков, локализованных в плазмалемме нефроцитов. Эти сопряженные переносчики способны к пассивному транспорту ионов Na⁺, который сопровождается переносом глюкозы в том же направлении, что и ионов Na⁺. Таким образом, для транспорта глюкозы симпортный переносчик использует энергию гради­ента Na.

В первичной моче концентрация Na всегда выше, чем в цитоплазме клеток эпителия почечных канальцев, что обеспечивается работой актив­ных переносчиков Na⁺ в этих же клетках. Глюкоза, попавшая в первичную мочу при фильтрации плазмы крови в почечных клубочках, связывается соответствующим симпортером (его наружным доменом). Взаимодейст­вие с молекулой глюкозы активирует Na-канал этого переносчика, в ре­зультате чего происходит пассивный транспорт ионов через этот канал.

Поток ионов Na⁺ обеспечивает изменение конформации сопряженно­го переносчика и транспорт глюкозы в том же направлении, что и Na⁺. При этом глюкоза транспортируется всегда в клетки почечных канальцев вне зависимости от ее относительных концентраций в первичной моче и цитоплазме клеток канальцев, т.е. может транспортироваться активно, против градиента собственной концентрации. Именно это позволяет реаб-сорбировать практически всю глюкозу из первичной мочи, снижая пище­вую потребность в этом моносахариде.

Аналогичные натриевые симпортеры глюкозы и аминокислот функционируют в клет­ках тонкой кишки, где они обеспечивают максимальное всасывание этих веществ, образо­вавшихся в процессе пищеварения. Кроме симпортного вторичного AT глюкозы, в клетках осуществляется и пассивный унипорт этого моносахарида с помощью переносчиков семей­ства GluT.

Реабсорбция глюкозы в почках имеет важное физиологическое значение, предотвращая развитие гипогликемии (пониженного уров­ня глюкозы в крови). При снижении концентрации глюкозы в крови до 0,2 мг/мл у человека развиваются гипогликемические судороги. Если в такой ситуации не ввести глюкозу, тяжелая гипогликемия может привести к летальному исходу.

С другой стороны, система обратного транспорта глюкозы в по­чечных канальцах функционирует таким образом, что препятствует развитию гипергликемии, вызывающей симптомы сахарного диабета. Скорость реабсорбции глюкозы в почках имеет предельную величи­ну порядка 350 мг/мин. Благодаря этому избыток глюкозы в первич­ной моче не реабсорбируется, а выводится с вторичной мочой.

Наличие глюкозы во вторичной моче, глюкозурия, является след­ствием гипергликемии и служит диагностическим признаком сахар­ного диабета. Глюкозурия может транзитно наблюдаться и у здоровых людей, если концентрация глюкозы в венозной крови дос­тигает 2 мг/мл. Этот уровень обозначают как почечный порог для глюкозы.

Причиной глюкозурии может быть не только гипергликемия, но и нарушения реабсорбции глюкозы. В частности, ее вторичный AT в почечных канальцах может быть подавлен некоторыми химически­ми веществами, например, флоридзином.

Известны и наследственные нарушения реабсорбции глюкозы, врожденная глюкозурия. При этом заболевании человек является предрасположенным к гипогликемии из-за хронической потери глю­козы, выводящейся с вторичной мочой. Соответственно, такие боль­ные должны получать с пищей достаточное количество углеводов для предотвращения развития гипогликемии.

Аналогичная система почечной реабсорбции существует и для амино­кислот. Известно 7 различных систем вторичного AT аминокислот, рабо­тающих на основе симпорта с ионами Na⁺. При этом один и тот же переносчик способен транспортировать разные аминокислоты, имеющие сходную пространственную конфигурацию.

В частности, имеется Nа⁺-симпортер для кислых аминокислот (глутаминовой и аспарагиновой), для основных аминокислот (аргинина, лизина и орнитина) и 5 разных переносчи­ков нейтральных аминокислот: цистина и цистеина; пролина, оксипролина и глицина, глицина; фенилаланина, лейцина, изолейцина, триптофана и метионина; таурина, β-аланина и γ-аминомасляной кислоты (ГАМК).

Наследственные дефекты структуры и функции таких симпорте-ров приводят к аминоацидурии (наличию аминокислот во вторичной моче). Примером такой наследственной болезни является цистинурия, причиной которой является нарушение вторичного AT цистеина и ряда других аминокислот. Особенность этой аминоацидурии за­ключается в том, что на фоне повышенной концентрации цистеина в моче развивается нефролитиаз - формирование цистеиновых "кам­ней" в почках. Это приводит к серьезным нарушениям функций мочевыделительной системы. В частности, характерным симптомом цистинурии (нефролитиаза) является гематурия (моча с кровью).

Сопряженный транспорт (копорт) может осуществляться в виде пер­вичного AT, т.е. с помощью насосов-АТФаз. Таким активным переносчи­ком является Nа/К -насос (Na/К -АТФаза), который функционирует, транспортируя ионы Na⁺ и К⁺ в противоположных направлениях и против градиентов их концентраций. С этой точки зрения, Na⁺/К⁺-АТФаза осуще­ствляет первичный активный антипорт Na⁺ и К⁺.

Na⁺/K⁺-нacoc является универсальным трансмембраиным (интегральным) компонен­том нлазмалеммы практически всех эукариотических клеток. Он представляет собой слож­ную белковую структуру, активную в комплексе с молекулами холестерола и фосфатидилсерина. В составе насоса обнаруживают 3 разных белковых субъединицы (α , β и γ), по 2-4 субъсдиницы каждого тина.

АТФазной активностью обладает цитоплазматический домен β-субъединицы, транс­мембранный домен которой формирует канальную систему для транспорта Na⁺и К. Струк­тура и локализация β-субъединицы в БЛС таковы, что гидролиз АТФ ее цитоплазматическим доменом приводит к AT Na из клетки, а К⁺ - в клетку.

При этом на один рабочий цикл (одну молекулу АТФ) выводится 3 иона Na⁺ и вводит­ся 2 иона К⁺, т.е. данный насос является электрогенным. Таким образом, работа β-субъединицы не только формирует два разнонаправленных градиента ионов (Na⁺ больше во внеклеточной среде, К⁺ - в гиалоплазме), но и приводит к поляризации плазмалеммы (избы­ток катионов с ее наружной стороны).

Созданный насосом электрохимический градиент Na используется клетками для вто­ричного AT или создания потенциала действия (возбуждения) в нервных и мышечных клетках. Скорость работы насоса может достигать 100000 циклов/мин.

Как оказалось, α - и γ-субъединицы насоса не имеют отношения к активному антипорту Na⁺ и К⁺. Взаимодействуя между собой и с β-субъединицей, они формируют канальные системы, через которые в клетку транспортируются глюкоза и аминокислоты. Эта система активируется изменением конформации β -субъединицы, те. при AT ионов Na⁺ и К⁺, сопря­женном с гидролизом АТФ.

Интенсивность работы Na/К-насоса может быть изменена дей­ствием определенных химических веществ, и эту особенность ис­пользуют в медицинской практике. Так, для усиления сердечных сокращений (сократительной функции кардиомиоцитов) используют сердечные гликозиды (например, препараты растения наперстянки), которые подавляют активность Na/К-насоса.

Ингибирование насоса вызывает гипополяризацию плазмалеммы кардиомиоцитов и, в свою очередь, накопление в них ионов Са, используемых для сокращения клеток сердечной мышцы. Однако препараты наперстянки одновременно нарушают функции желудоч­но-кишечного тракта и органа зрения.

Действие ряда анестетиков, используемых при хирургических операциях для обезболивания и наркоза, основано на том, что они, встраиваясь в билипидный слой плазмалеммы нейронов, усиливают интенсивность работы Na⁺/K⁺-Hacoca. Это приводит к гиперполяриза­ции плазмалеммы и, как следствие, блоку возникновения и проведе­ния болевых нервных импульсов.

Известны наследственные болезни, причина которых - измене­ние активности Na/K-АТФазы. Овалоцитарная анемия, или овалоцитоз, обусловлена усиленной активностью насоса, число единиц которого в эритроцитах достигает 600. Дефицит ионов Na⁺ в эритро­цитах вызывает СТ молекул воды в плазму крови, в результате чего эритроциты изменяют свою форму - становятся овальными.

При некоторых наследственных формах ожирения обнаружива­ется пониженная активность Na⁺/K⁺-нacoca. Одним из объяснений этой корреляции является то, что для работы насоса требуется большое количество молекул АТФ (около 30% всей клеточной АТФ). Если насос работает постоянно с меньшей интенсивностью, затраты АТФ существенно снижаются. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению масштабов энергетического обмена в клетках и воз­никновению избытка глюкозы в организме. Одним из способов ути­лизации этого избытка является трансформация глюкозы в жиры, которые депонируются в клетках жировой ткани, вызывая симпто­мы ожирения.

Кроме антипортных АТФаз существуют и пассивные антипортные переносчики. Такой вид сопряженного транспорта осуществляет, напри­мер, анионный переносчик, или капнофорин, обнаруживаемый в большом количестве в мембране эритроцитов. Данный переносчик способен к ПТ ионов Сl^-, НСО₃^-, НРО₄^2- и SO₂^2-, однако наибольшую специфичность он проявляет в отношении антипорта Сl^- и НСО₃^-. Огромное количество мо­лекул капнофорина в плазмалемме эритроцитов обусловлено тем, что они обеспечивают эффективный транспорт диоксида углерода.

Капнофорин представляет собой крупный (порядка 96 кДа) полипептид, включающий несколько грансмембранных альфа-спиральных участков, формирующих анионный канал. Цитоплазматический домен переносчика имеет центры связывания с белками цитоскелета, гемоглобином и ферментами гликолиза. Наружный домен капнофорина гликозилирован - содержит углеводные компоненты, которые являются антигенными детерминантами не­скольких систем групп крови В мембране эритроцитов анионный переносчик представлен в виде гомодимеров, количество которых составляет около 50 тыс., причем каждый протомер димера обладает способностью к антипорту анионов со скоростью до 50000 циклов в секунду.

Образовавшийся в тканях диоксид углерода очень быстро (3-4 мс) диффундирует в плазму крови и путем СТ проникает в эритроциты. Толь­ко 8% молекул газа транспортируется к легким в растворенном виде плазмой крови. Поступивший в эритроциты диоксид углерода частично связывается молекулами гемоглобина и транспортируется к легким в свя­занной форме. Основное количество газа (80%) превращается в анион НСО₃ (гидрокарбонат-анион).

В эритроцитах содержится фермент карбоангидраза, который катализирует реакцию взаимодействия диоксида углерода с молекулами воды, в результате чего образуется уголь­ная кислота (СО₂ + Н₂О -> Н₂СО₃). Угольная кислота в водном растворе ершу диссоцииру­ет на протон и гидрокарбонат-анион (Н₂СОз -> Н⁺ + НСОз^-). Образующиеся протоны взаимодействуют с молекулами оксигемоглобина, способствуя диссоциации от него кисло­рода, после чего кислород диффундирует в плазму крови и ткани. Таким образом, диссо­циация угольной кислоты и протонирование гемоглобина приводят к увеличению концентрации иона НСОз^- в гиалоплазме эритроцитов.

Накапливающиеся в эритроците гидрокарбонат-анионы быстро выво­дятся по градиенту концентрации в плазму крови с помощью капнофори­на. Этот антипортер фактически обменивает каждый гидрокарбонат-анион на анион Сl, так как концентрация Сl в плазме крови выше, чем в гиалоплазме эритроцитов. Анионы НСО₃^- транспортируются плазмой крови в легочные капилляры, где вновь с помощью капнофорина попада­ют в эритроциты, обмениваясь на ионы Сl, где на основе обратной реак­ции трансформируются в диоксид углерода.

Появление в эритроцитах гидрокарбонат-аниона приводит к депротонированию гемолобина, после чего он приобретает способность присоединять молекулы кислорода, пре­вращаясь в оксигемоглобин. Освободившиеся протоны взаимодействуют с НСОз^-, в результате чего образуется угольная кислота, которая с помощью той же карбоангидразы расщепляется на молекулы воды и диоксида углерода.

Диоксид углерода свободно диффундирует через БЛС плазмалеммы эритроцитов в плазму крови, откуда через стенки легочных капилляров и альвеол (легочных пузырьков) поступает в легкие и удаляется при выдохе. Таким образом, в легочных капиллярах протекают процессы, обратные происходящим в тканевых капиллярах, что обеспечивается обратимостью Функционирования анионного антипортера капнофорина и эритроцитарного фермента карбоангидразы.

Карбоангидраза представлена и в плазмалемме эпителиальных клеток легочных капил­ляров, так что превращение НСОз^- в СO₂ может осуществляться и без транспорта гидрокар­бонат-аниона в эритроциты - непосредственно в плазме крови, проходящей через капилляры легких.

СТ, ПТ и AT подвержены частицы и молекулы малых и средних раз­меров. При этом СТ и ПТ осуществляются по законам диффузии - проте­кают «по градиенту концентрации». Благодаря этому, эти два вида транспорта часто объединяют общим названием «пассивный транспорт», подразделяя его на простую диффузию и облегченную диффузию. AT не подчиняется законам диффузии, протекая «против градиента концентра­ции», и поэтому требует энергетических затрат со стороны клетки. Рас­смотренные механизмы транспорта не могут обеспечить поступление в клетку или вывод из нее крупных органических соединений, макромоле­кул типа биополимеров, не говоря о более сложных, надмолекулярных структурах. Эта проблема решается с помощью принципиально иного вида транспорта, осуществляемого ПА клетки.

Транспорт в мембранной упаковке, или цитоз, характеризуется тем, что на определенных его стадиях транспортируемые вещества нахо­дятся внутри мембранных пузырьков, т.е. окружены мембраной, имеют мембранную упаковку. По направлению транспорта в отношении клетки, различают 3 вида цитоза: эндоцитоз (транспорт в клетку), экзоцитоз (транспорт из клетки) и трансцитоз, или диацитоз (транспорт через клетку).

Эндоцитоз может осуществляться различными механизмами, в связи с чем выделяют 3 его варианта: фагоцитоз, макропиноцитоз и микропиноцитоз. При данных вариантах эндоцитоза транспортируемое вещество при поступлении в клетку окружается участком плазмалеммы и оказыва­ется в цитоплазме внутри мембранного пузырька.

Фагоцитозу подвергаются крупные молекулы и частицы, размер ко­торых составляет 1 мкм и более. В результате фагоцитоза формируется мембранный пузырек с транспортируемой частицей, который называют фагосомой. Образование фагосомы является сложным процессом, тре­бующим затрат энергии со стороны клетки - при дефиците АТФ в клетке фагоцитоз не осуществляется.

Фагоцитоз представляет собой вид индуцируемого транспорта, зави­сящий от взаимодействия фагоцитируемой частицы с определенными компонентами ПА клетки. Такое специфическое взаимодействие (узнавание) - обеспечивается наличием в составе ПА клетки набора опре­деленных интегральных белков или гликопротеинов, получивших назва­ние рецепторов фагоцитоза. Эти рецепторы связывают соответствующие им участки фагоцитируемой частицы - детерминанты фагоцитоза. Та­ким образом, фагоцитозу подвергаются только те частицы, которые со­держат на своей поверхности детерминанты, узнаваемые рецепторами фагоцитоза в ПА данной клетки.

Первый этап фагоцитоза представляет собой опосредованное рецеп­торами распознавание клеткой фагоцитируемой частицы. Разнообразие рецепторов у данной клетки может быть большим, но доказано, что фаго­цитируется не любая крупная частица. Этап распознавания (взаимодейст­вие «рецептор-детерминанта») является энергонезависимым, т.е. протекает без затрат АТФ клеткой.

Связывание рецепторами соответствующих детерминант индуцирует второй этап фагоцитоза - формирование фагосомы. Данный этап является АТФ-зависимым и блокируется в условиях дефицита этого макроэрга. Образование фагосомы не происходит и при действии на клетку цитохалазинов, которые вызывают деполимеризацию актиновых МФ. Оба факта указывают на участие в формировании фагосомы АМС. Фагосома образу­ется путем формирования выростов ПА клетки - псевдоподий (ложноно­жек), которые обволакивают фагоцитируемую частицу со всех сторон.

В основе этого процесса лежит взаимодействие клеточных рецепторов с детерминан­тами фагоцитоза на частице, благодаря чему псевдоподии перемещаются по частице и смыкаются над ней. В результате такого движения, механизм которого называют «застеж­кой молнии», фагоцитируемая частица оказывается внутри сформировавшейся фагосомы.

Условием нормального протекания фагоцитоза является достаточное количество де­терминант, расположенных по всей поверхности фагоцитируемой частицы. Если это усло­вие не выполняется (например, детерминанты сконцентрированы в одном районе частицы), фагоцитоз может начинаться, но не завершается образованием фагосомы. Такая ситуация обозначается как незавершенный фагоцитоз, или абортивный фагоцитоз. Незавершенный фагоцитоз наблюдается и в том случае, если клетка пытается фагоцитировать структуру очень большого размера, сравнимого с размером самой клетки.

У высших многоклеточных организмов, включая человека, способно­стью к фагоцитозу в норме обладают только определенные клетки, в пер­вую очередь, клетки иммунной системы. Высокой фагоцитарной активностью характеризуются 2 вида лейкоцитов: нейтрофилы и макро­фаги, которые объединяют термином «фагоциты». Кроме них, ограни­ченной способностью к фагоцитозу обладают эозинофилы (вид лейкоцитов) и В-лимфоциты. Осуществлять фагоцитоз могут и клетки, не относящиеся к иммунной системе. Это свойство обнаружено, в частности, у эндотелиоцитов (клеток эпителия капилляров) и нефроцитов (клеток эпителия почечных канальцев).

На основе фагоцитоза осуществляется защитная функция организма. Во-первых, фагоциты способны уничтожать чужеродные клетки, напри­мер, бактериальные, обеспечивая один из элементов защиты от инфекци­онных заболеваний. Аналогичная ситуация характерна и для чужеродных макромолекулярных токсинов (ядов), фагоцитоз которых препятствует отравлению организма. Во-вторых, фагоциты могут уничтожать соста­рившиеся, изменившиеся или поврежденные клетки собственного орга­низма. Так, у человека макрофаги ежедневно избавляют организм от 100 млрд, эритроцитов, утративших свои функции.

Дефекты фагоцитоза у человека приводят к иммунодефицитным состояниям организма - повышенной чувствительности к бактери­альным и вирусным инфекциям. Наследственные формы таких аномалий вызывают предрасположенность к хроническим инфекцион­ным заболеваниям. В частности, известна наследственная аномалия, в результате которой фагоциты теряют способность к фагоцитозу из-за дефекта АМС. Люди с такими дефектными фагоцитами имеют повышенную чувствительность к инфекционным болезням.

Блок фагоцитоза может быть обусловлен и наследственными де­фектами рецепторов, узнающих антигенные детерминанты бактери­альных клеток или вирусов. Эта особенность приобрела свое значение в эволюции некоторых паразитических микроорганизмов. В ходе естественного отбора их поверхностные детерминанты (анти­гены) видоизменяются таким образом, что не узнаются рецепторами фагоцитоза. В результате такие микробы избегают взаимодействия с фагоцитами и становятся сильно патогенными для организма, в котором они паразитируют.

Внутриклеточные паразиты (вирусы, бактерии, простейшие) ис­пользуют фагоцитоз как способ проникновения в клетке организма-хозяина. В таких случаях они способны блокировать внутриклеточ­ные механизмы своего уничтожения, которые существуют в фагоци­тирующей их клетке.

Макропиноцитоз - это процесс эндоцитоза отдельных макромоле­кул, размеры которых составляют десятые доли мкм. Как и фагоцитоз, макропиноцитоз является АТФ-зависимым, однако этот вариант эндоци­тоза не требует участия АМС. В частности, цитохалазины, разрушающие актиновые МФ и тем самым блокирующие фагоцитоз, не оказывают влияния на процесс макропиноцитоза.

Для инициации макропиноцитоза, как и фагоцитоза, необходимо взаимодействие транспортируемой макромолекулы с высокоспецифич­ными к ней рецепторами, рецепторами макропиноцитоза. Благодаря этому макропиноцитоз называют также опосредуемым рецепторами эндоцитозом, хотя участие рецепторов универсальная характеристика всех вариантов эндоцитоза. Исключением является жидкостнофазный эндоцитоз - неспецифическое, пассивное включение низкомолекулярных внеклеточных веществ в формирующийся с помощью рецепторов мем­бранный пузырек.

Макропиноцитоз происходит в специализированных участках ПА клетки, так называемых окаймленных ямках, суммарная площадь которых составляет около 2% площади ПА. Окаймленные ямки представляют со­бой небольшие и неглубокие впячивания плазмалеммы, в которых скон­центрированы рецепторы макропиноцитоза. В периферической гиалоплазме ямок находится большое количество молекул белка клатрина, взаимодействующих с мембранными белками и формирующих клатриновое окаймление ямки.

На первом этапе макропиноцитоза, этапе узнавания, происходит связывание транспортируемых макромолекул специфичными к ним рецепторами. При этом высокая концентрация рецепторов именно в ямках позво­ляет связать большое количество соответствующих макромолекул в одной ямке. В результате концентрация молекул в ямках превышает концентра­цию этих же молекул вне ямок более чем в 1000 раз.

Таким образом, концентрирование рецепторов макропиноцитоза в ямках резко увеличивает эффективность этого вида транспорта на фоне его высокой селективности. Как и в случае фагоцитоза, первый этап макропиноцитоза является АТФ-независимым.

Связывание большого количества транспортируемых молекул рецеп­торами служит сигналом для формирования мембранного пузырька, макропиносомы. Конкретно, происходит активация специфической протеинкиназы, с помощью которой осуществляется фосфорилирование белков окаймления ямки клатринов, для чего используются молекулы АТФ. Фосфорилированные клатрины приобретают способность к поли­меризации, взаимодействуют друг с другом и белками плазмалеммы в ямке. В частности, к цитоплазматическому домену рецепторов макропи­ноцитоза присоединяется белок адаптин, с которым и связываются клат­рины.

Сложная структура клатринов такова, что в результате их полимери­зации формируется жесткая клатриновая сферическая структура с шести­угольными ячейками. Так как полимеризующиеся клатрины связаны с мембранными белками, ямка сначала углубляется, а затем «превращается» в мембранный пузырек диаметром порядка 150 нм.

Завершение полимеризации клатрина приводит к отделению от ПА клетки мембранного пузырька, внутри которого находятся связанные рецепторами макромолекулы. Снаружи такой пузырек (макропиносома) покрыт «клатриновой шубой» - сферической структурой с шестиуголь­ными ячейками, образованной полимеризовавшимися молекулами клат­рина. Благодаря этому, макропиносомы на данной стадии называют окаймленными пузырьками. Поскольку полимеризация клатри­на требует участия протеинкиназы, использующей в качестве донора фосфатных групп молекулы АТФ, процесс формирования окаймленных пузырьков является АТФ-зависимым и не происходит в условиях дефици­та АТФ.

Таким образом, и фагоцитоз, и макропиноцитоз требуют затрат АТФ со стороны клетки, однако механизмы использования этих макроэргов различны. Кроме этого, с формальной точки зрения, фагоцитоз осуществ­ляется путем «выпячивания» участка ПА клетки, тогда как макропиноци­тоз реализуется на основе «впячивания» участка ПА клетки.

После формирования окаймленного пузырька происходит удаление его клатринового окружения с помощью фермента «раздевающей» АТФа-зы. Она, гидролизуя молекулы АТФ, деполимеризует клатрины, которые возвращаются в периферическую гиалоплазму новых окаймленных ямок. Таким образом, и этот этап макропиноцитоза является АТФ-зависимым.

Дальнейшая судьба макропиносомы определяется тем, что в ее мем­бране оказывается большое число рецепторов, попавших в нее при фор­мировании пузырька. Количественные оценки указывают на присутствие в окаймленной ямке около 1000 рецепторов разной специфичности. Кро­ме того особенностью макропиноцитоза является то, что он осуществля­ется клетками практически непрерывно. В частности, наиболее активные в этом отношении клетки за 1 мин эндоцитируют приблизительно 3% площади своего ПА, т.е. за 30 мин способны «поглотить» почти весь ПА. Это создает две общеклеточных проблемы: постоянное сокращение пло­щади ПА и возникновение дефицита рецепторов макропиноцитоза в ПА.

Обе эти проблемы решаются благодаря тому, что в клетках сущест­вуют особые мембранные цистерны, которые называют «цистернами спасения». Они локализуются в гиалоплазме района окаймленных ямок. В составе мембраны цистерны спасения и макропиносомы име­ются белки слияния (фузионные белки, фузогены), которые вызывают слияние мембран макропиносомы и цистерны спасения. В результате этого образуется единая мембранная структура, внутри которой оказыва­ется транспортируемые молекулы, связанные с рецепторами макропино­цитоза. Слияние мембран макропиносомы и цистерны спасения происходит с участием ацилпротеинов Rab4 и Rab5, которые обладают функциями ГТФаз.

В мембране цистерны спасения имеются протонные насосы (Н⁺-АТФазы), которые постоянно «закачивают» в полость цистерны ионы водорода, так что в ней создается кислая среда (рН = 5-6). В такой среде происходит диссоциация транспортируемых макромолекул и рецепторов, в результате чего рецепторы становятся свободными. Свободные рецеп­торы концентрируются в определенном участке мембраны цистерны, из которого формируется мембранный пузырек с рецепторами. Этот пузырек отшнуровывается от цистерны спасения и встраивается в ПА клетки пу­тем слияния с плазмалеммой.

Таким образом, наличие цистерны спасения обеспечивает, с одной стороны, возвращение эндоцитированных рецепторов в ПА клетки, рециклирование рецепторов. С другой стороны, так как рециклирование рецепторов осуществляется с помощью мембранных пузырьков, клетка восстанавливает и площадь ПА, уменьшающуюся при эндоцитозе. Счита­ется, что аналогичный механизм возврата рецепторов может функциони­ровать и при фагоцитозе.

Что касается транспортируемых макромолекул, они выводятся из цис­терны спасения внутри другого мембранного пузырька. Этот транспорт­ный пузырек отшнуровывается от цистерны спасения и направляется с помощью ТТС по своему назначению - сливается с определенными эндомембранами с помощью ГТФазы Rab7.

С помощью макропиноцитоза в клетку постоянно поступают опреде­ленные олиго- и полимеры, используемые в различных целях. Некоторые из них расщепляются в лизосомах до мономеров, которые необходимы в процессах биосинтеза, другие выполняют свои специфические регуляторные функции. Таким же путем в клетки транспортируются и некоторые биологически важные низкомолекулярные вещества, не имеющие специ­фических пассивных или активных переносчиков в плазмалемме. В част­ности, с помощью макропиноцитоза в клетки поступают ионы железа Fe³⁺, необходимые, например, для энергетического обмена, происходяще­го в митохондриях.

В плазме крови ионы Fe³⁺, поступившие из пищи, связываются специальным белком трансферрином. В ПА клеток имеются рецепторы трансферрина, специфически связываю­щие комплекс трансферрин-Fe³⁺ и тем самым индуцирующие макропиноцитоз в его обыч­ном варианте. После попадания в цистерну спасения ионы Fe³⁺ в кислой среде диссоциируют от трансферрина, который в данных условиях остается связанным со своим рецептором и вместе с ним возвращается в ПА клетки.

Здесь, во внеклеточной (менее кислой) среде, трансферрин отсоединяется от своего ре­цептора, вновь приобретает способность связывать Fe³⁺ и включается в новый цикл макро­пиноцитоза. Таким образом, в данном случае цистерна спасения обеспечивает рециклирование не только рецепторов трансферрина, но и самого железо-связывающего транспортного белка.

Макропиноцитозом во все клетки организма транспортируется холестерол. Хотя клетки обладают способностью к самостоятельному синтезу холестерола, основная его масса секретируется гепатоцитами (клетками печени) в виде особых комплексов - липопротеидов низкой плотности (ЛНП). ЛНП представляют собой мембранные пузырьки диаметром по­рядка 22 нм, стенка которых образована монослоем фосфолипидов. В полости такого пузырька содержится до 1500 молекул ацилхолестерола (эфира холестерола и жирной кислоты), составляющих сердцевину ЛНП.

В липидном монослое ЛНП имеется молекула интегрального белка с наружным доменом-детерминантой, которую могут связывать специфические рецепторы ЛНП, располо­женные в плазмалемме клеток. При достаточном количестве холестерола в клетке число таких рецепторов в ПА минимально. Однако если у клетки возникает потребность в холестероле, она индуцирует синтез рецепторов ЛНП и их встраивание в плазмалемму. Рецептор ЛНП, оказавшись в ПА клетки, связывает своим наружным доменом белковую детерминан­ту ЛНП, и образовавшийся комплекс «плавает» в БЛС плазмалеммы до тех пор, пока не попадет в окаймленную ямку.

Оказавшись в окаймленной ямке, комплекс «ЛНП-рецептор ЛНП» индуцирует макро­пиноцитоз, опосредуемый клатрипами, и поступает в цистерну спасения, где происходит диссоциация ЛНП и рецепторов ЛНП. Рецепторы ЛНП рециклируются, а ЛНП в составе пузырьков попадает в лизосомы путем слияния мембран этого органоида и грансиортного пузырька. Здесь ацилхолестерол сердцевины гидролизуется, и образовавшиеся молекулы холестерола выводятся из лизосомы в гиалоплазму.

В настоящее время обнаружено более 25 различных рецепторов, способных индуцировать макропиноцитоз. Наследственные дефекты таких рецепторов приводят к двум важным для клеток и организма последствиям. Во-первых, в такой ситуации возникает внутрикле­точный дефицит определенных веществ, необходимых клетке для нормального осуществления своих функций. Во-вторых, эти вещест­ва начинают накапливаться во внеклеточной среде, что также, как правило, нарушает нормальные функции клеток и организма.

Наследственные аномалии трансферрина (эндоцитируемого бел­ка-переносчика железа) приводят к внутриклеточному дефициту ионов Fe3+ и, как следствие, к резкому снижению уровня энергетиче­ского обмена в митохондриях, проявляющегося дефицитом АТФ. В результате этого усиливаются процессы гликолиза с образованием большого количества молочной кислоты, токсичной для большинст­ва клеток, в первую очередь мышечных и нервных.

Так как ионы Fe³⁺ являются необходимым компонентом гемогло­бина, наследственные дефекты рецепторов трансферрина (или само­го трансферрина) могут быть одной из причин железодефицитной анемии (нарушения функции эритроцитов, обусловленного недос­татком в них ионов Fe³⁺).

Наследственные нарушения структуры и функций рецепторов ЛНП вызывают повышение концентрации холестерола (ЛНП) в плазме крови, особенно если, большое количество стерола поступает с пищей. При определенных условиях это приводит к формированию на стенках кровеносных сосудов специфических липоидных «бля­шек». Образование большого количества таких бляшек в кровенос­ных сосудах является причиной серьезного заболевания атероскле­роза.

Опосредованный рецепторами эндоцитоз используется некото­рыми вирусами как способ проникновения в клетки хозяина. Такие вирусы имеют наружную оболочку в виде БЛС, содержащего специ­фические вирусные белки. Одни из этих белков обеспечивают взаи­модействие с соответствующими белками (рецепторами) ПА клетки-мишени, а другие - слияние БЛС вирусной оболочки и плазмалеммы клетки.

В простейшем случае, после взаимодействия с рецепторами ПА клетки белки слияния вызывают встраивание вирусной оболочки в плазмалемму. В результате этого "раздетый" вирус попадает сразу в гиалоплазму и тем самым избегает контакта с лизосомами, способ­ными разрушить как его белковый капсид, так и его генетический материал (ДНК или РНК). Именно таким способом проникает в клетки вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), или вирус синдрома приобретенного иммунодефицита (вирус СПИД), специфически по­ражающий определенную популяцию Т-лимфоцитов.

В более сложном случае, «мембранные» вирусы подвергаются обычному макропиноцитозу и оказываются в цистерне спасения. Здесь низкая рН активирует белки слияния вируса, и вирусная мем­брана встраивается в мембрану цистерны спасения. В результате вирус уже без мембранной оболочки попадает непосредственно в гиалоплазму и, избежав контакта с лизосомой, продолжает свой жиз­ненный цикл, нарушающий жизнедеятельность зараженной им клетки. Таким способом происходит поражение клеток вирусом грип­па и, возможно, вирусом СПИД.

Опосредованный рецепторами эндоцитоз можно использовать в терапевтических (лечебных) целях для введения лекарственных пре­паратов в определенные клетки. С этой целью препарат «упаковы­вают» в искусственный мембранный пузырек, липосому. В БЛС липосомы встраивают фузионные белки и интегральные белки с определенными детерминантами. Структура этих детерминант тако­ва, что они взаимодействуют с рецепторами только тех клеток, в которые должен попасть препарат.

Введенные в организм липосомы ведут себя аналогично вирусам с мембранной оболочкой - их содержимое оказывается в гиалоплазме только определенных клеток. Например, если клетки опухоли имеют в своем ПА специфические белки, в такие клетки с помощью липосом можно вводить препараты, останавливающие деление раковых клеток (цитостатики) или вызывающие гибель опухолевых клеток.

Микропиноцитоз представляет собой вариант эндоцитоза, предна­значенный для транспорта макромолекул относительно небольшого раз­мера, составляющего сотые доли мкм. Как правило, микропиноцитозу подвергаются белковые молекулы. Формально он сходен с макропиноцитозом - для его индукции необходимо взаимодействие транспортируемой молекулы с соответствующим рецептором ПА клетки и транспортный пузырек формируется путем впячивания участка плазмалеммы с этими рецепторами.

Однако образование микропиносомы осуществляется без участия клатринов, с помощью которых происходит формирование макропиносомы. Благодаря этому, микропиноцитоз является АТФ-независимым и протекает со значительно более низкой скоростью, чем макропиноцитоз. Более того, скорость микропиноцитоза зависит от температуры - умень­шается при ее снижении и увеличивается при повышении.

Вероятно, скоростные параметры данного варианта эндоцитоза определяются степенью жидкостности БЛС плазмалеммы. Еще одной особенностью микропиноцитоза является то, что образующиеся микропиносомы не контактируют с цистерной спасения, т.е. для них не характерно рециклирование рецепторов с ее помощью.

Способностью к микропиноцитозу обладают далеко не все клетки организма. Данный вид транспорта характерен для эпителиальных клеток, в частности эндотелия капилляров и эпителия слизистых оболочек, покры­вающих полости внутренних органов (кишечник, носоглотка, легкие, мочеполовые пути).

Судя по всему, спектр белков, способных подвергаться микропиноци­тозу, невелик; достоверно известно, что так транспортируются антитела определенной структуры (иммуноглобулины А). Фактически, микропино­цитоз не является самостоятельным видом цитоза, а представляет собой начальный этап особого типа транспорта в мембранной упаковке трансцитоза.

Экзоцитоз - это вид транспорта в мембранной упаковке (цитоза) при котором образовавшиеся в клетке вещества выводятся во внеклеточную среду. При этом на той или иной стадии экзоцитоза транспортируемые молекулы оказываются внутри мембранных пузырьков, экзоцитозных пузырьков. Таким образом, экзоцитоз можно рассматривать как процесс, противоположный эндоцитозу.

В типичном варианте экзоцитоза мембранные пузырьки, содержащие вещества, подлежащие выводу из клетки, формируются в цитоплазме. Как правило, их образование связано с функциями мембранных клеточных органоидов (комплекса Гольджи и эндоплазматической сети). Такие экзоцитозные пузырьки транспортируются к ПА клетки, где проис­ходит слияние их мембраны с плазмалеммой. В результате мембрана экзоцитозного пузырька становится частью плазмалеммы, а его содержимое либо компонентами гликокаликса, либо компонентами внеклеточной среды со своими специфическими функциями. По своим механизмам и биологическому значению, выделяют 2 варианта экзоцитоза: конститу­тивный экзоцитоз и индуцируемый экзоцитоз.

Конститутивный, или нерегулируемый, экзоцитоз является универ­сальным вариантом транспорта в мембранной упаковке, т.е. характерен практически для всех типов клеток многоклеточного организма. В этом случае сформировавшийся в цитоплазме экзоцитозный пузырек с помо­щью ТТС перемещается к ПА клетки, и этот этап требует энергетических затрат в виде АТФ. Достигнув периферической гиалоплазмы, пузырек вступает своей мембраной в контакт с участком плазмалеммы. Детали этого процесса недостаточно ясны, тем не менее, очевидно, что в месте контакта должны происходить (или уже имеются) специфические измене­ния COCA (цитоскелета) - его локальная дезинтеграция.

Механизмы контакта также изучены недостаточно. Вероятно, в этот процесс вовлече­ны специальные белки слияния (фузогены). Кроме того известно, что районы слияния плазмалеммы с экзоцитозным пузырьком содержат большое количество молекул холестерола. Так или иначе, в зоне контакта происходит слияние участков обеих мембран и мембрана экзоцитозного пузырька входит в состав плазмалеммы.

Мембрана пузырька содержит разнообразные липиды, включая гликосфинголипиды, интегральные, полуинтегральные и периферические белки, часть которых представлена гликопротеинами. Таким образом, с помощью конститутивного экзоцитоза происходит постоянное обновле­ние, регенерация двух основных компонентов ПА клетки - плазмалеммы и гликокаликса. В этом и заключается общеклеточная роль конститутив­ного экзоцитоза.

В ряде клеток, например, фибробластах (клетках рыхлой соединительной ткани), остеобластах (клетках костной ткани) и хондробластах (клетках хрящевой ткани) по пути конститутивного экзоцитоза могут выводиться синтезируемые в клетках элементы внекле­точного матрикса - компонента соединительных тканей.

Индуцируемый, или регулируемый, экзоцитоз является менее универ­сальным процессом, чем конститутивный экзоцитоз. Он характерен для клеток, выполняющих секреторную функцию, поэтому цитозные пузырьки в данном варианте экзоцитоза называют секреторными пузырьками, или секреторными гранулами.

Сформировавшиеся в цитоплазме секреторные пузырьки направляют­ся с помощью ТТС, как правило, к специализированным участкам ПА клетки. В этих зонах сконцентрированы фузионные белки (белки слияния) синтаксин и нейрексин, поровые белки и определенное количество пас­сивных переносчиков ионов Са²⁺. Достигнув зоны экзоцитоза, секретор­ные пузырьки окружаются сетью актиновых МФ, взаимодействуя с ними белками синапсином и спектрином, прекращают свое движение и фикси­руются в периферической гиалоплазме. При постоянном образовании секреторных пузырьков происходит их накопление до определенного количества, а «избыточные» пузырьки разрушаются в цитоплазме с по­мощью лизосом.

Такая ситуация определяется тем, что для осуществления индуцируе­мого (регулируемого) экзоцитоза, или секреции, необходим определенный внеклеточный сигнал. Его отсутствие и приводит к накоплению секретор­ных пузырьков. Функциональное значение такого сигнала заключается в том, что с его помощью активируются пассивные переносчики Са²⁺, рабо­та которых необходима для данного вида экзоцитоза.

Сигнал секреции трансформируется в ПА клетки или путем измене­ния конформации соответствующих ему рецепторов, или путем измене­ния мембранного электропотенциала плазмалеммы. Так или иначе, сиг­нал, полученный клеткой, вызывает активацию пассивных переносчиков ионов Са²⁺. Это приводит к локальному повышению концентрации Са²⁺ в периферической гиалоплазме, что и является внутриклеточным сигналом, запускающим все дальнейшие этапы экзоцитоза.

Во-первых, происходит Са²⁺-зависимая активация определенных протеникиназ, кото­рые катализируют фосфорилирование белков цитоскелета и тем самым вызывают локаль­ную разборку его элементов. Во-вторых, осуществляется дезинтеграция сети МФ, оплетающей секреторные пузырьки, которые в_ результате этого приобретают подвижность. В-третьих, секреторные пузырьки взаимодействуют с актомиозиновыми комплексами, которые «подтягивают» пузырьки к плазмалемме, обеспечивая контакт белков слияния обеих мембран.

Белки слияния плазмалеммы (см. ранее) и секреторного пузырька -синаптобревин и синаптогамин - взаимодействуют друг с другом и обес­печивают формирование фузионной поры, соединяющей полость секре­торного пузырька с внеклеточной средой. Пора образуется при взаимодействии поровых белков плазмалеммы с белками мембраны сек­реторного пузырька синаптофизинами при участии ГТФазы Rab3A, встроенной в мембрану пузырька.

Высокая концентрация Са²⁺ в периферической гиалоплазме активирует АМС, в результате чего содержимое пузырька «выдавливается» из него за пределы клетки - происходит акт секреции. Таким образом, при индуцируемом (регулируемом) экзоцитозе затрат энергии (АТФ) требует не только процесс передвижения секреторных пузырьков к ПА клетки (работа ТТС), но и сам процесс секреции (работа протеинкиназ и АМС).

В отличие от конститутивного экзоцитоза, при индуцируемом экзоцитозе мембрана секреторного пузырька не всегда становится участком плазмалеммы. Например, в нейронах с секреторной функцией после завершения экзоцитоза нейромедиаторов белки слияния секреторных пузырьков и плазмалеммы изменяют свою конформацию и контакт между ними исчезает. В результате этого «опустошенные» секреторные пузырьки отсоединяются с помощью клатринов и по ТТС возвращаются в цитоплазму, где вновь заполняются нейро-медиаторами.

Таким образом, оба варианта экзоцитоза являются АТФ-зависимыми и осуществляются с помощью ТТС. Благодаря этому они блокируются действием на клетку ингибиторов синтеза АТФ и агентов, вызывающих деполимеризацию МТ. Кроме того, индуцируемый экзоцитоз - Са²⁺-зависимый процесс, требующий участия АМС. В этом случае некоторые агенты, деполимеризующие F-актин, способны индуцировать секрецию, разрушая сеть МФ, окружающую секреторные пузырьки, и стимулируя процесс слияния пузырьков с штазмалеммой.

Блок конститутивного экзоцитоза приводит к драматическим последствиям для клетки, так как она утрачивает механизм обнов­ления (регенерации) важнейших компонентов плазмалеммы и гликокаликса. В результате этого клетка быстро «стареет» и погибает.

Дефекты индуцируемого (регулируемого) экзоцитоза вызывают серьезные нарушения нейрогуморальной регуляции функций многоклеточного организма. При этом причиной регуляторных аномалий могут быть как гипофункция (пониженная активность), так и гиперфункция (повышенная активность) соответствующих секреторных

клеток.

В основе гипофункции секреторных клеток могут лежать различные причины, в том числе и наследственного характера. Как правило, гипофункциональная патоло­гия обусловлена дефицитом секретируемых молекул (наследственные дефекты структуры ферментов синтеза гормонов и медиаторов) или аномалиями их структуры (наследственные нарушения структуры пептидных гормонов). Тем не менее, вполне возможны генетические дефекты белков, принимающих участие в секреции соответ­ствующих гормонов и медиаторов (рецепторы экзоцитоза, пассивный переносчик ионов Ca²⁺, белки слияния и т.н.).

В результате таких изменений возникает дефицит секретируемых молекул не в самой секреторной клетке, а во внутренней среде организма, что также вызывает нарушение протекания и регуляции жизненно важных для организма процессов. Таким образом, наследственные дефекты индуцируемого экзоцитоза могут быть одной из причин гипофункции секреторных клеток.

Примером гипофункциональной секреторной аномалии может служить несахарный диабет, обусловленный дефицитом антидиуре­тического гормона (АДГ). АДГ образуется в определенных нейронах гипофиза и накапливается в составе секреторных пузырьков, лока­лизующихся в окончаниях аксонов. При возникновении потенциала действия в этих нейронах происходит секреция АДГ. Под действием АДГ осуществляется реабсорбция воды из первичной мочи в клетки эпителия почечных канальцев. При нарушении секреции АДГ процесс реабсорбции подавляется, в результате чего образуется большее, чем в норме, количество вторичной мочи.

Следствием этого является повышение диуреза, проявляющегося в частом выделении больших количеств мочи - полиурии. В отличие от сахарного диабета, при несахарном диабете выделяемая больными моча не содержит избытка глюкозы и аминокислот, так как процес­сы их реабсорбции осуществляются другими механизмами. Секреция АДГ подавляется этанолом, поэтому после приема значительных доз алкоголя также происходит усиление диуреза.

Уменьшение степени секреции тиреоидных гормонов (тироксина, трийодтиронина) клетками щитовидной железы приводит к разви­тию гипотиреоза. Особенно опасны наследственные формы этой болезни, так как дефицит этих гормонов в раннем детском возрасте вызывает кретинизм - сильную задержку физического и умственно­го развития.

Это обусловлено тем, что тиреоидные гормоны усиливают про­цессы синтеза РНК (транскрипцию) и белка (трансляцию), увеличи­вая интенсивность основного обмена веществ. Характерным симптомом врожденного гипотиреоза является маленький рост больных, поскольку тиреоидные гормоны стимулируют действие гормона роста на процесс удлинения костей.

Гинофункциональные состояния секреторных клеток, как правило, излечивают­ся путем введения в организм соответствующих «дефицитных» молекул. В частности, при полиурии (усиленном диурезе), обусловленной дефицитом АДГ, больному вводят его аналоги (десмопрессин или липрессин). Введение самого АДГ в фармакологиче­ских дозах вызывает сокращение всей гладкой мускулатуры организма и приводит к повышению артериального давления, кишечным коликам, а иногда - к летальному исходу вследствие спазма коронарных (сердечных) артерий.

Для лечения гипотиреоза применяют введение тиреоидных гормонов, причем при наследственных формах данной болезни необходимо применять гормонотерапию как можно раньше, желательно сразу после рождения больного ребенка. В противном случае уже в раннем возрасте у больных гипотиреозом происходят необратимые изменения нейронов головного мозга, что может привести к полной идиотии (самой тяжелой форме умственной отсталости).

Гиперфункция секреторных клеток также может иметь наслед­ственные причины. Тем не менее, частой причиной аномалий подоб­ного типа является возникновение опухолей - при раковом перерождении секреторной клетки процесс индуцируемой секреции может стать нерегулируемым, конститутивным.

С другой стороны, перерождение клетки, не связанной с секреци­ей данных молекул, может приводить к возникновению у нее способ­ности к синтезу и секреции не свойственных ей веществ. В обоих случаях возникает избыток определенных молекул, что проявляется как гиперфункция соответствующих секреторных клеток.

В частности, клетки диссеминированного (рассеянного) рака лег­ких, могут синтезировать и секретировать АДГ. В результате этого происходит усиление реабсорбции воды в почечных канальцах с симптомами олигурии (пониженный диурез). Избыток воды в организме вызывает неблагоприятные осмотические явления во внут­ренней среде, поэтому больным необходимо ограничивать потребле­ние воды, а в острых случаях - вводить гипертонический раствор хлорида натрия. Естественно, при избытке АДГ возможны его небла­гоприятные эффекты, обусловленные сокращением гладкой муску­латуры организма. Секреция АДГ может стимулироваться и различными химическими веществами, например, никотином.

Гиперфункция секреторных клеток щитовидной железы вызыва­ет патологическое состояние гипертиреоз, причиной которого явля­ется избыток тиреоидных гормонов. Одной из причин гипертиреоза, или тиреотоксикоза, являются опухоли щитовидной железы, на­пример, фолликулярный рак щитовидной железы, нередко прояв­ляющиеся в виде зоба, или струмы. Патологическая гиперсекреция тиреоидных гормонов приводит к резкому усилению основного об­мена, при котором существенно увеличивается скорость расщепле­ния белков и жиров.

Это является следствием действия данных гормонов на мито­хондрии, в которых они подавляют процесс синтеза АТФ. Симптомы гипертиреоза (тиреотоксикоза) - повышенная возбудимость, булимия (усиленное чувство голода), худощавость, постоянная (хотя и невы­сокая) гипертермия (повышенная температура).

Тактики лечения тиреотоксикоза может быть различной в зависимости от при­чин и характера течения болезни. В частности, известны препараты, подавляющие синтез тиреоидных гормонов (полил калия, производные тиомочевины - тиоамиды) или разрушающие секреторные клетки (радиоактивный йод). Однако, при использо­вании препаратов, подавляющих синтез этих гормонов, происходит стимуляция образования гормона гиреотропина, избыток которого повышает риск развития зоба.

В случае гипертиреоза опухолевого происхождения к положительным результа­там могут приводить лучевая терапия (облучение опухоли) или хирургическое лече­ние (удаление опухоли). Наиболее опасны в этом отношении опухоли, которые образуют метастазы (вторичные опухоли, локализованные за пределами щитовидной железы). Именно такой опухолью является фолликулярный рак щитовидной железы, или метастазирующая аденома, дающая метастазы в кости, печень, легкие и другие органы.

Кроме рассмотренных вариантов экзоцитоза, которые называют ти­пичным экзоцитозом, существуют специфические, менее универсальные, обозначаемые как атипичный экзоцитоз, или обратный пиноцитоз. В этом случае экзоцитозный пузырек формируется не за счет эндомембран, а участком плазмалеммы. В результате секретируемое вещество выводится в мембранной упаковке - экзоцитозный пузырек с транспорти­руемыми молекулами оказывается за пределами клетки.

Таким способом осуществляется секреция молока клетками молочных желез млекопитающих, включая человека. Путем атипичного экзоцитоза некоторые клетки иммунной системы, в частности, иейтрофилы, могут выводить во внеклеточную среду собственные лизосомы. Доказано, что в этом случае процесс является Са^2+-зависимым и АТФ-зависимым, т.е. в нем, очевидно, необходимо участие АМС.

Формирование тромбоцитов также можно рассматривать как вариант атипичного эк­зоцитоза. В этом случае специализированная клетка мегакариоцит образует отростки, кон­цы которых периодически отпочковываются и становятся безъядерными форменными элементами крови тромбоцитами, содержащими определенные биолоически активные вещества.

Атипичный экзоцитоз, или почкование, используют некоторые вирусы в качестве механизма выхода из зараженной ими клетки. Оп­ределенные вирусные белки, синтезированные в клетке, встраива­ются в участок плазмалеммы, к которому подходит вирусная частица и индуцирует почкование. В результате вирусы, размно­жившиеся в клетке, оказываются за ее пределами упакованными участком ПА клетки.

И хотя в мембранной оболочке вирусов располагаются вирусные белки, она, по своему происхождению, является клеточной. Такой способ выхода из клетки позволяет вирусам завершать свой внутри­клеточный жизненный цикл без ее разрушения и используется, на­пример, вирусом СПИД (ВИЧ).

Трансцитоз, или диацитоз, - это специализированный вид транспор­та в мембранной упаковке, характерный только для некоторых эпители­альных клеток. При трансцитозе происходит перенос отдельных макромолекул через клетку. Первый этап трансцитоза представляет собой микропиноцитоз, результатом которого является формирование транс­портного пузырька (микропиносомы), содержащего соответствующие макромолекулы, связанные своими рецепторами.

На втором этапе трансцитоза происходит движение транспортного пузырька к противоположной части клетки, где мембрана пузырька сли­вается с плазмалеммой и встраивается в нее. В результате транспортируе­мая макромолекула оказывается в гликокаликсе другой стороны клетки и либо диссоциирует от рецептора, либо отщепляется специальной протеазой вместе с наружным доменом рецепторам.

Биологический смысл трансцитоза заключается в возможности транс­порта специфичных макромолекул через эпителиальные барьеры, в кото­рых клетки образуют контакты, не позволяющие макромолекулам прохо­дить между клетками.

С помощью трансцитоза синтезированные в организме антитела (иммуноглобулины А) переносятся через эндотелий капилляров и эпителий слизистых оболочек. Благодаря этому, антитела не только циркулируют в крови, но и находятся на поверхности слизистых оболочек ротовой полости, дыхательных путей, кишечника, мочепо­ловых путей и т.п. Здесь они образуют один из элементов барьерного иммунитета против вирусов, бактерий, паразитических простейших и червей.

Путем трансцитоза такие антитела попадают и в молоко млеко­питающих, включая человека. В кишечнике новорожденного ребен­ка, питающегося молоком матери, антитела не разрушаются, а трансцитируются через клетки эпителия кишечника и капилляров.

Оказавшись в крови новорожденного, эти антитела обеспечива­ют пассивный гуморальный иммунитет, что очень важно из-за пока слабого функционирования собственной иммунной системы ребенка. Именно поэтому при кормлении новорожденных искусственными смесями, а не материнским молоком, у детей повышается риск ин­фекционных заболеваний и аллергических реакций.

Рецепторно-сигнальная функция ПА обеспечивает адекватные ре­акции клетки на изменения факторов существования - факторов внешней и внутренней среды организма. Благодаря этому клетка обладает важней­шим свойством - способностью к саморегуляции. Эта способность имеет фундаментальное значение для жизнедеятельности клеток и организма и, значит, огромное медицинское значение.

Рецепторно-сигнальная функция осуществляется с помощью специ­альных белков или гликопротеинов, получивших название рецепторов. Рецепторы ПА клетки являются или интегральными компонентами плазмалеммы с гликокаликсом (мембранные рецепторы), или находятся в периферической гиалонлазме (цитоплазматические рецепторы). Функции рецепторов включают в себя распознавание, преобразование и передачу определенных сигналов, т.е. они ответственны за самые ранние, пусковые этапы адекватного реагирования клетки на стимулы.

Структура рецепторов может быть разнообразной, однако любой рецептор имеет функционально специфический рецепторный домен, с по­мощью которого происходит распознавание сигнала. Строение рецепторного домена таково, что он реагирует только на определенные сигналы. В качестве сигнала могут выступать химические молекулы, взаимодейст­вующие с рецепторным доменом хеморецепторов, кванты света - фото­ рецепторов, температура терморецепторов, давление барорецепторов и т.д. Благодаря этому, рецепторы характеризуются очень высокой специфичностью.

Реакция рецепторного домена на сигнал приводит к изменению конформации не только этого домена, но и всей рецепторной молекулы, т.е. полученный сигнал преобразуется путем изменения конформации рецеп­тора. Это приводит к изменению функциональной активности определен­ных доменов самого рецептора или контактирующих с ним белков. В результате трансформированный сигнал передается из внеклеточной сре­ды во внутриклеточную.

Мембранные рецепторы имеют, кроме наружного рецепторного до­мена, трансмембранный домен и цитоплазматический домен. Трансмембранный домен, представленный одним или несколькими альфа-спиральными участками, фиксирует рецептор в БЛС плазмалеммы. Он участвует в передаче сигнала на цитоплазматический домен путем изме­нения своей конформации, вызванного активацией рецепторного домена. Внутриклеточный цитоплазматический домен также принимает участие в передаче сигнала, изменяя свою конформацию вслед за трансмембранным

доменом. Однако, его главная функция реализация сигнала на других клеточных молекулах. С этой точки зрения, цитоплазматический домен является эффекторным доменом.

Цитоплазматические рецепторы также имеют рецепторный и эффекторный домены. Однако вместо трансмембранного домена в них пред­ставлен ДНК-связывающий домен. С помощью этого домена цитоплазматические рецепторы фиксируются в ядре, взаимодействуя с определенными участками ДНК хромосом. В данном случае эффекторный домен реализует сигнал на определенных белках, регулирующих работу генов (процесс транскрипции). Все эти события вызываются последова­тельными конформационными изменениями рецепторного, ДНК-связывающего и эффекторного доменов после взаимодействия рецептор­ного домена с сигнальной молекулой. Цитоплазматические рецепторы функционируют, как правило, в виде димерных молекул.

В целом, рецепторы могут участвовать в выполнении нескольких функций. Причальная функция осуществляется мембранными рецептора­ми, имеющими рецепторный и трансмембранный домены. Такие причаль­ные рецепторы, или причальные белки, взаимодействуют с определенными немембранными макромолекулами своим рецепторным доменом и фиксируют их в том участке плазмалеммы (мембраны), где располагаются сами. Благодаря этому возможно специфическое распре­деление определенных макромолекул в конкретных участках мембраны - структурно-функциональная дифференцировка ПА клетки.

Например, таким способом фиксируются пищеварительные ферменты, секретируемые поджелудочной железой, в составе гликокаликса эпителиальных клеток тонкой кишки, где с их помощью происходит пристеночное пищеварение.

Адгезивная, или контактная, функция рецепторов также осуществля­ется мембранными рецепторами, которые имеют хорошо выраженный цитоплазматический домен. Благодаря этой функции возможен контакт ПА разных клеток или ПА клетки с внеклеточным матриксом. Такие ре­цепторы входят в группу клеточных адгезивных молекул. Наличие цитоплазматического домена у адгезивных рецепторов позволяет им взаимодействовать с определенными белками. В результате этого проис­ходит или усиление адгезии (контакта), или индукция конкретного кле­точного ответа, например, преобразования структуры COCA в месте контакта.

Канальная, или транспортная, функция рецепторов реализуется мембранными рецепторами, входящими в состав переносчиков, которые в такой ситуации представляют собой хеморегулируемые, (хемочувствительные, хемозависимые) каналы. Взаимодействуя с сигнальной молеку­лой, такой рецептор изменяет свою конформацию, в результате чего канал переносчика открывается и через него происходит транспорт определен­ных молекул.

Пример канальных рецепторов - альфа-субъединицы холинрецептивного Na⁺/K⁺-канала. Их взаимодействие с ацетилхолином в синап гической щели приводит к открытию ионного канала и возникновению потенциала действия (возбуждения) в постсинап гической клетке за счет потока ионов Na.

Каталитичекая функция может осуществляться как мембранными, так и цитоплазматическими рецепторами. И те, и другие имеют эффекторный домен с функциями фермента протеинкиназы. У мембранных рецепторов эту функцию выполняет цитоплазматический домен. Такие каталитические рецепторы называют протеинкиназными рецепторами, или рецепторными протеинкиназами. Действие протеинкиназных рецеп­торов заключается в фосфорилировании определенных белков, имеющих специфические сайты фосфорилирования. Благодаря своим каталитиче­ским свойствам, такие рецепторы не только передают сигнал, но и усили­вают его.

Кроме протеинкиназных рецепторов существуют мембранные протеинфосфатазные рецепторы, или рецепторные протеинфосфатазы. Их функция заключается в дефосфорилировании белков, и в этом отношении они являются антагонистами протеинкиназ, создавая определенный регуляторный баланс.

Еще один пример мембранных каталитических рецепторов - это гуанилатциклазные рецепторы. При их активации происходит увеличение внутриклеточной концентрации циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ) за счет его образования из гуанозинтрифосфата (ГТФ). цГМФ, в свою очередь, активирует функции определенных внутриклеточных бел­ков.

Мембранные каталитические рецепторы реагируют на внеклеточную сигнальную молекулу рецепторным доменом и изменяют свою конформацию. Изменение конформации затрагивает и цитоплазматиче­ский каталитический домен, в результате чего активируется его протеинкиназная функция. Рецепторная протеинкиназа приобретает способность катализировать реакцию фосфорилирования определенных мембранных и примембранных белков (протеинов). Конкретно, происхо­дит перенос фосфатной группы АТФ на сайт фосфорилирования протеи­на, который становится фосфопротеином (фосфорилированным белком).

Результатом фосфорилирования является изменение конформации протеина и, соответственно, его биологической функции. Фосфорилиро-вание белка может приводить как к его активации (если белок был неак­тивным), так и его инактивации (если белок до фосфорилирования был активным). Так или иначе, активация рецепторных протеинкиназ вызыва­ет изменение функций определенных белков, т.е. индуцирует адекватную стимулу ответную клеточную реакцию.

Клеточный ответ, опосредованный каталитическими рецепторами, может регулиро­ваться со стороны клегки. Некоторые протеинкиназные рецепторы после активации спо­собны фосфорилировать не только другие белки, но и свой цитоплазматический домен, т.е. автофосфорилируются Следствием этого, как правило, является усиление протеинкиназной активности рецептора

Снижение активности каталитических рецепторов может быть вызвано действием спе­циальных клеточных протеинкиназ, которые катализируют фосфорилирование цитоплазматического домена в местах, не совпадающих с сайтами автофосфорилирования. В результате этого рецепторная протеинкиназа претерпевает еще одно изменение конформа­ции, приводящее к ее инактивации. Прекращение опосредованных рецепторами реакций может также осуществляться путем эндоцитоза сигнальных молекул с рецепторами и их разрушения лизосомами.

В клетке кроме протеинкиназ имеются ферменты протеинфосфатазы, катализирующие дефосфорилирование фосфопротеинов. Результатом действия протеинфосфатаз является «превращение» фосфопротеинов в исходные нефосфорилированные протеины и возвращение исходного функционального состояния клеточного белка. Таким образом, индуцированный протеинкиназами клеточный ответ может быть подавлен (прекращен) с помощью соответствующих протеинфосфотаз.

Протеинкиназные рецепторы используются клеткой для запуска бы­стрых реакций на стимул по принципу «все или ничего». Примерами это­го являются рецепторы к пептидному гормону инсулину и факторам роста. Факторы роста являются пептидными сигнальными молекулами, индуцирующими деление клеток, которое не требует ингибирования на первых этапах. Рецепторы инсулина, в частности, необходимы для регу­ляции концентрации глюкозы в крови с помощью пассивных переносчи­ков GluT4, локализованных в жировых и мышечных клетках.

Предшественник рецептора инсулина человека представляет собой полипептид, со­держащий 1382 аминокислотных остатка, среди которых имеются остатки цистеина. В ходе формирования рецептора полипептид расщепляется на 2 субъединицы α и β, которые остаются соединенными дисульфидной связью. Кроме того, две α-субъединицы разных предшественников также взаимодействуют между собой с помощью дисульфидной связи.

В результате рецептор инсулина состоит из двух внеклеточных α-субъединиц, форми­рующих рецепторный домен, и двух трансмембранных β-субъединиц, образующих цито­плазматические протеинкиназные домены с сайтами автофосфорилирования Время полу-жизни рецепторов инсулина в ПА клеток составляет 7-12 час, поэтому в клетках осуществ­ляется постоянный синтез его предшественника.

При связывании инсулина с рецептором происходит автофосфорилирование рецепто­ра, после чего он приобретает способность фосфорилировать другие внутриклеточные белки. Важнейшим из них является IRS-1 (Insulin Receptor Substratum - субстрат инсулинового рецептора), который после своего фосфорилирования принимает участие в активации группы белков. В эту группу входит протеинфосфатаза 1C, которая дефосфорилирует инсулиновый рецептор и тем самым инактивирует его. Таким образом, механизм действия данного рецептора включает петлю отрицательной обратной связи обязательную инактива­цию рецепюра через некоторое время после его активации.

При нормальной концентрации глюкозы в плазме крови GluT4 не обнаруживаются в ПА этих клеток - они располагаются в мембране особой внутриклеточной цистерны, эндосомы. Повышение концентрации глюкозы стимулирует секреторную активность клеток поджелудочной железы β-клеток островков Лангерганса), которые экзоцитируют пеп­тидный гормон инсулин. Данный гормон взаимодействует с рецепторами, расположенными в плазмалемме жировых и мышечных клеток, и активи­рует их протеинкиназный цитоплазматический домен. Это приводит к фосфорилированию белков, действующих на эндосому с GluT4. В резуль­тате от эндосомы отпочковываются транспортные пузырьки, в мембране которых находятся молекулы переносчика. Транспортные пузырьки встраиваются в плазмалемму, GluT4 оказываются в составе ПА клеток и начинают вводить избыток глюкозы в жировые и мышечные клетки, где из этого моносахарида синтезируется гликоген (мышечные клетки) или жиры (жировые клетки).

После достижения нормальной концентрации глюкозы в крови уча­сток плазмалеммы, содержащий GluT4, эндоцитируется. Это происходит путем образования транспортного пузырька, в мембране которого нахо­дятся переносчики глюкозы. Отделившийся от ПА пузырек сливается с эндосомой, и молекулы GluT4 возвращаются в эту специализированную цитоплазматическую структуру.

Выведение переносчика глюкозы в ПА с помощью рецепторов инсулина предотвращает гипергликемию (повышенную концентра­цию глюкозы в крови), которое является причиной сахарного диабе­та. С другой стороны, возвращение GluT4 в эндосому после нормализации содержания глюкозы предотвращает и гипогликемию (дефицит глюкозы в крови), которая также приводит к серьезным нарушениям жизнедеятельности.

Существуют наследственные дефекты белков, регулирующих транспорт GluT4 в ПА жировых и мышечных клеток, и приводящих к развитию сахарного диабета. Одна группа таких дефектов обу­словливает дефицит инсулина в крови или аномалии его структуры. В этом случае развивается форма сахарного диабета, которая назы­вается инсулинзависимый сахарный диабет (ИЗСД).

Лечение ИЗСД проводят введением больным определенных доз гормона инсули­на. При этом следует иметь в виду, что инъекцию инсулина необходимо делать толь­ко на фоне гипсргликемии. В противном случае (нормогликемия) введение этого гормона может вызвать гипогликемию, что, например, и происходит при инъекции препарата натощак.

Еще одной причиной сахарного диабета могут быть наследствен­ные дефекты структуры рецепторов инсулина или их дефицит. В таком случае гипергликемия развивается вне зависимости от нали­чия инсулина в крови, поэтому данная форма сахарного диабета обо­значается как инсулиннезависимый сахарный диабет (ИНЗСД).

Примером наследственного дефекта рецептора инсулина являет­ся синдром Донохью, который характеризуется гротескными черта­ми лица и гипертрофией (увеличением размеров) наружныж половых органов. В этом случае сильная гипергликемия стимулирует избы­точную секрецию инсулина, сопровождающуюся гипертрофией ост­ровков Лангерганса поджелудочной железы, что приводит в конечном итоге к смерти больного ребенка уже на первом году жиз­ни.

Лечение ИНЗСД не должно проводиться путем инъекций инсулина, так как дан­ный гормон регулирует не только содержание глюкозы в крови. Благодаря этому, избыток инсулина (результат его инъекции) вызывает неблагоприятные для орга­низма последствии. В частности, при активации рецепторов инсулина, имеющихся постоянно в ПА большинства клеток млекопитающих, происходит изменение актив­ности многих ферментов, снижается интенсивность синтеза белков и подавляется синтез многих иРНК (работа многих генов).

Примером цитоплазматических протеинкиназных рецепторов явля­ются рецепторы стероидных, ретиноидных и тиреоидных гормонов.

Стероидные гормоны синтезируются и секретируются клетками надпочечников и по­ловых желез, а тиреоидные гормоны - клетками щитовидной железы. Предшественниками ретиноидных гормонов являются растительные пигменты каротины Рецепторы данных гормонов имеются в периферической гиалоплазме многих клеток млекопитающих и обла­дают сходным механизмом действия.

Гормон, проникая в периферическую гиалоплазму через плазмалемму, связывается рецепторным доменом и изменяет конформацию всей молекулы рецептора, включая ДНК-связывающий домен. Комплекс гор­мон-рецептор транспортируется в ядро, где взаимодействует с участками ДНК, регулирующими работу определенных генов. Связывание с ДНК активирует протеинкиназный домен рецептора, с помощью которого фосфорилируются белковые транскрипционные факторы, необходимые для синтеза иРНК.

Если фосфорилирование активирует транскрипционные факторы, синтез РНК индуцируется (ген включается). Синтезированная иРНК транспортируется из ядра в гиалоплазму, где взаимодействует с рибосо­мами и тРНК. В результате клетка начинает синтезировать белок, которо­го в ней не было. Этот белок выполняет определенные клеточные функции, на основе чего клетка адекватно реагирует на полученный сти­мул (гормон).

Если нефосфорилированный транскрипционный фактор исходно ак­тивен, действие протеинкиназного домена рецептора приводит к подавле­нию функций транскрипционного фактора. Следствием этого является выключение генов - прекращение синтеза соответствующих белков, вы­полняющих определенные клеточные функции. Таким образом, и в дан­ной ситуации клетка реагирует адекватно полученному сигналу (гормону).

Опосредованный цитоплазматическими рецепторами путь ответа яв­ляется относительно медленным, поэтому используется, главным обра­зом, при дифференцировке клеток в ходе индивидуального развития (онтогенеза) многоклеточных организмов или стабильных изменений физиологического состояния организма.

В частности, по такому механизму происходит формирование мужских половых орга­нов и признаков у млекопитающих, включая человека. У эмбрионов с набором половых хромосом XY развиваются мужские гонады (семенники), клетки которых синтезируют половой гормон тестостерон. Действие этого стероидного гормона опосредовано специаль­ным цитоплазматическим рецептором андрогенов (мужских половых гормонов). Активация данного рецептора приводит к включению группы генов, работа которых вызывает разви­тие остальных половых органов и признаков по мужскому типу.

Известен наследственный дефект рецептора андрогенов, который приводит к развитию синдрома тестикулярной феминизации (син­дрома Морриса). Эта болезнь характеризуется тем, что у людей с мужским набором половых хромосом (XY) формируются семенники, синтезируется тестостерон, но другие мужские половые признаки не развиваются. Наружные половые органы у больных с синдромом Морриса - женского типа, влагалище короткое и слепо замкнутое, яйцеводы и матка отсутствуют, в соответствующем возрасте разви­ваются молочные железы. Характерным внешним симптомом болезни является дефицит вторичного оволосения (рост волос на лобке и подмышками или не происходит, или очень скудный).

Трансдукторная функция рецепторов проявляется в том, что они пе­редают трансформированный сигнал, не усиливая его, так как их цитоплазматический домен не обладает каталитической активностью. Благодаря этому, трансдукторные рецепторы являются только одним из элементов целостных рецепторно-сигнальных систем (РСС), в которых также происходит усиление сигнала.

Наиболее простая РСС - двухкомпонентная, включающая мембран­ный рецептор и протеинкиназу, зафиксированную в билипидном слое остатками миристиновой и пальмитиновой кислот. В такой РСС цитоплазматический домен рецептора имеет центр взаимодействия с протеин-киназой. Сигнальная молекула, связываясь с рецепторным доменом мембранного рецептора, вызывает изменение конформации цитоплазматического домена, активируя центр его взаимодействия с неактивной протеинкиназой.

В результате связывания с цитоплазматическим доменом протеинкиназа изменяет свою конформацию и активируется - приобретает способ­ность фосфорилировать определенные клеточные белки. Таким образом, развитие клеточного ответа в РСС соответствует таковому для каталити­ческих рецепторов и базируется на процессе фосфорилирования. Однако, в этом случае рецептор не реализует, а предает сигнал на эффекторный элемент (протеинкиназу), который выполняет и функцию усиления сигна­ла.

С помощью таких РСС осуществляются быстрые ответные реакции клетки на соответ­ствующие стимулы. Тем не менее, преимущество РСС по сравнению с каталитическими рецепторами заключаются в больших возможностях регуляции се работы, которая может осуществляться и на этапе трансдукции, и на этапе реализации-усиления. Такую регуляцию, например, можно производить путем фосфорилирования как трансдукторного домена рецептора, так и протеинкиназы с помощью независимо функционирующих протеинкиназ.

Это создает определенный запас прочности и гибкости в работе РСС: если нарушен механизм фосфорилирования рецептора, данный дефект может быть компенсирован фосфорилированием эффекторной протеинкиназы. С другой стороны, фосфорилирование обоих компонентов РСС может давать более сильный эффект, чем аналогичное изменение каждо­го компонента в отдельности. Такая ситуация позволяет роулировать не просто передачу сигнала, но и его силу (интенсивность), т.е. расширяет возможности регуляции работы РСС.

Наиболее сложными и универсальными РСС являются системы, по­лучившие название систем вторичных посредников. Особенность функ­ционирования таких РСС заключается в том, что один из элементов РСС катализирует образование внутриклеточных сигнальных молекул - вто­ричных посредников (ВП). Образовавшиеся ВП взаимодействуют с опре­деленными белками, изменяя их конформацию и активность. В результате этого развивается адекватный стимулу клеточный ответ, нередко связан­ный с активацией протеинкиназ. Образование ВП катализирется соответ­ствующими ферментами (не протеинкиназами), которые являются обязательными элементами РСС подобного типа, выполняющими функ­цию усиления исходного сигнала.

Еще одна особенность РСС с ВП заключается в том, что, кроме рецептора-трансдуктора и фермента-усилителя, они включают еще один элемент - гуанилат-связывающие белки (ГСБ), или G-белки. ГСБ в данной системе представляют собой звено, интегрирующее рецептор с фермен­том ВП и регулирующее активность этого фермента. Таким образом, РСС с ВП является трехкомпонентной - сигнал воспринимается рецептором, передается на ГСБ, а с него - на фермент, катализирующий образование ВП.

Известно более 300 разных видов рецепторов, функции которых опосредуются ГСБ. Все они имеют сходные особенности строения: наружный специфичный к сигналу рецепторный домен, трансмембранный домен, включающий 7 альфа-спиральных участков, и внут­ренний трансдукторный домен, структура которого различна у рецепторов разных видов. Функцией трансдукторного домена является взаимодействие с определенным ГСБ.

ГСБ (G-белки) представляют собой гетеротримерные периферические белки, зафиксированные в БЛС остатками жирных кислот. С биохимиче­ской точки зрения, ГСБ - ацилпротеины, белковая часть которых приле­гает к внутриклеточной стороне плазмалеммы. В состав ГСБ входят α-субъединица (Сα) и βγ-субъединица (Сβγ), включающая 2 разных поли­пептида (β и γ ). Сα, состоящая из единственного полипептида, фиксиру­ется в БЛС остатком меристиновой кислоты, а Сβγ - остатком пальмитиновой кислоты, принадлежащем β-полипептиду.

Сα обладает функциями ГТФазы, т.е. способна присоединять ГТФ и гидролизовать его до ГДФ и Фн (неорганического фосфата). Один из продуктов гидролиза, ГДФ, остается связанным с Сα, но при определен­ных условиях может быть "обменен" на ГТФ. Таким образом, Сα всегда связана с ГТФ или ГДФ, благодаря чему весь белок и получил название ГСБ. Замена ГДФ на ГТФ и гидролиз ГТФ в Сα приводят к изменениям конформации ГСБ, на которых основаны его функции. В частности, это служит механизмом цикла диссоциации-ассоциации ГСБ.

Замена ГДФ на ГТФ вызывает изменение конформации ГСБ и, как ре­зультат, диссоциацию ГСБ на субъединицы Сα и Сβγ. Состояние диссо­циации сохраняется до тех пор, пока Сα не осуществит свою ГТФазную функцию. После гидролиза ГТФ она остается связанной с ГДФ и вновь приобретает способность ассоциировать с Сβγ, т.е. формировать ГСБ.

Процесс замены ГДФ на ГТФ регулируется гуанилат-обменивающими белками (ГОБ), или GEP (от англ. G-exchange protein). Одни из них способны стимулировать замену нуклеотидов- ГОБс (GEPs), другие - ингибировать этот процесс - ГОБи (GEPi).

Сα не может самостоятельно гидролизовать ГТФ - для этого требуются регуляторные ГТФаза-активирующие белки (ГАБ, или GAP от GTPase-activating protein). Функциониро­вание ГТБ, в свою очередь, регулируется специальными клеточными механизмами. В част­ости, их функция подавляется инозитолдифосфагом, фосфатидной кислотой и рахидоновой кислотой, которые образуются в клетках после некоторых стимулов. Вторая субъединица ГСБ, Сβγ, не является гуанилат-связывающей, и механизм ее функционирова­ния не связан напрямую с гидролизом ГТФ.

Обнаружено более 20 разных вариантов ГСБ, каждый из которых сопряжен с опреде­ленными рецепторами, т.е. представляет собой элемент конкретной РСС. При этом число видов Сα превосходит таковое Сβγ, что означает возможность взаимной регуляции работы различных РСС В частности, диссоциированные Сα ГСБ одного варианта могут ассоции­ровать с Сβγ другого вида ГСБ, поэтому активация одной РСС способствует снижению активности других РСС.

Несмотря на структурное разнообразие РСС и ГСБ, все они функцио­нирует по универсальной схеме. При отсутствии сигнала все эле­менты РСС (рецептор, ГСБ и фермент) являются неактивными, причем Сα в ГСБ связана с ГДФ. Действие сигнала (сигнальной молекулы, на­пример, гормона или медиатора) на рецептор изменяет конформацию его трансдукторного домена (Рец -> Рец*). В результате этого происходит взаимодействие трансдукторного домена рецептора с ГСБ, связанного с ГДФ (Рец* + ГСБ -> Рец*-ГСБ).

Связь активированного рецептора (Рец*) с ГСБ стимулирует замену ГДФ на ГТФ в Сα с соответствующим изменением конформации ГСБ (Рец*-ГСБ + ГТФ -> Рец*-ГСБ* + ГДФ). Изменение конформации ГСБ (ГСБ -> ГСБ*) приводит к диссоциации всех компонентов комплекса (Рец*-ГСБ* -> Рец + Сα* + Сβγ), причем рецептор возвращается на ис­ходную позицию своего цикла функционирования (Рец* -> Рец). Таким образом, трансдукторный домен рецептора, фактически, играет роль ГОБс - белка, стимулирующего обмен ГДФ на ГТФ в ГСБ.

Диссоциировавшие субъединицы ГСБ принимают участие в новых типах взаимодействий. Сα* (в комплексе с ГТФ), как правило, ассоцииру­ет с конкретным ферментом (Фер), изменяя его конформацию (Сα* + Фер -> Сα*-Фер*). Изменение конформации фермента активирует его катали­тическую функцию, вследствие чего происходит образование большого числа молекул ВП из молекул-предшественников (МП + Сα-Фер* -> Сα-Фер* + ВП).

Синтез ВП идет до тех пор, пока сохраняется комплекс Сα*-Фер*. Че­рез некоторое время Сα*, связанная с ферментом, взаимодействует с ГАБ (белком, активирующим ГТФазную активность), в результате чего проис­ходит гидролиз ГТФ и диссоциация образовавшегося комплекса с потерей активности всех трех элементов (ГАБ + Сα*-Фер* -> ГАБ*- Сα*-Фер* -> ГАБ + Сα +Фер + Фн). Таким образом, продолжительность синтеза ВП определяется временем существования комплекса Са*-Фер*, которое заканчивается при контакте его с ГАБ.

Освободившаяся Сα (уже в комплексе с ГДФ) взаимодействует с Сру, восстанавливая исходную структуру ГСБ (Сα + Сβγ -> ГСБ). Этим завершается цикл активности ГСБ, который вновь приобретает способность связываться с трансдукторным доменом рецептора, т.е. вступать в новый цикл своей активности.

Сру некоторых ГСБ в диссоциированном состоянии могут взаимодействовать с опре­деленными мембранными переносчиками ионов (Пер), изменяя их конформацию (Сβγ + Пер -> Сβγ-Пер*) Следствием этого является изменение (усиление или ослабление) функциональной активности переносчика. Комплекс Сβγ-Пер* существует до тех пор, пока не появятся свободные Сα, выполнившие свою АТФазную функцию. Очевидно, Сβγ обладают большим сродством к Сα, чем к переносчикам, что приводит к диссоциации одного ком­плекса и образованию другого (Сβγ-Пер* + Сα -> ГСБ + Пер) с восстановлением исходной функциональной активности переносчика.

Таким образом, в основе клеточного ответа на сигнал в данных РСС могут лежать 2 процесса синтез ВП (действие Сα*) и изменение концентрации ионов в гиалоилазме (дей­ствие Сβγ). Оба этих процесса, в свою очередь, вызывают каскады определенных внутри­клеточных реакций, формирующих конечный клеточный ответ на соответствующий стимул.

В настоящее время известно несколько РСС с ГСБ. Они формируют в клетке тонко сбалансированную суперсистему, в которой активность одной РСС влияет на активность других РСС. По функции ферментов, активируемых ГСБ, можно выделить 3 категории РСС: нуклеотидциклазные, фосфодиэстеразные и фосфолипазные.

Нуклеотидциклазные РСС представлены двумя конкретными сис­темами: аденилатциклазной РСС и гуанилатциклазной РСС. В обеих системах функционируют ферменты, катализирующие реакцию превра­щения нуклеозидтрифосфата в циклическую форму соответствующего нуклеозидмонофосфата (НТФ -> цНМФ + 2Фн).

Ключевым мембранным ферментом аденилатциклазной РСС является аденилатциклаза (АЦ), с помощью которой молекула АТФ превращается в циклическую форму АМФ - цАМФ. Таким образом, ВП адени­латциклазной РСС представляет собой цАМФ. Активность этой РСС мо­жет индуцироваться рецепторами с разными рецепторными доменами, передающими сигнал на определенный ГСБ_С (ГСБ, стимулирующий АЦ). ГСБс активирует АЦ, в результате чего резко повышается внутриклеточ­ная концентрация цАМФ.

Главной мишенью цАМФ являются ферменты протеинкиназы А (ПКА), которые активируются при взаимодействии молекул цАМФ с соответствующими центрами связывания в регуляторных субъединицах ПКА. Активированные ПКА обеспечивают фосфорилирование опреде­ленного спектра белков по остаткам серина и треонина, изменяя конфор­мацию и функции этих белков - формируя адекватный сигналу клеточный ответ.

В частности, ПКЛ способны фосфорилировать пассивные переносчики ионов Са в клеточных мембранных, т.е. участвовать в регуляции концентрации этого важного для клетки катиона. Некоторые виды активированных ПКА способны транспортироваться в ядро, где они фосфорилируют определенные транскрипционные факторы, участвующие в регуляции работы генов Транскрипционные факторы могут активироваться не только путем фосфорилирования ПКА, но и прямым взаимодействием с молекулами цАМФ.

С помощью аденилатциклазной РСС не только изменяется активность уже существующих белков, но может усиливаться их синтез и даже про­исходить синтез новых белков. В последнем случае аденилатциклазная РСС сходна по своим конечным результатам с действием цитоплазматических рецепторов стероидных и тиреоидных гормонов. Примером такого Функционирования аденилатциклазной РСС является усиление синтеза молекул пассивных переносчиков ионов Са²⁺ в мембране эндоплазматической сети.

В аденилатциклазной РСС функционируют ГСБи, ингибирующие дей­ствие АЦ. Они активируются собственными рецепторами и вызывают прекращение синтеза цАМФ, индуцированного ГСБ_С. Таким образом, ГСБи являются антагонистами ГСБ_С и создают один из элементов регу­ляции клеточных реакций, опосредованных цАМФ и ПКА.

Работа аденилатциклазной РСС регулируется на этапе взаимодействия рецепторов с ГСБ. Эту функцию выполняет белок арестин (фосдуцин), который способен связываться с трансдукторным доменом рецепторов и блокировать его ассоциацию с ГСБс, но не ГСБи. Фосдуцин может фосфорилироваться с помощью ПКА и терять свою функцию арестина, создавая петлю усиления аденилатциклазной РСС.

Еще одним элементом peгуляции действия аденилатциклазной РСС является фермент фосфодиэстераза (ФДЭ). С помощью этого фермента осуществляется реакция, в результате которой цАМФ превращается в нециклическую форму АМФ. Изменяя активность ФДЭ, клетка может регулировать концентрацию цАМФ в гиалоплазме и усиливать (подавление ФДЭ) или ослаблять (активация ФДЭ) клеточные ответы, обусловленные акгивностью АЦ.

Ключевым ферментом гуанилатциклазной РСС является мембранная гуанилатциклаза (ГЦ), которая катализирует превращение ГТФ в цикли­ческий ГМФ (цГМФ). Соответственно, ВП данной РСС - цГМФ.

Как и в аденилатциклазной РСС, активация рецепторов гуанилатцик­лазной РСС приводит к индукции активности определенных ГСБ (замену ГДФ на ГТФ). Соответствующие ГСБ стимулируют функционирование мембранной формы ГЦ, в результате чего в клетке начинает синтезиро­ваться цГМФ. Основная мишень данного ВП - цитоплазматический фер­мент протеинкиназа G (ПКG). ПKG обеспечивает фосфорилирование определенных клеточных белков, которое изменяет их конформацию и активность. Следствием этого является адекватный стимулу ответ клетки.

В частности, с помощью ПKG подавляется работа пассивных переносчиков Na⁺ и Са²⁺, но стимулируется AT ионов К⁺ в клетку. Одним из фосфорилируемых ПКО белком является мембранная АЦ, которая теряет свою активность после фосфорилирования. Таким образом, гуанилатциклазная РСС, кроме прочего, представляет собой антагониста аденилатциклаз­ной РСС, поскольку активация гуанилатциклазной РСС подавляет аденилатциклазную РСС на этапе синтеза ее ВП, цАМФ. С другой стороны, работа гуанилатциклазной РСС, как и аденилатциклазной, может регулироваться с помощью ФДЭ, обеспечивающей снижение концентрации циклических нуклеозидмонофосфатов.

Фосфодиэстеразные РСС содержат в качестве ключевого фермента мембранные фосфодиэстеразы (ФДЭ), которые катализируют реакции превращения цАМФ и цГМФ в их нециклические формы (АМФ и ГМФ) путем гидролиза циклической фосфодиэфирной связи. Фосфодиэстераз­ные РСС активируются определенными рецепторами, взаимодействую­щими с соответствующими ГСБ, которые стимулируют функцию ФДЭ.

В результате активации ФДЭ падает концентрация цАМФ и/или цГМФ в гиалоплазме. С этой точки зрения, фосфодиэстеразные РСС яв­ляются антагонистами нуклеотидциклазных РСС, снижающими концен­трацию их ВП. Благодаря этому, с помощью фосфодиэстеразных РСС клетка может регулировать работу нуклеотидциклазных РСС.

Активность ФДЭ подавляется кофеином, что проявляется повы­шением концентрации цАМФ в определенных нейронах, вызываю­щей известные возбуждающие эффекты кофеина.

В специализированных клетках фосфодиэстеразные РСС могут играть самостоятель­ную роль. В светочувствительных клетках сетчатки глаза (палочках) молекулы цГМФ постоянно стимулируют работу пассивных переносчиков Na в плазмалемме, в результате чего она слабо поляризована.

Под действием квантов света специфический рецептор родопсин активирует ГСБ трансдуции, который стимулирует действие мембранной ФДЭ. Активация ФДЭ приводит к резкому снижению концентрации цГМФ, превращающегося в физиологически неактивный ГМФ, и закрыванию канатов для Na. В результате этого формируется мощный градиент ионов Na, мембрана гиперполяризуется и возникает потенциал действия в фоторецепторной клетке (орган зрения реагирует на световой стимул).

Фосфолипазные РСС имеют в своем составе ключевые ферменты фосфолипазы, катализирующие реакции гидролиза мембранных фосфолипидов. Известны 3 вида фосфолипазных РСС: фосфатидилинозитоловая, фосфатидилхолиновая и сфингомиелиновая.

В фосфатидилинозитоловой РСС функционирует мембранная форма фосфолипазы С (ФЛС), ФЛСγ, субстратом которой является мембранный липид фосфатидилинозитолдифосфат (ФИФ₂). ФЛС обеспечивает гид­ролиз ФИФ₂ с образованием инозитолтрифосфата(ИФ₃) и диацилглицерола (ДАГ), которые оба являются ВП данной РСС.

Фосфатидилинозитоловая РСС активируется соответствующими ре­цепторами, трансдукторные домены которых взаимодействуют с опреде­ленным ГСБ. Активированный ГСБ стимулирует работу мембранной ФЛС, в результате чего из ФИФ₂ образуются ДАГ, остающийся в БЛС, и ИФ₃, мигрирующий в гиалоплазму.

В гиалоплазме ИФ₃ взаимодействует с пассивными переносчиками Са²⁺ в мембране эндоплазматической сети. Он активирует их (открыва­ет), в результате чего повышается концентрация этого иона в гиалоплаз­ме. Таким образом, ионы Са²⁺ являются третичным посредником данной РСС, участвующим в активации специальных белков. Са⁺² в гиалоплазме взаимодействует с кальмодулином (КМ), изменяя его конформацию. Ком­плекс Са²⁺-КМ, в свою очередь, контактирует с другими белками, влияя на их конформацию и функциональную активность.

Одним из таких белков является Са²⁺-кальмодулинзависимая проте­инкиназа (КМЗПК), которая в комплексе с Са²⁺-КМ приобретает способ­ность катализировать фосфорилирование определенных клеточных белков, изменяя их функции.

Так, данная протеинкиназа путем фосфорилирования инактивируст Са²⁺-каналы эндоплазматической сети. В результате этого активированные с помощью ИФЗ переносчики Са через некоторое время обязательно инактивируются, предотвращая создание избыточ­ной концентрации Са²⁺ в гиалоплазме. Таким образом, в данной ситуации сформирована система регуляции по принципу отрицательной обратной связи.

Кроме Ca²⁺-каналов КМЗПК фосфорилирует (активирует) антипоргер, ионообменник Na⁺/H⁺, локализованный в плазмалемме, и целый ряд цитоплазматических белков, напри­мер, некоторые транслокаторы ТТС. Фосфорилирование с помощью данной протеинкиназы может вызывать и подавление функций некоторых белков. Это касается одного из факторов трансляции (ЭФ-2), фосфорилирование которого приводит к приостановке процесса синтеза полипептидов.

Ионы Са²⁺ в гиалоплазме связываются цитоплазматической формой фермента протеинкиназы С (ПКС), которая после этого встраивается в плазмалемму, образуя в ней комплекс с фосфатидилсерином, т.е. пре­вращаясь в липопротеид. Неактивная мембранная ПКС взаимодействует с другим ВП фосфатидилинозитоловой РСС - ДАГ, который находится в БЛС плазмалеммы. Результат этого взаимодействия - активация ПКС, с помощью которой фосфорилируются определенные белки плазмалеммы.

В частности, активация ПКС приводит к подавлению функций Са-каналов в плазмалемме, цитоплазматических доменов ряда рецепторов, некоторых ГСБ. С другой стороны, ПКС, как и КМЗПК, стимулирует ионообменник Na⁺/H⁺ плазмалеммы. ПКС способна фосфорилировать определенные белки СФ, способствуя перестройке цитоскелета. Это необходимо при активном движении клеток, например, макрофагов.

В фосфатидилинозитоловой РСС, как и аденилатциклазной, обнаружены не только ГСБс (стимулирующие ФЛС), но и ГСБи (ингибирующие активность ФЛС), т.е. эта система включает антагонистический механизм регуляции. Фосфатидилинозитоловая РСС имеет петлю усиления своей функции. Она обеспечивается ферментом диацилглицероллипазой, которая катализирует гидролиз ДАГ с образованием жирных кислот, в том числе - арахидоновой кислоты. В данной ситуации арахидоновая кислота функционирует как активатор ПКС, т.е. третичный посредник, усиливающий действие вторичного (ДАГ), из которого он и образуется.

Аналогами ДАГ являются форболовые эфиры, которые не могут расщепляться в организме. Если они попадают в организм, то стано­вятся долгодействующим активатором ПКС, которая стимулирует размножение клеток и, как следствие, возникновение опухолей.

По отношению к другим РСС, фосфатидилинозитоловая РСС является антагонистом. Это определяется тем, что активация ПКС приводит к фосфорилированию и подавлению функций рецепторов и ГСБ иных РСС.

Второй вариант фосфолипазных РСС фосфатидилхолиновая, или арахидонатная РСС. Ключевой фермент этой системы представляет со­бой мембранную фосфолипазу А₂ (ФЛА₂), специфичную к фосфатидилхолину. Она катализирует его гидролиз с образованием лизофосфатидилхолина и жирной кислоты, которой часто оказывается арахидоновая кислота (АК, арахидонат). Таким образом, ВП этой РСС является арахидонат, находящийся в составе фосфатидилхолина и «от­щепляемый» с помощью ФЛА₂.

Арахидонатная РСС активируется определенными рецепторами и соответствующими им ГСБ, которые стимулируют активность ФЛА₂ и обра­зование АК с лизофосфатидилхолином. АК, в свою очередь, способна взаимодействовать с целым рядом белков, изменяя их конформацию и функции.

В частности, зарегистрировано ингибирующее действие АК в отношении пассивных переносчиков Na⁺, Са²⁺ и Сl, локализованных в плазмалемме. С другой стороны, АК акти­вирует определенные К⁺-каналы плазмалеммы. В нервных и мышечных клетках это приводит к гиперполяризации мембраны, вызы­вающей торможение возникновения потенциала действия и других клеточных процессов. В секреторных клетках АК подавляет индуцируемый ионами Са экзоцитоз.

Роль АК заключается и в том, что она способна подвергаться внутриклеточному мета­болизму с помощью ферментов циклоксигеназы и липоксигеназы. В результате метаболиз­ма АК образуются биологически активные молекулы (простагландины, тромбоксаны и лейкотриены), регулирующие важные для клеток процессы. К таким процессам относятся полимеризация актина, дезинтеграция стресс-фибрилл (пучков МФ), активация некоторых генов и деление клеток.

Арахидонатная РСС выступает в качестве антагониста аденилатцик­лазной РСС, так как АК способна подавлять функции ключевого фермен­та этой системы, АЦ АК может активировать ПКС и, с этой точки зрения, частично дублировать эффекты фосфатидилинозитоловой РСС.

С другой стороны, функции ФЛА₂ могут индуцироваться повышенной концентрацией Са²⁺ - третичного посредника фосфатидилинозитоловой РСС, которая в данной ситуации дублирует эффекты арахидонатной РСС. Наконец, АК способна взаимодействовать с ГАБ, стимулирующими гидролиз ГТФ в ГСБ, и подавлять их функцию. В этом случае арахидо­натная РСС служит усилителем функций других РСС, так как АК увеличивает время работы соответствующих ключевых ферментов РСС.

Третьим вариантом фосфолипазных РСС является сфингомиелиновая, или церамидная РСС. Ключевой фермент этой системы - одна из форм фосфолипазы С, нейтральная Мg²⁺-зависимая сфингомиелиназа (СМ). СМ специфична к сфингомиелину и катализирует его расщепление на фосфохолин и церамид, который и представляет собой ВП данной РСС.

Церамидная РСС активируется специальными рецепторами, что, ве­роятнее всего, через особый ГСБ, приводит к индукции активности СМ и образованию церамида. Этот ВП, в свою очередь, стимулирует актив­ность целого ряда белков, среди которых есть специфические протеинки­назы.

Одной из таких протеинкиназ является протеинкиназа митоз-активирующих белков, индуцирующих деление клеток. Среди протеинкиназ, активируемых церамидом, обнаруже­на ПКС, не стимулируемая ДАГ, но сходная по функциям с ПКС фосфатидилинозитоловой РСС С этой точки зрения, церамидная РСС может частично дублировать эффекты данной фосфолипазной РСС. Кроме того, церамид способен взаимодействовать с одной из цито­плазматических протеинфосфатаз, после чего она встраивается в плазмалемму и дефосфо-рилирует определенные белки, являясь в данном случае антагонистом протеинкиназ других РСС, фосфорилирующих эти белки.

Таким образом, рецепторно-сигнальная функция ПА клетки осущест­вляется сложнейшей суперсистемой связанных между собой РСС. Харак­тер этих связей усложняется и тем, что протеинкиназные домены рецепторов могут иметь одинаковые субстраты фосфорилирования с про-теинкиназами, функционирующими в системах ВП. Взаимодействие ре­цепторов с сигнальными молекулами вызывает сложный каскад внутриклеточных реакций, приводящих к определенному клеточному ответу.

Существенно, что в клетке имеются механизмы регуляции силы и длительности реак­ции клетки на сигнал. Так, снижение чувствительности рецепторов к сигналу, или десенти-зация рецепторов, может реализоваться, по крайней мере, двумя путями. Первый из них -фосфорилирование трансдукторных доменов рецепторов, которое препятствует передаче трансформированного сигнала на соответствующий ГСБ. Например, ПКА и ПКС способны действовать на гетерологичные рецепторы, т.е. рецепторы, входящие в другие РСС.

Кроме того обнаружены особые протеинкиназы - киназы рецепторов, которые активи­руются диссоциированными Сβγ, т.е. передача сигнала в данной РСС подавляется через определенное время одним из собственных элементов этой РСС. В этом случае десентизация рецепторов осуществляется по механизму отрицательной обратной связи. Вторым путем десентизации рецепторов может быть их эндоцитоз после взаимодействия с сигналом и внутриклеточное расщепление в лизосомах.

В некоторых РСС рецепторы оказываются чувствительными к регуляторным белкам арестинам, которые присоединяются к трансдукторному домену рецептора и препятствуют передаче сигнала на ГСБ. ВП и гетерологичные протеинкиназы могут изменять конформацию и активность ГСБ, ГОБ, ГАБ и ключевых ферментов, что также является элементом регуляции действия РСС.

Сложность работы РСС всей клетки определяется еще двумя обстоятельствами. Во-первых, одну и ту же конкретную РСС можно активиро­вать разными сигналами. Это определяется существованием рецепторов, специфичных к разным сигналам, но имеющих трансдукторные домены, взаимодействующие с одинаковыми ГСБ. Благодаря этому в разных по функциям клетках такие рецепторы активируют функции одинаковых ключевых ферментов. Более того, если подобные рецепторы имеются в составе ПА одной клетки, создается возможность дублирования опреде­ленного ответа с помощью разных сигналов.

В частности, аденилатциклазная РСС может активироваться адреналином, адренокортикотропином, липотропином, кальцитонином, глюкагоном. Фосфатидилинозитоловая РСС аналогично реагирует на адреналин, ацетилхолин, гасгрин, вазопрессин (АДГ).

Во-вторых, известны рецепторы, имеющие одинаковую специфич­ность, но разные трансдукторные домены, т.е. взаимодействующие с раз­личными ГСБ. Вследствие этого, один и тот же сигнал может активировать разные РСС.

Так, адреналин через один тип рецепторов (αl-рецепторы) активирует фосфатидилинозитоловую РСС, а через другой (β-рецепторы) - аденилатциклазную. Существует и третий тин адренэргических рецепторов (α2-рецепторы), посредством которых адреналин подавля­ет активность аденилатциклазной РСС.

Таким образом, разнообразие рецепторов позволяет клетке тонко регулировать свои ответы на внеклеточные стимулы, что необходимо для сохранения гомеостаза в изменчивых условиях существования. При этом важно и то, что одинаковый сигнал, запускающий активность определен­ной РСС, может реализоваться по-разному в клетках, выполняющих спе­циализированные функции. Такие клетки различаются по набору внутриклеточных белков, поэтому изменение их функций (например, фосфорилирование с помощью протеинкиназы) вызывает и специфичный для данной клетки ответ на стимул.

Знание механизмов осуществления рецепторно-сигнальной функции имеет принципиальное значение для медицины. Известно огромное количество болезней, включая наследственные, причиной которых являются дефекты конкретных РСС. При этом различные аномалии одной и той же РСС, как правило, проявляются одинаково, но требуют различных методов лечения.

У человека причиной нанизма (карликовости, при которой рост мужчин не превышает 130 см, а женщин - 120 см) могут быть раз­личные наследственные дефекты: дефицит гормона роста, дефицит или аномалии структуры рецепторов гормона роста, дефицит или аномалии соответствующего ГСБ, функционирующего в данной РСС. Наконец, у представителей африканского племени пигмеев нанизм обусловлен наследственным дефицитом соматомедина С, медиатора действия гормона роста. Уровень гормона роста у пигмеев находится в пределах нормы, структура и количество рецепторов этого гормона и соответствующего ГСБ также являются нормаль­ными.

Дефекты РСС могут приводить к возникновению опухолей. В этом случае изменяется структура и функции белков РСС, контро­лирующих процесс деления клетки. Такие наследственно изменен­ные белки объединяют в группу онкобелков. Доказано, что причиной опухолеобразования могут быть дефекты определенных гормонов (факторов роста), их рецепторов с протеинкиназными доменами, рецепторов стероидных и тиреоидных гормонов, определенных ГСБ, мембранных и цитоплазматических протеинкиназ и транскрипцион­ных факторов, фосфорилируемых протеинкиназами. Как правило, онкобелки характеризуются повышенной активностью и нечувстви­тельностью к регуляции в собственной РСС. Именно это приводит к интенсивному и неконтролируемому делению клеток - условию воз­никновения опухоли.

Большое количество патологических состояний организма можно корригировать с помощью фармакологических препаратов, влияющих на определенные элементы РСС. Практически для каждого рецептора удается обнаружить вещества, которые не синтезируются в организме, но способны активировать рецептор (препараты-агонисты) или блокировать его функции (препараты-антагонисты). При введении агонистов можно добиться усиления активности РСС и соответствующих функций организма, я при введении антагонистов - ослабления. Естественно, агонистами формально являются вводимые в организм гормоны или медиаторы при их дефици­те.

В определенных нейронах высших животных и человека имеются рецепторы к пептидным гормонам гипофиза эндорфинам. Эти рецеп­торы являются компонентами РСС, подавляющей функции АЦ и, соответственно, снижающей внутринейронный уровень цАМФ. При действии эндорфинов уменьшается болевая чувствительность (эф­фект анальгезии), повышается социальная общительность, создается чувство благополучия (эйфория), подавляются элементы полового поведения. Все эти эффекты вызываются торможением определен­ных нервных процессов, что проявляется в условиях стресса, при которых уровень эндорфинов в организме повышается.

Агонистами эндорфинов являются некоторые наркотические вещества, содержащиеся в апие, например, морфин (морфий), поэто­му рецепторы эндорфииов получили название опиатныхрецепторов. Таким образом, прием морфина вызывает снижение концентрации цАМФ в определенных нейронах, создавая эйфорическое состояние со снижением болевой чувствительности, которое не является нор­мой для организма.

Однократное сильное или регулярное снижение уровня цАМФ в нейронах вызывает клеточную реакцию, направленную на нормали­зацию, - увеличение концентрации ВП. Это выражается в интенси­фикации синтеза АЦ, количество которой в плазмалемме существенно увеличивается. В результате после прекращения дейст­вия наркотика уровень цАМФ надолго выходит за пределы естест­венной нормы (повышается) из-за устранения ингибирующего действия РСС на АЦ.

Следствием этого является возникновение функциональных рас­стройств организма, проявляющихся в виде депрессии и сильных болевых ощущений. Уровень эндорфинов в организме недостаточен для преодоления этого состояния, поэтому возникает потребность его устранения с помощью очередной дозы морфина. Так возникает за­висимость организма от наркотика, наркотическая зависимость, которая может сформироваться уже после первого приема морфина и ему подобных препаратов.

В такой ситуации (повышенный уровень АМФ) для достижения эйфорического состояния очередной прием наркотика в исходной дозе оказывается неэффективным, так как количество АЦ превыша­ет ее нормальный уровень. Следствием этого является развитие то­лерантности (нечувствительности, устойчивости) к данной дозе морфина. На фоне развития толерантности наркоман (зависимый от наркотика человек) вынужден принимать более высокую дозу нар­котика, приводящую к дальнейшему увеличению количества АЦ в нейронах. В итоге формируется порочный круг наркомании: доза - толерантность к ней - увеличение дозы - толерантность к ней - дальнейшее увеличение дозы и т.д., - при котором зависимость от наркотика становится все сильнее и сильнее.

При наркотической зависимости попытка наркомана прекратить прием морфина (опиатных наркотиков) вызывает ломку - тяжелые расстройства многих функций организма с сильнейшими болевыми ощущениями. Аналогичный синдром отмены наркотика наблюдает­ся у новорожденных детей матерей-наркоманок. Наркотическая за­висимость может возникать и у людей, регулярно принимающих лекарственные наркотические препараты в качестве анальгетиков (болеутоляющих средств) для снятия сильных болевых ощущений, возникающих, например, при многих онкологических заболеваниях.

Антагонистом эндорфинов является препарат налоксон, который, связываясь с опиатными рецепторами, не вызывает их активации, но препятствует взаимодейст­вию с эндорфинами или их агонистами, в частности, морфином. Введение налоксона вызывает усиление болевых ощущений. Тем не менее, использование этого препарата оправдано в случаях передозировки наркотика или для предупреждения (профилак­тики) возникновения наркотической зависимости при назначении больному наркотических анальгетиков опиатного ряда. Естественно, введение наркоманам больших доз налоксона (передозировка налоксона) вызывает острую форму синдрома отмены наркотика - ломку.

Наследственные дефекты (дефициты) эндорфинов или их рецеп­торов создают наследственную предрасположенность к наркомании. В таких случаях наркотическая зависимость развивается после пер­вого приема наркотика. У некоторых больных хроническим алкого­лизмом обнаруживается пониженное количество опиатных рецепторов. Вероятно, дефицит этих рецепторов вызывает частые симптомы депрессии и болевые ощущения, которые такие больные «снимают» приемом алкоголя. Алкоголь - тоже наркотик, вызы­вающий эйфорическое состояние и анальгезию, но действующий посредством другого механизма, не затрагивающего опиатную (эндорфинную) РСС.

В клетках мозга, селезенки и семенников обнаружены 3 вида рецепторов, которые взаимодействуют с анандамидом (этаноламидом арахидоновой кислоты). Данное соединение синтезируется самим организмом и активирует аденилатциклазную систему, регулирую­щую работу канала для ионов калия.

Оказалось, что эти рецепторы активируются и марихуаной (тет-рагидроканнабинолом) - наркотическим веществом, содержащимся в цветках и побегах конопли, из которых путем экстракции получа­ют более сильный наркотик гашиш. Курение марихуаны (гашиша) вызывает эйфорию, бесконтрольный смех, изменение восприятия времени, расстройство самосознания с чувством отчуждения собст­венной психики, повышение остроты зрения.

Эти эффекты позднее сменяются расслаблением организма, дре­мотным состоянием или сном. Высокие дозы наркотика приводят к повышению частоты сердечных сокращений и покраснению конъ­юнктивы. Наследственные дефекты синтеза анандамида создают предрасположенность к курению марихуаны. Прекращение употреб­ления данного наркотика, по словам самих больных, приводит к повышению ясности собственного мышления.

Атропин, вещество, содержащееся в некоторых растениях (кра­савка, белена, дурман и др.), является антагонистом нейромедиатора ацетилхолина. Он блокирует работу рецепторов фосфатидилинозитоловой РСС. Попадание атропина в кровь вызы­вает очень серьезные последствия для организма. Тем не менее, этот препарат используют в составе глазных капель для расслабления мышц зрачка глаза (расширения зрачка).

Внутривенно или внутримышечно атропин можно вводить при отравлении хи­мическими препаратами, инактивирующими фермент ацетилхолинэстеразу. Такие препараты вызывают резкое повышение уровня ацетилхолина и гиперфункциональ­ное состояние нервно-мышечной системы - спазм гладкой мускулатуры, в результате которого может наступить смерть от дыхательной недостаточности.

В этих случаях подавление атропином функций рецепторов ацетилхолина сни­жает эффекты данного нейромедматора. К подобным антиацетилхолинэстеразным препаратам относятся определенные инсектициды (препараты для борьбы с насеко­мыми) и боевые отравляющие вещества нервно-паралитического действия.

При дефиците или аномалиях структуры рецепторов ацетилхолина развивается миастения (мышечная слабость). Это заболевание характеризуется необычно сильной утомляемостью мускулатуры из-за нарушения передачи нервного импульса с нейронов на мышечные волокна. В наибольшей степени миастения затрагивает наружные глазные мышцы, мышцы шеи и пояса верхних конечностей.

Нарушение работы РСС может быть, также обусловлено действи­ем ряда возбудителей инфекционных заболеваний. Например, в со­ставе токсинов возбудителей холеры и коклюша имеется фермент АДФ-рибозилтрансфераза, с помощью которой происходит ковалентная модификация ГСБ, функционирующих в аденилатциклазной РСС. В результате этого целый ряд симптомов, наблюдаемых у больных холерой или коклюшем, являются следствием необратимой активации этой РСС в клетках, пораженных соответствующими бактериальными токсинами.

Контактная функция ПА обеспечивает взаимодействие клеток друг с другом или неклеточными структурами. Связи, в которые вступают клетки, можно рассматривать с различных точек зрения. Так, различают дистантные и контактные взаимодействия.

Дистантные взаимодействия подразумевают влияние одной клетки на другую с помощью гуморальных факторов - молекул, секретируемых клетками во внутреннюю среду организма (кровь, лимфу, тканевую жид­кость, спинномозговую жидкость, жидкость желудочков головного моз­га). В основе такого типа взаимодействий лежит секреторная функция одних клеток (экзоцитоз) и рецепторно-сигнальная функция других кле­ток.

Контактные взаимодействия, или контакты, означают непосредст­венную физико-химическую связь компонентов ПА клетки с определен­ными структурами организма. С этой точки зрения, существуют 2 вида контактов: клеточно-субстратные и межклеточные. В случае клеточно-субстратных контактов ПА клетки взаимодействует с компонентами организма, не имеющими клеточного строения, например, матриксом соединительных тканей или базальными мембранами (пластинками) эпи­телиальных тканей. При межклеточных контактах происходит прямое взаимодействие ПА одной клетки с ПА другой.

Оба вида контактов могут быть как временными, так и постоянными, хотя четкую границу между этими вариантами иногда трудно определить. Тем не менее, главной характеристикой временных контактов является не столько их кратковременность, сколько изменения функциональной активности контактирующих клеток. Для постоянных контактов, напро­тив, характерна стабильность положения и функциональной активности клеток, находящихся в контакте значительное время, часто - весь свой жизненный цикл.

Временные контакты присущи активно передвигающимся клеткам. На основе таких контактов, например, происходит миграция (перемещение) клеток в ходе индивидуального развития многоклеточного организма. В частности, подобным способом первичные половые клетки попадают из желточного мешка эмбриона в еще недифференцированные зачатки гонад (половых желез).

У сформировавшегося организма временные контакты характерны для многих клеток иммунной системы. Например, на основе таких контактов нейтрофилы (вид лейкоцитов) взаимодействуют с эпителиальными клетками капилляров и мигрируют из кровяного русла в тканевой очаг поражения. При определенного типа иммунном ответе лимфоциты вступа­ют во временной контакт с макрофагами, что является условием запуска реакций приобре­тенного иммунитета. Цитотоксические клетки иммунной системы формируют временные контакты с клетками-мишенями, индуцируя тем самым процессы, приводящие к гибели клеток-мишений.

Постоянные контакты являются более универсальными для много­клеточных организмов. Этот тип контактов лежит в основе формирова­ния, сохранения и функционирования многоклеточных структур (тканей, органов, систем органов). Именно поэтому постоянные контакты рас­сматриваются в качестве универсальной функции ПА клеток многокле­точного организма.

Вне зависимости от вида и продолжительности контактов, их образо­вание обеспечивается молекулами, входящими в состав ПА клеток. Эти молекулы объединяют термином «клеточные адгезивные молекулы» (КАМ), хотя они представлены разнообразными по структуре белками, гликопротеинами и, возможно, гликолипидами. Во внеклеточном матриксе имеются аналогичные молекулы, обозначаемые как субстратные адге­зивные молекулы (САМ).

Таким образом, клеточные контакты формируются на основе взаимо­действий между адгезивными молекулами типа КАМ-КАМ (межклеточ­ные контакты) или КАМ-САМ (клеточно-субстратные контакты). Достаточно условно, по характеру связей, КАМ можно подразделить на 3 категории: рецепторные, лигандные и рецепторно-лигандные.

Рецепторные КАМ имеют внеклеточный рецепторный домен, связывающий опреде­ленный домен другой адгезивной молекулы, который называют лигандным (связываемым). Рецепторные домены КАМ являются, как правило, белковыми. Лигандные КАМ имеют внеклеточный лигандный домен, который связывается соответствующим рецепторным доменом другой адгезивный молекулы.

Лигандные домены КАМ нередко представляют собой углеводные компоненты гликопротеинов или гликолипидов нлазмалеммы. Рецепторно-лигандные КАМ имеют оба типа доменов (и рецепторный, и лигандный) или один сложный - рецепторно-лигандный. Благо­даря этому рецепторно-лигандные КАМ могут взаимодействовать с такой же рецепторно-лигандной адгезивной молекулой.

Связи рецепторной КАМ с лигандной адгезивной молекулой получили название гете­рофильных взаимодействий. Аналогично обозначают и взаимодействие лигандной КАМ с рецепторной адгезивной молекулой. Связь между одинаковыми (рецепторно-лигандными) КАМ называют гомофильным взаимодействием.

Кроме простых взаимодействий, возможны и более сложные, включающие более двух адгезивных молекул. Например, 2 рецепторных КАМ разных клеток могут связывать одну и ту же лигандную молекулу, имеющую, естественно, минимум 2 лигандных домена.

Наиболее изученными рецепторными КАМ являются интегрины и лектины, лигандными КАМ - протеогликаны, рецепторно-лигандными КАМ - кадгерины, коннексины, иммуноглобулины и тайтины.

Все КАМ обеспечивают формирование постоянных клеточных кон­тактов определенной структуры, выполняющих не только универсальную контактную функцию ПА клеток, но и некоторые специфические важные клеточные функции. Постоянные межклеточные контакты (ПМКК) под­разделяют на механические, изолирующие и коммуникационные.

Механические, или адгезивные ПМКК выполняют 2 функции. Во-первых, с их помощью создается и сохраняется многоклеточность струк­тур организма. Во-вторых, некоторые из них позволяют перераспределять физическую нагрузку, полученную одной клеткой, на другие, контакти­рующие с ней. Благодаря этому, данная клетка может избежать механиче­ских повреждений.

По своей структуре, механические ПМКК подразделяют на простые и сложные. При формировании простых механических ПМКК существен­ную роль играют специфические и неспецифические взаимодействия между элементами гликокаликса, являющимися надмембранными доме­нами КАМ. При этом в месте образования контакта расстояние между участками плазмалеммы контактирующих клеток достаточно большое (10-20 нм). Кроме того, для простых контактов характерно от­сутствие четкой связи КАМ с элементами цитоскелета.

Неспецифические взаимодействия КАМ при простых контактах изучены плохо, но есть основания считать, что они формируются за счет электростатических связей между углеводными компонентами мембранных гликопротеинов и гликолипидов. Их количество в зоне контакта велико, так как углеводный компонент здесь развит сильно, поэтому такие взаимодействия обеспечивают достаточно прочную связь между клетками

Специфические взаимодействия в простых механических ПМКК об­разуются двумя видами рецепт орно-лигандных КАМ - иммуноглобулина­ми и кадгеринами на основе гомофильных взаимодействий: кадгерин-кадгерин и иммуноглобулин-иммуноглобулин. При этом для разных типов клеток характерны различные варианты как иммуноглобу­линов, так и кадгеринов. Кроме того, может быть разной и относительная роль этих КАМ в формировании простых контактов между разными ти­пами клеток: для одного типа клеток более важными являются иммуног­лобулины, для другого - кадгерины.

Иммуноглобулины - это огромное семейство гомологичных белков, которые могут быть интегральными, периферическими и немембранными (секреторными). В частности, к иммуноглобулинам относятся антитела, секретируемые В-лимфоцитами при иммунном ответе организма на антигены. Все иммуноглобулины имеют характерные домены, вклю­чающие определенные аминокислотные последовательности, концы которых объединены дисульфидными связями. Такие петлеобразные домены называют иммуноглобулиновыми доменами.

К КАМ относятся иммуноглобулины, состоящие из одного полипептида и имеющие особое строение иммуноглобулиновых доменов - домены Н-типа. Чаще всего иммуноглобулиновые КАМ содержат 5 внеклеточных доменов Н-типа и различаются по структуре цитоплазматического домена. Некоторые адгезивные иммуноглобулины не имеют трансмембранного и цитоплазматического доменов, но ковалентно связаны с углеводной головкой мембранного липида фосфатидилинозитола.

При формировании простого механического контакта иммуноглобулиновые КАМ разных клеток взаимодействуют между собой как гомофильные рецепторно-лигандные КАМ. Благодаря этому, контактирующие клетки образуют многоклеточную структуру, которая сохраняется дли­тельное время, поскольку взаимодействие иммуноглобулиновых КАМ происходит без дополнительных условий и факторов.

Кроме иммуноглобулинов, в формировании простых механических контактов могут принимать участие белки кадгерины - КАМ, также спо­собные к гомофильным взаимодействиям. Кадгерины представлены, как и иммуноглобулины, целым семейством белковых молекул, адгезивная функция которых регулируется ионами Са²⁺.

Каждый кадгерин представляет собой один трансмембранный полипептид, состоящий из более 700 аминокислотных остатков, внеклеточная часть которого формирует рецепторно-лигандный домен и имеет Са²⁺-связывающий центр. Связывание ионов Са активирует этот домен, и он приобретает способность к гомофильному взаимодействию с таким же доменом молекулы кадгерина в ПА другой клетки. Кроме того, связав Са²⁺, кадгерин стано­вится устойчивым к действию протеолитических ферментов, протеаз.

В ПА разного типа клеток обнаруживаются различные варианты кад­геринов (все - Са²⁺-зависимые), что обусловливает возможность контакта именно между сходными клетками. Так, для эпителиальных клеток харак­терен кадгерин Е, клеток кишечника - кадгерин Р, нейронов - кадгерин N, клеток легких - кадгерины Р и N, нейроглии - кадгерин R, мышечных клеток - кадгерин М. Кадгериновые КАМ, формирующие простые меха­нические ПМКК имеют цитоплазматические домены, которые не взаимо­действуют с белками цитоскелета. Таким образом, этот вид контактов обеспечивает элементарную адгезию клеток за счет гомофильных взаимо­действий и не имеет других функций, кроме адгезивной.

Сложные механические ПМКК также образуются на основе гомо­фильных вз-аимодействий между определенными вариантами кадгеринов. Кроме того, что данные КАМ являются Са²⁺-зависимыми, они содержат домены, обеспечивающие связь кадгерина с цитоскелетом. Благодаря этому, сложные механические ПМКК выполняют не только адгезивную функцию, но и функцию перераспределения физических нагрузок на кон­тактирующие клетки. Контакты, образованные с помощью таких кадгери­нов, называют десмосомами. Различают 2 основных варианта десмосом - точечные и опоясывающие.

Точечные десмосомы характеризуются локальной, ограниченной со всех сторон зоной контакта, в пределах которой участки плазмалемм контактирующих клеток удалены друг от друга на расстояние около 20 нм. Собственно контакт формируют гомологи кадгерина Е - десмоглеины. Десмоглеины имеют крупный рецепторно-лигандный домен, акти­вируемый ионами Са²⁺ и способный к гомофильному взаимодействию с аналогичным доменом в ПА других клеток.

Точечные десмосомы включают большое количество десмоглеина, благодаря чему во внеклеточной зоне контакта с помощью белка десмоколлина рецепторно-лигаидные домены этих КАМ образуют десмоглеиновый слой, или центральную пластинку. Цитоплазматические домены десмоглеинов взаимодействуют с белками десмоплакинами, в результате чего в периферической гиалоплазме зоны контакта обеих клеток с помо­щью белка плакоглобина формируется десмоплакиновый слой, или пери­ферическая пластинка.

Таким образом, точечные десмосомы, в отличие от простых механи­ческих контактов, обеспечивают более жесткую связь за счет наличия внеклеточной и внутриклеточных структур - белковых пластинок.

Периферические десмоплакиновые пластинки взаимодействуют со СФ. Это усиливает прочность контакта за счет связи с общей системой цитоскелета, и фактически объединяет цитоскелеты контакти­рующих клеток в единую систему. Именно такое единство цитоскелетов соседних клеток обеспечивает возможность передачи части механической нагрузки, полученной одной клеткой, на другие, контактирующие с ней клетки.

Опоясывающие десмосомы отличаются от точечных рядом парамет­ров. Во-первых, кадгерины Е таких десмосом имеют иную структуру рецепторно-лигандных доменов и не формируют центральную пластинку. Во-вторых, цитоплазматические домены этих КАМ не взаимодействуют с десмоплакинами - периферические пластинки в опоясывающих десмосомах также не образуются. Однако в данном случае цитоплазматические домены кадгеринов связываются с белками опорно-сократительной сис­темы ПА альфа-актинтом и винкулином, которые обеспечивают связь кадге­ринов Е с пучком актиновых МФ, взаимодействующих с миозином.

В результате этого формируется зона контакта, представленная в периферической гиалоплазме актомиозиновым кольцом, опоясывающим клетку с внутренней стороны. Такая структура контакта позволяет ему выполнять не только адгезивную, но и сегрегационную функцию. Наличие сплошного контактного пояска приводит к разделению ПА клетки на 2 большие области (компартмента), расположенные по разные стороны опоясывающей десмосомы.

Так как кадгериновый поясок препятствует свободной латеральной диффузии белков плазмалеммы, опоясывающие десмосомы обеспечивают структурно-функциональную дифференцировку ПА клетки, например, на апикальную (верхнюю) и базальную (нижнюю) части. Такой способ дифференцировки ПА широко представлен в клетках эпителиальных тканей, особенно в однослойных эпителиях.

Поскольку компонентом опоясывающих десмосом является актомиозиновое кольцо, оно используется для изменения формы отдельных клеток и, как следствие, целых клеточ­ных слоев. Активация миозина в кольце приводит к сужению соответствующей части клет­ки. Так как клетки объединены системой опоясывающих десмосом, это вызывает формирование чашевидных или трубчатых структур, стенки которых образованы контакти­рующими клетками. В частности, именно таким способом в процессе эмбрионального развития хордовых происходит образование зачатка центральной нервной системы - нерв­ной трубки - из участка наружного зародышевого листка, эктодермы.

Механические ПМКК играют существенную роль в жизнедея­тельности отдельных клеток и всего многоклеточного организма,поэтому их аномалии могут приводить к различным патологическим состояниям. Так, известны наследственные дефекты механических контактов, вызывающие интенсивное шелушение поверхности рого­вого слоя эпидермиса кожи, видимым симптомом которого является головной питириаз, или перхоть. С другой стороны, интенсивность этого процесса может быть существенно ниже нормальной, что на­блюдается, в частности, при вульгарном ихтиозе (аномальном утол­щении участков эпидермиса).

Нарушение структуры некоторых белков, формирующих десмо­сомы между эпителиальными клетками, приводит к тяжелому забо­леванию - пемфигусу, или пузырчатке кожи. При этой болезни, которая может быть наследственной, на коже образуются многочис­ленные волдыри (пузырьки) из-за просачивания тканевой жидкости через эпидермис, который является более рыхлым вследствие нару­шения механических контактов. Пузырчатка способна проявляться не только на уровне эпидермиса кожи, но и эпителиев слизистых оболочек.

К таким белкам относится плектин - элемент цитоскелета, представленный в десмосомах клеток ороговевающего эпителия кожи. Здесь он обеспечивает почную фиксацию клеток ороговевающего слоя к слою нижележащих клеток. Наследственные дефекты струк­туры плектина вызывают развитие простого врожденного булезного эпидермолиза (пузырчатого разрушения эпидермиса). При данном заболевании на участках кожи, подвергающихся сдавлению или тре­нию, образуются пузыри. Через некоторое время эти пузыри исчеза­ют или оставляют после себя очаги гиперпигментации (пятна темного цвета).

Плексин обнаруживается и в мышечных волокнах, где вместе с десмином (белком мышечных скелетных фибрилл) и белком кожи и мышц HD1 участвует в прикреплении к плазмалемме сократитель­ного актомиозинового аппарата скелетной мускулатуры. Такая си­туация у больных простым врожденным булезным эпидермолизом приводит к развитию и мышечной дистрофии, проявляющейся в позднем возрасте.

Наследственные аномалии формирования десмосом являются одной из причин мукоэпителиальной дисплазии (нарушения развития слизистого эмителия), которая характеризуется поражением всех слизистых оболочек, катарактой (помутнением хрусталика глаз), кератозом (утолщением эпидермиса кожи), алопецией (выпадением волос), фотофобией (светобоязнью) и повышенной чувствительно­стью к респираторным и кишечным инфекциям.

Дефекты механических контактов, включая наследственные, мо­гут быть одной из причин образования метастазов (вторичных опу­холей) у онкологических больных. Существенно, что само раковое перерождение клетки нередко приводит к ослаблению механических контактов между опухолевыми клетками. В результате отдельные раковые клетки обособляются от опухоли, попадают в другие части организма и формируют там вторичные опухоли.

Изолирующие контакты (плотные контакты, или зоны слияния) являются вторым видом ПМКК. Изолирующие контакты, как и все дру­гие, выполняют универсальную адгезивную функцию. Однако для них характерна и специфическая, главная функция - создание клеточных внеклеточными средами (пространствами).

Это выражается в формировании слоя клеток, который препятствует движению крупных молекул из одной среды в другую, т.е. через клеточный барьер. Именно поэтому изолирующие контакты очень характерны для эпителиальных тканей, выстилающих полости внутренних органов, сосудов, каналов или являющихся компонентом наружного покрова орга­низма (кожи).

Изолирующие контакты образуются с помощью Са²⁺-независимых интегральных белков плазмалеммы, белков изолирующих контактов. Структура этих белков такова, что их трансмембранные домены взаимо­действуют друг с другом в БЛС плазмалеммы и формируют изолирующие полоски, опоясывающие клетку по окружности.

Собственно межклеточный контакт является результатом гомофильного взаимодействия между белками изолирующих полосок ПА разных клеток. При этом, в отличие от механических контактов, плазмалеммы контактирующих клеток сильно сближаются, и тесная связь между изоли­рующими полосками создает сплошной белковый барьер, не проницае­мый для относительно крупных молекул.

Количество изолирующих полосок в зоне контакта может быть раз­ным, что зависит от функций эпителиального барьера. Так, в эпителии почечных клубочков, где осуществляется интенсивная фильтрация плазмы крови с образованием первичной мочи, число изолирующих полосок не превышает двух. Благодаря этому в первичную мочу попадают вещества, подлежащие дальнейшему выводу из организма (например, мочевина). Однако при этом в первичной моче оказываются и необходимые организ­му органические молекулы (глюкоза, аминокислоты), которые затем при­ходится реабсорбировать в почечных канальцах.

Вторичная моча, содержащая вредные для организма вещества, нака­пливается в мочевом пузыре. В эпителии этого органа формируются мощ­ные зоны изолирующих контактов, включающие до 8 изолирующих полосок, располагающихся не только параллельно, но и под утлом друг к другу. В результате через такую зону во внутреннюю среду организма из мочевого пузыря не проникают даже такие мелкие молекулы, как мочеви­на (карбамид).

При высоких функциональных нагрузках на эпителий степень изоля­ции может усиливаться. Это достигается тем, что белки изолирующих полосок взаимодействуют с элементами цитоскелета, чаще всего - МФ, которые, в свою очередь, фиксируются МТ.

Изолирующие контакты, как и опоясывающие десмосомы, служат для разделения ПА клеток на апикальный и базальный компартменты, так как изолирующие полоски препятствуют миграции белков плазмалеммы че­рез зону контакта. Так, в апикальной части ПА эпителиальных клеток тонкой кишки, обращенной в полость, локализуются активные перенос­чики глюкозы (Na-симпортеры), а в базолатеральной - пассивные пере­носчики GluT. Благодаря этому, транспорт глюкозы осуществляется в направлении «полость кишки -> эпителий кишечника -> межклеточная жидкость -> кровеносный сосуд.

Аномалии изолирующих контактов приводят к тяжелым послед­ствиям. Примером такого дефекта является протеинурия (наличие белков в моче), обусловленная ослаблением изолирующих контактов в эпителии почечных клубочков, благодаря чему в первичную мочу попадают не только малые органические соединения, но и крупные - белки. Кроме наследственных причин, протеинурия может быть следствием высоких физических нагрузок и нередко наблюдается, например, у спортсменов в ходе или сразу после соревнований.

Коммуникационные контакты являются третьим видом ПМКК. Как и другие виды контактов, коммуникационные контакты обеспечивают адгезию определенных клеток. Однако, их основная и специфическая функция - передача химических сигналов из одной клетки в другую.

Благодаря этому коммуникационные контакты иногда называют хи­мическими контактами. Наличие таких контактов обеспечивает струк­турную и функциональную кооперацию контактирующих клеток, проявляюшуюся согласованностью их действия в многоклеточном орга­низме и взаиморегуляции. Известны 2 варианта коммуникационных кон­тактов: щелевые и синоптические.

Щелевые контакты, или нексусы, обеспечивают прямую передачу химического сигнала из гиалоплазмы одной клетки в гиалоплазму другой, контактирующей с ней, клетки. Такая передача осуществляется с помо­щью специальных интегральных белков плазмалеммы коннексинов.

Коннексины представляют собой полипептиды, включающие около 280 аминокислот­ных остатков и формирующие 4 трансмембранных альфа-спиральных домена в БЛС В клетках разною типа обнаруживаются различные варианты коннексинов в отношении своей пер­вичной структуры, но имеющие универсальную третичную структуру.

В БЛС коннексины взаимодействуют друг с другом и формируют коннексон канал, состоящий из 6 молекул коннексина. Собст­венно щелевой контакт образуется путем взаимодействия внеклеточных доменов коннексинов, входящих в состав коннексонов разных клеток, т.е. за счет гомофильных взаимодействий. В результате формируется единая для обеих контактирующих клеток канальная структура с диаметром ка­нала порядка 2 нм (диаметр самой структуры составляет 8 нм).

При этом, как и в случае изолирующих контактов, плазмалеммы в районе контакта сближаются до расстояния 2-4 нм. Как правило, зона щелевого контакта включает сотни коннексонов, расположенных рядом друг с другом. Это обеспечивает достаточно интенсивный и локальный поток молекул между контактирующими клетками.

Диаметр коннексонных каналов (2 нм) позволяет переходить из одной клетки в другую путем ПТ (по градиенту концентрации) частицам и молекулам, имеющим молекулярную массу до 1000. К ним относятся разнообразные ионы, моносахариды, аминокислоты, неко­торые витамины, стероидные гормоны и нуклеотиды, включая циклические. С другой стороны, пептиды, олигосахариды и олигонуклеотиды не способны проходить через канал коннексонов из-за своих крупных размеров.

Щелевые контакты дают возможность относительно равномерного распределения между контактирующими клетками важных внутриклеточ­ных метаболитов, например, глюкозы и аминокислот. Благодаря этому, обеспечивается взаимное снабжение такими метаболитами, предотвра­щающее или их сильный дефицит в отдельных клетках, или, наоборот, избыточное накопление.

Не менее важной функцией щелевых контактов является передача сигнальных молекул, вызывающих определенные клеточные реакции: ионов, стероидных гормонов, цАМФ, цГМФ и т.п. Это позволяет целой группе контактирующих между собой клеток согласованно и однозначно реагировать на сигнал, полученный отдельными клетками.

Например, если в одной из клеток активируется аденилатциклаза, в ней происходит увеличение концентрации цАМФ, который по своему градиенту будет диффундировать через коннексоны в соседние клетки. Тогда во всех этих клетках произойдет активация протеинкиназы А, что вызовет одинаковую реакцию всех контактирующих клеток.

Щелевые контакты характерны для клеток тканей и органов, в кото­рых очень важным является быстрое и согласованное действие всех кле­ток. К таким тканям относятся миокард (сердечная мышца) и гладкая мускулатура, клетки которых объединены большим количеством щеле­вых контактов.

В миокарде через коннексоны транспортируются ионы Na⁺, благодаря чему кардиомиоциты быстро передают друг другу возбуждение. Резуль­татом этого является согласованное сокращение и расслабление кардио-миоцитов и сердечной мышцы в целом. Щелевые контакты, функционирующие за счет потока ионов, называют электрическими си­напсами, так как через них распространяется электрический мембранный потенциал.

Особенно много щелевых контактов образуется между клетками глад­кой мускулатуры стенки матки млекопитающих, включая человека. Это обеспечивает эффективное протекание процесса родов - вывода плода из матки за счет сократительной деятельности ее мускулатуры. Аналогич­ным образом обеспечиваются процессы перистальтики (волнообразного сокращения) стенок пищеварительного тракта (пищевода, желудка, кишечника), в результате чего его содержимое в норме перемещается в определенном направлении.

Функционирование коннексонов подвержено регуляции со стороны клетки. В частно­сти, коннексины способны фосфорилироватьея с помощью протеинкиназы А, активируемой цАМФ, что поддерживает открытое состояние канала коннексона. С другой стороны, силь­ное увеличение уровня ионов Са²⁺ в клетке приводит к подавлению проводящей способно­сти щелевых контактов. Вероятно, это служит механизмом предотвращения кальциевой перегрузки соседних клеток, гак как, закрыв свои каналы, данная клетка изолируется от контактирующих с ней клеток. Аналогичные последствия (закрытие каналов) вызывает также снижение уровня рН периферической гиалоплазмы.

В миокарде сокращение клеток индуцируется повышением концен­трации Са²⁺, которое, в свою очередь, обеспечивается током Na⁺ через коннексоны, т.е. деполяризацией плазмалеммы. В этом случае Са²⁺-зависимое закрытие коннексонов обеспечивает временную неспособность клеток к повторному сокращению (рефрактерный период) и служит усло­вием реполяризации мембраны, необходимой для очередного сокращения. В результате создается циклический механизм сопряжения процессов возбуждения и сокращения, который принципиально важен для нормаль­ной работы кардиомиоцитов.

Нарушения структуры, функции и регуляции работы щелевых контактов изменяют скорость и некоторые другие особенности про­ведения химических сигналов, что может приводить к определенным патологическим состояниям. В частности, дефекты на уровне функ­ций коннексонов в кардиомиоцитах являются одной из причин сер­дечных аритмий - нарушений ритма сердечных сокращений. Очень серьезные последствия вызывают аритмии, характеризующиеся фибрилляцией (мерцанием) миокарда.

Так, при фибрилляции желудочков сердца возбуждение распро­страняется по ним хаотически, приводя к нарушениям их функций, вызывающих остановку кровообращения, потерю сознания и гибель организма через несколько минут. Фибрилляция желудочков явля­ется самой частой причиной смерти при электротравмах. Тем не менее, в определенных условиях с помощью электрического тока можно устранить фибрилляцию - осуществить дефибрилляцию.

Эта процедура проводится специальным прибором дефибриллятором, который подает одиночный короткий электроимпульс величиной в несколько ампер. При отсутствии электродефибриллятора больному вводят лекарственный препарат лидокаин, который блокирует каналы для ионов Na⁺ и укорачивает рефрактерный период кардиомиоцитов.

Нарушения структуры и функции коннексонных контактов клетки могут быть причиной возникновения опухолей. Клетка, изо­лированная информационно от соседних, выходит из-под общеткане­вого контроля и нередко начинает интенсивно делиться из-за нарушения механизмов так называемого «контактного торможе­ния». В результате неконтролируемого деления возникает опухоль, которая при определенных условиях может стать злокачественной.

Дефекты щелевых контактов наряду с аномалиями десмосом приводят не развитию наследственной мукоэпителиальной дистро­фии (см. ранее).

Синаптические контакты, или химические синапсы, являются вари­антом коммуникационных контактов, характерным для нейронов. Кроме межнейронных взаимодействий, с помощью химических синапсов обес­печивается информационная связь между нейронами и другими типами клеток, например, мышечными.

В синаптических контактах между специализированными участками ПА контактирующих клеток формируется синапс. Он включает участок ПА клетки, которая передает сигнал, пресинаптическую мембра­ну, и участок ПА клетки, получающей сигнал, постсиноптическую мем­брану. Между этими мембранами имеется пространство, синоптическая щель, шириной около 20 нм, в которой находятся адгезивные молекулы углеводной природы - гликозаминогликаны (мукополисахариды).

Вероятнее всего, они служат лигандными САМ для определенных рецепторных КАМ, локализованных в пре- и постсинаптической мембранах. В качестве рецепторных КАМ в этом случае могут выступать интегрины, обеспечивающие адгезию в зоне синапса путем гетерофильных взаимодействий типа KAM1-CAM-KAM2.

С помощью синаптических контактов происходит передача возбуж­дения с нейронов на другие клетки. В этом случае потенциал действия (ток ионов Na⁺, деполяризующий мембрану аксона) достигает пресинаптической мембраны и активирует потенциал-зависимые Са-каналы. Воз­никающий поток ионов Са²⁺ в аксон индуцирует экзоцитоз нейромедиаторов (например, ацетилхолина) из мембранных пузырьков в синаптическую щель.

Попав в синаптическую щель, нейромедиатор диффундирует к постсинаптической мембране, где взаимодействует с переносчиками ионов или другими клеточными рецепторами. Это приводит к их активации, в результате чего клетка, получившая сигнал в виде нейромедиатора, адекватно реагирует на этот сигнал. В случае нейронов или мышечных клеток первичный клеточный ответ на нейромедиатор реализуется в виде деполяризации постсинаптической мембраны.

Такой способ передачи сигнала является более медленным, чем в щелевом контакте (электрическом синапсе). Однако, химические синапсы обеспечивают более тонкую регуля­цию процесса передачи сигнала. Например, его сила может определяться числом секретируемых молекул медиатора. Так как нейромедиаторы в синаптической щели подвергаются ферментативному расщеплению или обратному згжвату, продолжительность действия сигнала можно регулировать путем подавления или стимуляции соответствующих фермен­тов и переносчиков.

Возможность модулирования режима работы синаптических контактов используется в медицинской практике. Например, одной из причин депрессии является дефицит нейромедиатора норадреналина в синаптических щелях определенных нейронов. Для лечения таких состояний можно использовать антидепрессанты с различ­ным механизмом действия.

Трициклические антидепрессанты (имипрамин, амитриптилин) блокируют работу переносчика пресинантической мембраны, осуще­ствляющего обратный транспорт избытка норадреналина из синап­тической щели. В результате этого количество нейромедиатора в химическом синапсе возрастает, компенсируя эффект его дефицита и снимая состояние депрессии. К аналогичным последствиям приводит применение антидепрессантов, ингибирующих активность фермен­тов катехоламин-О-метилтрансферазы или моноаминоксидазы, инактивирующих норадреналин в самих нейронах.

Кокаин - вещество, содержащееся в растении кока, - обладает мощным стимулирующим действием и является наркотическим соединением. Механизм его действия основан на инактивации об­ратных переносчиков (связывании с ними) нейромедиаторов дофа­мина и норадреналина в пресинаптической мембране, т.е. увеличении концентрации этих нейромедиаторов в синаптической щели.

Считается, что дофамин является важным элементом «системы награды» головного мозга, поэтому при употреблении кокаина очень быстро развивается сильная психическая зависимость от него. При­ем кокаина вызывает чувство психического подъема и эйфорию (по­вышенное благодушное настроение в сочетании с беспечностью и некритической оценкой своего состояния).

Период активности этого наркотика в организме очень корот­кий, поэтому зависимость от него выражается в частых приемах кокаина (несколько раз в день). Через несколько дней такой инток­сикации может развиться состояние, напоминающее параноидальную шизофрению (утрату единства психических процессов и нарушение мышления, сопровождающиеся бредом и галлюцинациями).

Кокаин обладает выраженным сосудосуживающим действием, способным вызвать судороги и инфаркт миокарда. Передозировка этого наркотика обычно приводит к смерти. Прием кокаина бере­менными женщинами вызывает появление «кокаиновых детей», имеющих патологии физического и психического развития или по­гибающих внутриутробно. Сходными, но менее выраженными, чем у кокаина эффектами обладает синтетический наркотик амфетамин и его производные, например, «экстази».

Кроме ПМКК, для многоклеточного организма характерны и клеточно-субстратные контакты, при которых КАМ взаимодействуют с неклеточными структурами - компонентами внеклеточного матрикса, субстратными адгезивными молекулами (САМ), секретируемыми соот­ветствующими клетками.

Один из наиболее универсальных вариантов внеклеточного матрикса - базальные мем­браны, представляющие собой структуры толщиной 20-200 нм в зависимости от типа ткани, отделяющие слой клеток от других. Строение базальных мембран разных органов неодина­ково, причем даже в одном органе можно обнаружить несколько их вариантов. Являясь местом фиксации определенных клеток, базальные мембраны создают и поддерживают пространственную организацию тканей и органов, служат барьером для макромолекул и влияют на цитодифференцировку.

Взаимодействие между клетками и внеклеточным матриксом опреде­ляется соответствующими КАМ и САМ, принадлежащими к различным семействам адгезивных молекул. Наиболее универсальные КАМ, участвующие в клеточно-субстратных контактах, относятся к семейству интег­ринов, или интегриновых рецепторов.

Все интегрины являются гетеродимерными гликопротеинами, т.е. состоят из двух негомологичных субъединиц. Определяющую роль в контактной функции играет β-субъединица, имеющая α-спиральный трансмембранвый домен, короткий цитоплазматический домен и крупный наружный домен с петлей, образованной дисульфидной связью Рецепторный домен содержит участки связывания определенных лигандных доменов САМ и внеклеточного домена α-субъединицы интегрина. Цитоплазматический домен β-субъединицы способен взаимодействовать с цитоскелетом посредством группы специаль­ных белков (талин, тензин, винкулин), связывающих интегрины с актиновыми МФ. Неко­торые интегрины взаимодействуют не с МФ, а СФ.

Вторая субъединица интегринов, α-субъединица. выполняет регуляториую функцию в отношении β-субъединицы. В частности, она необходима для связывания β-субъединицы как с САМ, так и цитоскелетом. Как правило, α-субъединица представлена двумя разными полипептидными цепями, объединенными дисульфидной связью по типу «конец в конец» Очевидно, обе цепи являются продуктами гидролиза одного исходного полипептида, так как α-субъединицы некоторых интегринов являются длинной полипептидной молекулой, не подразделенной на цени.

Легкая, более короткая цепь α-субъединицы интегринов имеет α-спиральный трансмембранный домен и короткий Цитоплазматический домен, взаимодействующий с анало­гичным доменом β-субъединицы. Тяжелая, более крупная цепь является внеклеточной - ее проксимальный конец связан дисульфидным мостиком с дистальным внеклеточным доме­ном легкой цепи. Дистальная часть тяжелой цепи образует глобулярный регуляторный домен, содержащий центры связывания ионов Са²⁺ или, реже, Mg²⁺.

Связывание двухвалентных катионов приводит к изменению конформации глобуляр­ного домена тяжелой цепи и его взаимодействию с петлеобразным участком рецепторного домена β-субъединицы. Результатом этого является активация адгезивных свойств интегри­на, который приобретает свойство взаимодействовать с МАМ и цитоскелетом.

Интегрины представляют собой Са²⁺(Мg²⁺)-зависимые КАМ, способ­ные связываться с цитоскелетом. В этом отношении они аналогичны кадгеринам КАМ десмосом. Однако, если кадгерины скрепляют цитоскелеты контактирующих клеток, интегрины формируют связь между цитоскелетом и внеклеточным матриксом.

Функции интегринов регулируются не только двухвалентными катио­нами. Цитоплазматический домен интегрина может фосфорилироваться определенными протеинкиназами, в результате чего интегрины изменяют свои адгезивные свойства. Это позволяет клетке временно терять контакт с внеклеточным матриксом и осуществлять перестройку цитоскелета.

В пределах ПА клеток одного организма обнаруживается несколько видов интегринов. Существует не менее 7 вариантов β-субъединиц и более 10 α-субъединиц, которые способ­ны взаимодействовать друг с другом в определенных комбинациях. В частности, β1 субъединица может ассоциировать с семью разными α-субъединицами, β2-субъединица - с тремя другими α-субъединицами. Следствием этого является формирование широкого спектра разнообразия интегриновых рецепторов и отличия наборов интегринов в ПА разно­го типа клеток.

Интегрины способны связывать лигандные домены различных САМ, образованные специфическими последовательностями аминокислот. Наи­более известным лигандным доменом для интегринов является трипептид «-Apr-Гли-Асп-», или RGD-последователъность, которая присутствует во многих белках внеклеточного матрикса, например, фибронектине, ламинине, коллагене I и др.

Фибронектин - наиболее универсальный белковый компонент внеклеточного матрик­са, причем одна из его форм (секретируемая гепатоцитами) свободно циркулирует в плазме крови. Молекула фибронектина представляет собой гомодимер, в котором 2 одинаковых полипептида соединены в области С-концов дисульфидными связями. Протомеры фибро­нектина формируют глобулярные адгезивные домены пяти разных типов, один из которых специфичен для фибронектина, а остальные встречаются и в других адгезивных молекулах. Среди них имеются и RGD-последовательности, так что клетки с определенными интегринами способны взаимодействовать с фибронектином внеклеточного матрикса

Не менее важной, чем фибронектин, САМ является ламинин, состоящий из трех раз­ных полипептидов (А, В1 и В2), которые объединены дисульфидными связями и формиру­ют крестообразную структуру. В гетеротримерной молекуле ламинина имеется несколько адгезивных доменов, с которыми взаимодействуют различные интегрины. Как и в случае фибронектина, некоторые адгезивные домены ламинина содержат RGD-последовательности.

Особым видом САМ являются протеогликаны - специфический вариант гликопротеинов, в которых ведущую роль играют гликозаминогликаны. Гликозаминогликаны - это сложные полисахариды (мукополисахариды), включающие аминосахара и уроновые кисло­ты в сульфатированной форме. Во внеклеточном матриксе они связывают большое количе­ство воды, обеспечивая эластичность матрикса. Кроме того гликозаминогликаны обладают адгезивными свойствами но отношению к интегринам и некоторым другим КАМ Они могут ковалентно соединяться с определенными белками, образуя молекулу протеогликана, содержащую более 100 гликозаминогликановых цепей.

Протеогликаны являются не только САМ, но и КАМ, входя в состав ПА клеток. В этом случае, взаимодействуя с фибронектином или ламинином, они обеспечивают еще один механизм клеточно-субстратных контактов. Более того, протеогликаны могут формировать межклеточный контакты за счет гетерофильных взаимодействий с интегринами ПА другой клетки

Сила клеточно-субстратных контактов может регулироваться путем секреции клетками особых гликопротеинов - антиадгезивных молекул (тенасцин, тромбосподин), которые ослабляют или разрушают контакты. Вероятно, механизм действия антиадгезивных молекул является конку­рентным, так как они имеют Са²⁺-связывающие домены и способны взаи­модействовать с интегринами, фибронектином, ламинином и протеогликанами.

Нарушения клеточно-субстратных контактов может вызывать серьезные последствия для организма. Так, известен наследственный дефект лейкоцитарной адгезии, при котором больные подвержены часто повторяющимся бактериальным инфекциям. У них β-субъединица интегринов ПА лейкоцитов имеет аномальную структуру, в результате чего эти клетки не способны выполнять свои им­мунные функции.

Некоторые опухолевые клетки секретируют повышенное коли­чество антиадгезивных молекул и приобретают способность форми­ровать метастазы - легко отделяются от внеклеточного матрикса и мигрируют в другие части организма, где дают начало вторичным опухолям (метастазам).

Метастазирование определяется и тем, что клетки обладают спо­собностью перемещаться в районы с большим количеством внеклеточного матрикса (так называемый гаптотаксис). Многие опухоле­вые клетки секретируют меньшее количество компонентов матрик­са, чем нормальные, поэтому направляются в нормальные ткани и органы, т.е. становятся инвазивными.

Функция узнавания, или родства, ПА клеток реализуется на основе двух других универсальных функций: контактной и рецепторно-сигнальной. Она проявляется контактными взаимодействиями между оп­ределенными типами клеток или определенных клеток со специфически­ми вариантами внеклеточного матрикса. Такие контакты (и постоянные, и временные) имеют очень большое значение при гистогенезе (формирова­нии тканей) и органогенезе (образовании органов) в ходе развития заро­дыша, эмбриогенеза.

Функция узнавания играет существенную роль при направленном движении клеток. Так, первичные половые клетки высших позвоночных, образуясь в желточном мешке зародыша, мигрируют в зачаток гонад (половых желез) вдоль градиента специального пептида, телоферона, секретируемого клетками гонад.

В данном случае телоферон выступает в качестве сигнальной молекулы, которая, взаимодействуя со специальными рецепторами первичных половых клеток, активирует их способность к движению и временным контактам с определенными адгезивными молекула­ми. Градиент телоферона определяет, в каком направлении должна двигаться клетка, ис­пользуя временные контакты с субстратом (матриксом или ПА других клеток) на пути своей миграции. Такое перемещение вдоль градиента концентрации химических молекул называ­ют хемотаксисом.

Тимоциты (предшественники Т-лимфоцитов), формируясь в красном костном мозге, сначала попадают в тимус (вилочковую железу) и диффе­ренцируются здесь в Т-лимфоциты, которые «расселяются» из тимуса в органы и ткани.

Различные лимфоциты имеют в своем ПА разные виды КАМ - хоуминг-рецепторы Хоумин-рецепторы взаимодействуют с определенными, разными для различных тканей, адгезивными молекулами адрессинами. В результате этого одна часть Т-лимфоцитов оказы­вается в лимфатических узлах, другая - в селезенке, третья - в слизистой оболочке дыха­тельных путей, четвертая - в стенке кишечника и т.д. Оказавшись в специфическом окружении, Т-лимфоциты выполняют свои универсальные иммунные функции, некоторые параметры которых могут модифицироваться в зависимости от местонахождения этих клеток.

Таким образом, функция узнавания реализуется благодаря разнообра­зию вариантов гомологичных КАМ и существованию разных типов КАМ. При этом особое значение имеет то, что в ПА по-разному дифференциро­ванных клеток представлены разные наборы КАМ. Все это обеспечивает высокую специфичность взаимодействий, которая сохраняется при фор­мировании постоянных контактов.

Существование и значимость этой функции демонстрируется в опытах по мацерации многоклеточных структур - превращении их в смесь неконтактирующих клеток. Если подвергнуть мацерации ранний эмбрион млекопитающего и перемешать его клетки, через некоторое время происходит образование постоянных контактов между клетками одинако­вых тканей и формируется подобие исходного зародыша

Дефекты функции узнавания, особенно наследственные, вызы­вают целый ряд патологических состояний. Так, известны наследст­венные аномалии рецепторов к факторам хемотаксиса нейтрофилов (вид лейкоцитов), которые образуются в очагах инфекции. В резуль­тате этого нейтрофилы, циркулирующие в крови, теряют способ­ность перемещаться в очаг поражения, где они должны фагоцитировать возбудителей болезни. Люди, обладающие такими дефектными нейтрофилами, страдают частыми инфекционными заболеваниями, протекающими в тяжелой форме.

При наследственных дефектах рецепторов к телоферону первич­ные половые клетки не попадают в зачатки половых желез. В ре­зультате этого гонады остаются в зачаточном состоянии, не секретируют половые гормоны и развивается дисгенезия гонад (недо­развитие половых желез). Больные женского пола при таком дефекте характеризуются половым инфантилизмом - остановкой полового созревания (недоразвитием наружных половых органов, молочных желез и стерильностью) и низким ростом (120-140 см). Больные с мужским набором половых хромосом (XY) имеют женский тип раз­вития, причем половые органы (яйцеводы, матка, влагалище, поло­вые губы) у них недоразвиты и молочные железы не развиваются.

Опорно-двигательная функция ПА клетки осуществляется с помо­щью COCA, основными элементами которой являются МФ, СФ и МТ, а также двигательные белки миозины и транслокаторы (динеин, кинезин, динамин и др.).

Опорный компонент этой функции реализуется на основе формиро­вания цитоскелета, определяющего форму клеток. Благодаря этому, многие клетки имеют относительно постоянную и характерную форму. Например, эритроциты млекопитающих существуют в виде двояковог­нутых дисковидных элементов, что обеспечивается специфическими бел­ками спектрином, F-актином и др., взаимодействующими с белками плазмалеммы.

«Разветвленная» форма нейронов образуется с помощью специфич­ных для них СФ - нейрофиламентов, причем особенности строения ней­ритов (нервных отростков) зависят и от МТ.

Дефекты цитоскелета являются причиной многих серьезных за­болеваний: определенных форм миодистрофий (слабость скелетных мышц), кардиомиопатий (аномалий сердечной мышцы), нейропатии (дефектов нейронов) и т.д. Очевидно, аномалии цитоскелета могут вызывать перерождение нормальных клеток. В частности, известен случай образования опухолевых клеток в результате дефекта генов, контролирующих структуру белка актина, основного компонента МФ.

Двигательный компонент функции может проявляться в различных аспектах. Один из них - динамичность формы клетки за счет изменения участков ее ПА, примером чего является транспорт в мембранной упа­ковке, особенно фагоцитоз. В этом случае существенную роль играет АМС, определенные дефекты которой блокируют данный процесс.

Известна наследственная аномалия, приводящая к тому, что фа­гоциты (макрофаги и нейтрофилы) теряют способность к фагоцито­зу. Это, в свою очередь, вызывает повышенную чувствительность людей с таким дефектом к различным бактериальным инфекциям.

АМС принимает участие в специфических изменениях формы клеток. Примерами этого являются актомиозиновые «кольца» в опоясывающих десмосомах и делящихся клетках животных. В последнем случае, такое кольцо перетягивает цитоплазму клетки, в результате чего она делится надвое.

Очень большое значение АМС имеет в мышечных клетках, обес­печивая их сократительную функцию. Нарушения этой функции вызывают очень тяжелые последствия для организма, являясь при­чиной миопатий и миодистрофий.

В клетках, способных в норме двигаться по субстрату (макрофа­ги, нейтрофилы), наследственные дефекты АМС вызывают патоло­гическое состояние, названное парализованные фагоциты. Люди с такой аномалией страдают повышенной чувствительностью к ин­фекционным заболеваниям.

ТТС обеспечивают иные аспекты двигательного компонента опорно-двигательной функции - внутриклеточный транспорт мембранных пу­зырьков.

И в данном случае нарушение функционирования транспортных систем вызывают патологию. Например, в нейронах это приводит к снижению скорости передачи нервного импульса в синаптическом контакте. В клетках, имеющих специализированные органоиды движения - реснички и жгутики, наследственные дефекты тубулин-динеиновой системы блокируют их подвижность.

Такова причина синдром неподвижных ресничек, при котором резко повышается чувствительность к инфекционным воспалениям слизистых носоглотки, дыхательных путей и среднего уха, содержа­щих эпителиальные клетки с ресничками. Мужчины с этим синдро­мом являются бесплодными из-за неподвижности сперматозоидов, так как движение мужских гамет обеспечивается тубулиндинеиновой системой аксонемы их хвоста.

Метаболическая функция ПА клетки определяется тем, что в соста­ве всех его элементов (гликокаликсе, плазмалемме и периферической гиалоплазме) обнаруживаются ферменты. Благодаря этому, ПА принима­ет участие в процессах синтеза и расщепления органических веществ, т.е. в метаболизме клетки. Спектр разнообразия ферментов в ПА может быть достаточно большим; например, в ПА гепатоцитов содержит не менее 25 видов ферментов, катализирующих соответствующие реакции.

Примером ферментов гликокаликса являются гидролазы - перифери­ческие белки эпителия тонкой кишки. Здесь они обеспечивают присте­ночное пищеварение, катализируя расщепление углеводов (гликозидазы), липидов (липазы), белков и пептидов (протеазы, протеиназы, пептидазы) и нуклеиновых кислот (нуклеазы).

Наследственные дефекты таких ферментов приводят к разнооб­разным расстройствам пищеварения. Например, наследственный дефицит лактазы, катализирующей расщепление лактозы на галак­тозу и глюкозу, проявляется сразу после рождения, так как лактоза является компонентом материнского молока. Характерными сим­птомами этой непереносимости лактозы являются спазмы кишечни­ка, метеоризм (скопление газов в кишечнике) и диарея (понос). В данном случае накопление лактозы, не расщепившейся в тонком кишечнике: вызывает ее частичное расщепление кишечными бакте­риями в толстой кишке (следствие - метеоризм) и адсорбцию боль­ших количеств воды (следствие - диарея). При таком заболевании, особенно опасном для детей, наблюдается и лактозурия (присутствие лактозы в моче).

Большое количество ферментов локализовано в плазмалемме, напри­мер, фосфолипазы А и С, гуанилатциклаза, протеинкиназа С и др. Кроме того, ферментативной (АТФазной) активностью обладают насосы плазмалеммы: Са-насос и каталитические рецепторы, имеющие протеинкиназный цитоплазматический домен. Уникальными для плазмалеммы ферментами являются 5-нуклеотидаза, щелочная фосфодиэстераза, Na/К-АТФаза, аденилатциклаза и аминопептидаза.

Наследственные дефекты ферментов плазмалеммы приводят к определенным изменениям метаболизма клетки, могут нарушать AT ионов или блокировать передачу сигналов в конкретных РСС.

В периферической гиалоплазме также локализуется достаточное ко­личество белков с ферментативной активностью, например, протеинкина­за А и миозин, головки которого являются АТФазами. Важные каталитические элементы, обнаруженные в субмембранном комплексе, - ферменты гликолиза, бескислородного этапа энергетического обмена, при котором расщепление глюкозы используется для синтеза АТФ.

Известно несколько наследственных болезней, обусловленных пониженной активностью ферментов гликолиза, при которых разви­вается гемолитическая анемия (малокровие из-за разрушения эрит­роцитов).

Индивидуализирующая, или маркерная, функция ПА клеток про­является в том, что ПА разных клеток отличаются по набору определен­ных молекул. В качестве таких молекул могут выступать белки, гликопротеины и гликолипиды, входящие в состав плазмалеммы и глико­каликса. С точки зрения рассматриваемой функции они являются индивидуализирующими маркерами, или антигенами, которые можно подразде­лить на 2 категории.

К первой относятся дифференцированные маркеры, обнаруживаемые при сравнении ПА разных клеток одного организма - клеток разного типа дифференцировки. Так, свои специфические маркеры имеют эпителиаль­ные клетки, нейроны, кардиомиоциты, гепатоциты, лимфоциты и т.д. Каждый из таких маркеров выполняет в ПА свою функцию, т.е. может быть переносчиком, рецептором, ферментом или адгезивной молекулой, что отражает специфику функций разных клеток многоклеточного орга­низма. В норме они не являются антигенами для собственной иммунной системы, находясь в соответствующем наборе дифференцировочных мар­керов.

При некоторых патологических состояниях такие маркеры спо­собны индуцировать иммунный ответ собственного организма, ста­новясь функционально аутоантигенами. В частности, определенные органы (мозг, семенники) изолированы от иммунной системы соот­ветствующими гематологическими барьерами (гематоэнцефалическим и гематотестикулярным, соответственно), благодаря специфическому строению стенок капилляров мозга и семенников. В результате иммунная система не способна определять специфиче­ские маркеры нейронов и мужских половых клеток как «свои» - эти маркеры являются потенциальными аутоантигенами.

При серьезных черепно-мозговых травмах происходит наруше­ние гематоэнцефалического барьера и развивается иммунный ответ на дифференцировочные маркеры нейронов. Это сопровождается иммунным разрушением нервных клеток головного мозга, следстви­ем чего являются разнообразные энцефалопатии (нарушения функ­ций головного мозга), которые могут завершиться и смертью организма. В плазме крови пострадавшего в такой ситуации обнару­живаются аутоантитела - антитела к маркерам собственных ней­ронов. Аналогичная ситуация наблюдается и при нарушениях гематотестикулярного барьера, приводящих к стерильности (бесплодию) из-за иммунного разрушения половых клеток мужчин.

Наличие (или отсутствие) соответствующих дифференцировочных маркеров в ПА данной клетки определяется активным (или неактивным) состоянием гена, контролирующего структуру этого маркера. Так как в каждой клетке организма представлен набор всех генов, отсутствие мар­кера означает, что соответствующий ген в данной клетке инактивирован (выключен). При нарушениях регуляции работы таких генов в ПА появля­ется маркер, не характерный для клетки. Это может служить причиной иммунной реакции на данный аутоантиген, так как он оказывается в не обычном для него наборе маркеров.

Например, маркер HLA-DR характерен для ПА только опреде­ленных клеток: макрофагов, дендритных клеток и В-лимфоцитов. Известны случаи, когда этот маркер появляется в ПА β-клеток поджелудочной железы, где становится аутоантигеном. В результате этого происходит иммунное разрушение β-клеток, синтезирующих и секретируюших гормон инсулин, и развивается одна из форм инсулинзависимого сахарного диабета - аутоиммунный сахарный диабет, диагностируемый по наличию аутоантител.

Вторая категория индивидуализирующих маркеров отражает различия между ПА однотипных клеток разных организмов одного вида, например, человека. Такие маркеры получили название групповых антигенов и представляют собой группу структурных вариантов одно и того же марке­ра, объединенных в систему групповых антигенов. Фактически, к одной системе групповых антигенов относятся маркеры, структура которых контролируется различными аллелями одного гена.

Примером систем групповых антигенов являются системы групп кро­ви, которые подразделяют на эритроцитарные, лейкоцитарные и тромбоцитарные. У человека известно более 20 эритроцитарных систем групп крови, важнейшими из которых в медицинском отношении являются сис­тема АВО и резус-система.

Система АВО представлена тремя антигенами: А, В и Н, - которые, по своей структуре, являются гликосфинголипидами плазмалеммы. Наибольшее количество этих антигенов обнаруживается в мем­бране эритроцитов (порядка 10 млн.), однако, они имеются и в плазмалемме других типов клеток, хотя и в меньшем количестве. Различия между антигенами А, В и Н касаются углеводного компонента гликосфинголипида и определяются активностью фермента галактозилтрансферазы (ГТ). Структура этого фермента кодируется аллелями гена I, причем разные аллели определяют различную активность ГТ. Активная форма фермента катализирует реакцию превращения антигена Н в анти­гены А или В, т.е. Н является биохимическим предшественником А и В.

Антиген Н синтезируется в ходе соответствующей цепи реакций и имеет следующую структуру: церамид=N-ацетилгалактозамин*галактоза*N-ацетил-глюкозамин*галактоза*фукоза (фукоза - изомер глюкозы). Один из аллелей гена, I°, кодирует неактив­ную форму ГТ, ГТ°. Благодаря этому, у людей, имеющих набор аллелей I°I° в мембране эритроцитов обнаруживается только антиген Н, и их от­носят к группе крови О (I).

Аллель I^А кодирует активную форму ГТ - ГТ^А, специфичную к модифицированной галактозе - N-ацетилгалактозамину, который с помощью ГТ^А присоединяется к концевой галактозе антигена Н. В результате этого в клетке синтезируется более сложный антиген А. У людей, имеющих наборы аллелей I^АI^А или I^АI°, в плазмалемме эритроцитов обна­руживается только антиген А, и они относятся к группе крови А(II).

Аллель I^В также кодирует активную форму фермента - ГТ^В, но имеющую иную субстратную специфичность. Действие ГТ^В проявляется в присоединении к концевой галактозе антигена Н не N-ацетилгалактозамина, а галактозы, что приводит к синтезу антигена В. Вследствие этого, у людей с наборами аллелей I^ВI^В или I^ВI° обра­зуется только антиген В, и они представляют группу крови В(III).

Наконец, у человека могут быть два разных аллеля, I^А и I^В , кодирую­щих, соответственно, ГТ^А и ГТ^В. В таком случае одна часть имеющегося антигена Н «превращается» в антиген А, а другая - в антиген В, т.е. в ПА эритроцитов представлены оба этих антигена. Одновременное присутст­вие антигенов А и В в плазмалемме служит критерием принадлежности к группе крови AB(IV).

Наличие систем групповых антигенов позволяет иммунной сис­теме организма опознавать чужеродные клетки и разрушать их. Это необходимо учитывать при переливании крови (трансфузии). Донор (человек, дающий кровь) и реципиент (человек, которому кровь переливают) должны быть совместимыми по группам крови - реци­пиент должен иметь все варианты антигенов, которые есть у донора. В противном случае иммунная система реципиента будет разрушать эритроциты донора, так как на них представлен не свойственный реципиенту вариант антигена.

В этом отношении люди с группой крови AB(IV) являются универсальными реципиентами по системе АВО - им можно переливать кровь любой из четырех групп этой системы. С другой стороны, лю­ди с группой крови О(1) представляют собой универсальных доноров, так как их кровь можно переливать людям любой группы крови по данной системе. Однако, эти универсальные доноры являются реци­пиентами только группы крови О(1). На практике, если это возмож­но, рекомендуется полная совместимость донора и реципиента - они должны быть одинаковой группы крови но системе АВО.

Так как антигены А, В и Н обнаруживаются в ПА и других кле­ток, совместимость по этой системе групп крови необходимо учиты­вать и при трансплантации (пересадке) тканей и органов. В этом случае требуется наличие совместимости донора и реципиента и по другим системам групп крови, в первую очередь - по лейкоцитарным антигенам системы HLA. Несоблюдение этого правила приводит к отторжению трансплантата. Именно поэтому пересадка участков кожи с одной части тела на другую (например, при лечении послед­ствий ожогов) не вызывает иммунологического отторжения.

наверх